CN101303257A - 一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法，涉及热等离子体温度测量领域。所述测温方法基于空气电弧等离子体辐射的光谱诊断原理，由附加双窄带通滤光片并经过标定的彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，存储为数据无压缩的BMP格式，将电弧彩色位图文件在两个特征中心波长下响应的像素值校正为电弧辐射强度的原始数据，通过阿贝尔变换得到电弧径向光强分布，再应用光谱相对强度的比色方法，计算电弧等离子体投影温度分布或电弧等离子体温度径向分布，重建长间隙空气电弧等离子体的三维温度场。本发明能准确测量空气中长达数米的开放电弧等离子体温度，为研究长间隙空气电弧的微观机理提供了一个重要的等离子体参数。

Description

一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法

技术领域

本发明涉及长间隙空气电弧等离子体温度的一种测量方法，属于热等离子体温度测量领域。

背景技术

空气电弧等离子体的温度较高，探针或热耦的热容量极限难以满足要求，且接触式探头会干扰被测量电弧的温度场，所以通常采用非接触式方法测量电弧等离子体温度。

目前，红外测温技术在非接触式测温领域得到了广泛应用。空气电弧等离子体辐射连续光谱，主要覆盖可见光区域，而红外热像仪的响应波长远远超出电弧等离子体辐射的波长范围，同时存在测温范围较小，动态性较差等不足，且电弧温度高、辐射能量大，可能损伤红外镜头。另外，通过诊断线光谱强度或宽度得到电弧温度的光谱仪，适合测量小尺寸的电弧等离子体温度，对于长达数米的空气开放电弧等离子体温度的测量，实现较困难。可见，采用红外热像仪和光谱仪测量长间隙空气电弧的等离子体温度，存在一定的缺陷。

随着光电技术、计算机技术和数字图像处理技术的发展，基于彩色CCD图像传感器的非接触式测温技术，由于CCD具有工作稳定可靠、图像清晰度高等优点，成为高温检测领域的研究热点，彩色CCD图像包含的色度信息和辐射测温原理是这种测温技术的重要基础。但是，由于CCD响应曲线受带宽的限制，且等离子体辐射信号在经过图像采集系统的各种变换之后，会引入误差，因此直接使用比色测温法有较大的测量误差，减小误差是该测温技术的主要难点之一。同时，彩色CCD图像是电弧三维辐射空间在二维CCD靶面上的投影(积分值)，是一种深度方向的累积效应，不能表征某个电弧横截面的光强分布，无法得到真正意义上的温度场。所以，需借助于数学转换方法，重建电弧等离子体温度场。

发明内容

为了克服电弧等离子体温度测量技术的上述缺陷，本发明的目的是为了提供一种测量长间隙空气电弧温度的方法，以得到空气电弧等离子体的温度分布。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案为：一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法基于空气电弧等离子体辐射的光谱诊断原理，由附加双窄带通滤光片并经过标定的彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，存储为数据无压缩的BMP格式，将电弧彩色位图文件在两个特征中心波长下响应的像素值校正为电弧辐射强度的原始数据，通过阿贝尔变换得到电弧径向光强分布，再应用光谱相对强度的比色方法，计算电弧等离子体投影温度分布或电弧等离子体温度径向分布，重建长间隙空气电弧等离子体的三维温度场。

本发明实现上述技术方案的方法为：

第一步，光学预处理

在用于拍摄长间隙空气电弧图像的彩色CCD高速图像采集系统的相机镜头前附加中性滤光片和两个特征中心波长的窄带滤光片，可消除电弧图像的饱和失真现象，并选取电弧等离子体辐射在第一波长λ1、第二波长λ2下的入射光透过，使存储的图像信号满足等离子体光谱诊断的要求。

第二步，标定彩色CCD图像采集系统通道参数

根据彩色CCD高速图像采集系统的光谱响应特性，利用标准辐射源对光学预处理过的采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的通道参数进行标定。基本原理是，彩色CCD的响应值V与光谱辐射强度I之间满足：V＝KI^γ，通道参数K、γ分别为系统转换系数和伽马校正系数。已知标准辐射源在特定波长、不同温度下的I，测量响应值V，采用最小二乘法对这些数据进行拟合求取参数K和γ。

第三步，校正电弧等离子体辐射强度

采用经光学预处理的彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，存储为数据无压缩的BMP格式，读取电弧彩色位图文件中各点响应的红、蓝色像素值V，利用标定的通道参数K和γ，将其校正为电弧等离子体在第一波长λ1、第二波长λ2下的辐射强度I。

第四步，求取径向光强分布

对长间隙空气电弧图像沿轴向进行离散化处理，每个电弧横截面微段辐射的光谱强度满足柱对称分布，且电弧为光学薄的等离子体，此处的光学薄指电弧吸收辐射能量的程度远小于1，所以可借助于阿贝尔变换，将所测的投影光强转换为电弧径向光强分布。

第五步，计算电弧等离子体温度场

空气电弧等离子体辐射连续光谱的主要机制为轫致辐射，基于电弧轫致辐射谱强度与等离子体温度的关系，利用光谱相对强度的比色方法，根据电弧在第一波长λ1、第二波长λ2下校正后的辐射光强计算等离子体投影温度，或利用径向光强分布求取电弧等离子体的径向温度分布。

其中计算电弧等离子体投影温度T的表达式为：

$\frac{\mathrm{hc}}{k}\·\frac{\frac{1}{\mathrm{\λ}2}-\frac{1}{\mathrm{\λ}1}}{\ln \left[\frac{{(V1/K1)}^{1/\mathrm{\γ}1}}{{(V2/K2)}^{1/\mathrm{\γ}2}}\right]+2\ln \frac{\mathrm{\λ}1}{\mathrm{\λ}2}}$

式中，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，V1、V2分别为电弧彩色图像在第一波长λ1、第二波长λ2下响应的红、蓝色像素值，K1、K2分别为彩色CCD图像采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的转换系数，γ1、γ2分别为彩色CCD图像采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的伽马校正系数；

其中求取电弧横截面中第i点的等离子体径向温度分布T_i的表达式为：

$T_i=\frac{\mathrm{hc}}{k}\·\frac{\frac{1}{\mathrm{\λ}2}-\frac{1}{\mathrm{\λ}1}}{\ln \left[\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[A_{\mathrm{ij}}{({V1}_j/K1)}^{1/\mathrm{\γ}1}\right]}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[A_{\mathrm{ij}}{({V2}_j/K2)}^{1/\mathrm{\γ}2}\right]}\right]+2\ln \frac{\mathrm{\λ}1}{\mathrm{\λ}2}}$

式中，A_ij为阿贝尔变换系数，i、j＝1，2，...，N，N为电弧横截面的总点数，V1_j、V2_j分别电弧横截面中第j点在第一波长λ1、第二波长λ2下响应的红、蓝色像素值，按照此表达式计算各电弧横截面微段的等离子体温度径向分布，最后将所有径向温度分布结合起来就构成了整个电弧等离子体的三维温度场。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：

1、充分发挥彩色CCD高速摄像和数字图像处理相结合的非接触式测温技术的优势，弥补了接触式测温方法、红外热像仪和光谱仪测量长间隙空气电弧等离子体温度的缺陷。采用彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，图像分辨率高，拍摄速率快，读取数据无压缩的电弧彩色位图中的像素信息计算电弧等离子体温度，测温范围宽，测量精度高。可见，本发明简便可行、动态性好、精度高，具有较大的灵活性和工程实用价值。

2、本发明利用标准辐射源对电弧图像采集系统的通道响应参数进行标定，确保电弧等离子体测温方法所取信号的真实和准确。

3、通过附加窄带滤光片使特定波长的入射光透过，由中性滤光片消除电弧图像的饱和失真现象，选取彩色CCD光谱响应特性中不交叠的第一波长λ1、第二波长λ2为窄带滤光片的中心波长，将电弧彩色位图文件中的红、蓝色像素还原为两个特征波长下的辐射光强，有效减小了计算方法引起的误差。

4、基于空气电弧等离子体轫致辐射谱强度与温度的关系测量电弧等离子体温度的方法，反映了电弧温度的物理本质，有利于从微观角度剖析电弧电子密度、运动速度等内在特性，为研究空气电弧的发展机理提供了强有力的工具。

5、离散化处理长间隙空气电弧图像，使每个电弧截面微段的光强分布满足柱状对称，用阿贝尔变换和比色法计算电弧等离子体的径向温度分布，重构整个电弧的三维温度场，不仅获得了长间隙空气电弧等离子体的温度特性，且避免了绝对光强测温方法中涉及的多个未知原子参数，提高了测量精度。

附图说明

参看以下附图，在下文的非限制性的示范性实施例中，本发明的其他特征和优势将是显而易见的，附图是：

图1是依据本发明研制的测量系统的结构示意图。

图2是本发明的计算软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例来描述本发明的实施方式。

图1为依据本发明制作的测量系统的总体结构，主要由长间隙空气电弧发生器、光学预处理装置、彩色CCD高速图像采集系统和长间隙空气电弧温度计算软件组成。长间隙空气电弧发生器产生电弧等离子体，形成长0.1～5m、持续2s、在大气中自由运动的开放电弧。光学预处理装置包括中性滤光片和两个窄带滤光片，中性滤光片为光学中性的，衰减系数在全波长范围内是常数，光强衰减比为8/1；第一窄带滤光片的中心波长λ1为632.8nm，半峰值带宽为16nm，透过率为55％；第二窄带滤光片的中心波长λ2为441.6nm，半峰值带宽为10nm，透过率为70％。彩色CCD高速图像采集系统由彩色CCD相机和图像采集装置构成，在最大图像分辨率为1024×1024下的拍摄帧率达2000帧/秒，存储空间为8GB。长间隙空气电弧温度计算软件处理电弧图像数据，以显示电弧等离子体的三维温度场，计算流程见图2，通道参数分别被设置为：第一波长λ1对应的通道转换系数K1＝7.56×10^-5，伽马校正系数γ₁＝0.595；第二波长λ2对应的通道转换系数K2＝0.0277，伽马校正系数γ₂＝0.33。

长间隙空气电弧发生器产生的电弧等离子体辐射光谱经光学预处理装置衰减和滤波后，使第一波长λ1、第二波长λ2下的入射光进入彩色CCD高速图像采集系统中成像，电弧彩色图像通过数据线传输到计算机，电弧温度计算软件读取彩色位图文件，从上弧根开始沿轴向对电弧进行空间离散化，再由通道参数将每个电弧横截面微段各点的红、蓝色像素转换为等离子体辐射在第一波长λ1、第二波长λ2下的光谱强度，并利用阿贝尔变换得到光强径向分布，采用比色法计算电弧等离子体投影温度或电弧横截面等离子体温度的径向分布，并将电弧横截面微段向下不断递增计算其径向温度分布，直到下弧根为止，最后将所有电弧横截面微段的径向温度分布结合起来就构成了整个电弧等离子体的三维温度场。

对长180mm、直径为6.6mm的空气电弧等离子体温度进行测量，电弧为垂直方向，下表列出了电弧中部的等离子体温度径向分布，电弧微段位置是以电弧轴向中间为0，坐标向上按步长1mm递增，坐标向下按步长-1mm递减。

电弧等离子体温度径向分布

已经根据优选的实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解了上述详细说明书后能做出多种修正和替换。本发明意欲的是本申请构建成包括了落入附属的权利要求书或其等同物的范围之内的所有这些修正和替换。

Claims (2)

1、一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法，其特征在于该方法通过以下步骤测量长间隙空气电弧等离子体温度：

第一步，光学预处理

在用于拍摄长间隙空气电弧图像的彩色CCD高速图像采集系统的相机镜头前附加中性滤光片和两个特征中心波长的窄带滤光片，选取电弧等离子体辐射在第一波长λ1、第二波长λ2下的入射光透过；

第二步，标定彩色CCD图像采集系统通道参数

利用标准辐射源对光学预处理过的彩色CCD图像采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的通道参数进行标定，基本原理是，彩色CCD的响应值V与光谱辐射强度I之间满足：V＝KI^γ，通道参数K、γ分别为系统转换系数和伽马校正系数，已知标准辐射源在特定波长、不同温度下的I，测量响应值V，采用最小二乘法对这些数据进行拟合求取参数K和γ；

第三步，校正电弧等离子体辐射强度

采用经光学预处理的彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，存储为数据无压缩的BMP格式，读取电弧彩色位图文件中各点响应的红、蓝色像素值V，利用标定的通道参数K和γ，将V校正为电弧等离子体在第一波长λ1、第二波长λ2下的辐射强度I；

第四步，求取径向光强分布

对长间隙空气电弧图像沿轴向进行离散化处理，每个电弧横截面微段辐射的光谱强度满足柱对称分布，且电弧为光学薄的等离子体，借助于阿贝尔变换，将所测的投影光强转换为电弧径向光强分布；

第五步，计算电弧等离子体温度场

基于电弧轫致辐射谱强度与等离子体温度的关系，采用比色方法，根据校正后的电弧辐射投影光强计算等离子体投影温度，或利用径向光强分布求取各电弧横截面微段的等离子体温度径向分布，最后将所有径向温度分布结合起来就构成了整个电弧等离子体的三维温度场。

2、如权利要求1所述的测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法，其特征在于：

其中计算电弧等离子体投影温度T的表达式为：

$T=\frac{\mathrm{hc}}{k}\·\frac{\frac{1}{\mathrm{\λ}2}-\frac{1}{\mathrm{\λ}1}}{\ln \left[\frac{{(V1/K1)}^{1/\mathrm{\γ}1}}{{(V2/K2)}^{1/\mathrm{\γ}2}}\right]+2\ln \frac{\mathrm{\λ}1}{\mathrm{\λ}2}}$

式中，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，V1、V2分别为电弧彩色图像在第一波长λ1、第二波长λ2下响应的红、蓝色像素值，K1、K2分别为彩色CCD图像采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的转换系数，γ1、γ2分别为彩色CCD图像采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的伽马校正系数；

其中求取电弧横截面中第i点的等离子体径向温度分布T_i的表达式为：

$T_i=\frac{\mathrm{hc}}{k}\·\frac{\frac{1}{\mathrm{\λ}2}-\frac{1}{\mathrm{\λ}1}}{\ln \left[\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[A_{\mathrm{ij}}{({V1}_j/K1)}^{1/\mathrm{\γ}1}\right]}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[A_{\mathrm{ij}}{({V2}_j/K2)}^{1/\mathrm{\γ}2}\right]}\right]+2\ln \frac{\mathrm{\λ}1}{\mathrm{\λ}2}}$

式中，A_ij为阿贝尔变换系数，i、j＝1，2，…，N，N为电弧横截面的总点数，V1_j、V2_j分别电弧横截面中第j点在第一波长λ1、第二波长λ2下响应的红、蓝色像素值。

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