CN102080990B - 一种四波段高温测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四波段高温测量方法，这种方法采用的四个测量波段均在800nm～1100nm的近红外波段范围内，且每个测量波段均采用带宽大于50nm的宽波段，使用参考黑体辐射源标定其有效波长，使用参考温度法对温度进行标定。并根据这种测量方法研制了四波段高温测量装置，包括聚焦物镜，传输光纤，三个半反半透镜、四个聚焦透镜、四个滤光片和四个光电探测器和数据处理单元。本发明的技术方案适用于高温表面温度的测量，可以消除或减小材料表面发射率的影响，具有测量准确度高的特点；同时该方案也可有效减小测量距离、环境温度的影响，有很好的环境适应性，在高温测量领域有很好的应用前景。

Description

一种四波段高温测量装置及方法

技术领域

本发明属于温度测量技术，涉及高温物体表面的非接触测量的一种四波段高温测量装置及方法。

背景技术

传统的辐射测温方法包括亮度温度测量方法、比色温度测量方法和全(部分)辐射温度测量方法等，这些方法测得的不是物体的真实温度，只是分别为亮度温度、颜色温度及辐射温度等表观温度。要想准确测量物体的真实温度，必须知道被测物体的材料发射率(黑度系数)。但是，物体的材料发射率不仅与物体的组份，其表面状态及测量波长有关，还与其温度有关，因此很难直接测量物体的真实温度。

近年来发展的多光谱温度测量技术，目的在于解决物体的真温测量问题。即在一个仪器中制成多个光谱通道，利用被测对象在多个光谱(波段)下的辐射能量信息，经数据处理而得到物体的表面温度。该方法不需辅助设备和附加信息，对被测对象亦无特殊要求，因而特别适合于高温、甚高温目标的真温测量。

但是，多光谱高温测量方法的研究内容多注重于如何找到一种普适方法，能够用多光谱测量方法实现对不同材料、不同光谱发射率对象的测量。为了得到足够的信息，需要较多的光谱通道，而探测器能够响应的光谱范围大小是恒定的，因此导致每通道的光谱范围窄，输出信号微弱，进而导致仪器的灵敏度和准确度降低。有研究结果表明，这种影响会大大削弱多光谱测量的优势，有些情况下测量准确度甚至会低于比色测温仪。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够解决高温物体表面温度测量问题，减小甚至消除材料发射率的影响，提高仪器的灵敏度和测量的准确度的四波段高温测量装置及方法。

本发明的技术解决方案是，四波段高温测量装置包括光学系统和数据采集处理单元两部分，光学系统由三个半反半透镜、四个聚焦透镜、四个滤光片和四个光电探测器组成四波段光通路，聚焦物镜接收被测目标发射的辐射能量后经两个消杂散光光阑耦合至光纤，从光纤出射经准直透镜准直为平行光，经过一个半反半透棱镜被分成二份光，该二份光分别经过另外二个半反半透棱镜被分为基本相等的四份光，四份光分别通过四个光通路上的宽带滤光片得到四路带宽大于50nm的宽波段，经聚焦透镜聚焦至光电探测器中；数据采集处理单元包括数据采集单元、信号调理单元、数据处理单元、显示及输出单元，光电探测器转换为电信号输入数据采集单元，经过信号调理单元、数据处理单元处理后得到被测温度经显示及输出单元显示输出。

所述的三个半反半透镜采用等分型宽带立方体分光棱镜。

所述的聚焦物镜采用双胶合消色差透镜。

所述的四个光电探测器采用集光电二极管和电流/电压转换放大器于一体的光电集成器件。

高温测量的方法是，采用的四个测量波段均在800nm～1100nm的近红外波段范围内，且每个测量波段均采用带宽大于50nm的宽波段，(一)使用参考黑体辐射源标定四波段高温测量装置的有效波长，

其中，T₁和T₂为黑体辐射源的温度，

和

为四波段高温测量装置四个光通路的输出，c₂为常数，λ_i有效波长；

(二)在参考黑体辐射源上用参考温度法对四波段高温测量装置进行标定；

(三)采集被测物体表面发出的光信号，通过四波段高温测量装置的光学系统转换成电信号送入数据采集处理单元，数据采集处理单元使用参考黑体辐射源在参考温度T₀下对高温计进行标定，可以得到各通道的输出电压。

$V_{i,0}=A_i\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

第i个通道感受被测表面辐射能量后输出的信号为V_i，则：

$V_i=A_i\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}T)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

上两式相除，可得：

$\frac{V_i}{V_{i,0}}=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λT})}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

其中ε(λ，T)是被测对象发射率，λ是光谱波长，

和分别是光谱波长的上限和下限，τ(λ)是系统的透过系数，μ(λ)是探测器的光谱相应率，A_i是一个与装置结构和探测器响应有关的系数，近似为常数；

(四)四波段高温测量装置的数据处理单元将

代入每个光通路的

中，用非线性迭代的方法解方程得到被测物体的温度值。

本发明具有的优点和有益效果，本发明的技术方案适用于高温表面温度的测量，可以消除或减小材料表面发射率的影响，不仅克服了一般辐射测温方法必须事先测量或预估目标材料发射率才能计算出真温的缺点，而且能够同时测量目标的发射率，具有测量准确度高的特点；同时该方案也可有效减小测量距离、环境温度和环境辐射的影响，有很好的环境适应性，在高温测量领域有很好的应用前景。

附图说明

图1是一种四波段高温测量装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本技术的实施方式做出说明：

装置的工作过程如下：

聚焦物镜2接收被测目标1发射的辐射后耦合至光纤3，从光纤3出射，经准直透镜4准直为平行光，然后经过半反半透棱镜4被分成二份，再分别经过一个半反半透棱镜被分为基本相等的四份，每份分别通过各自通道上的宽带滤光片6、聚焦透镜7被聚焦至光电探测器8中，数据采集处理单元采集光电探测器转换的电信号，经过处理后得到被测温度。

聚焦物镜采用双胶合消色差透镜，并在透镜后连续放置两个消杂散光光阑；半反半透镜采用等分型宽带立方体分光棱镜；四个滤光片采用宽带滤光片，其带宽大于50nm；四个光电探测器采用集光电二极管和电流/电压转换放大器于一体的光电集成器件。

四波段高温测量装置的数据处理方法如下：

如果多光谱温度计有n个通道，设第i个通道感受被测表面辐射能量后输出的信号为V_i，则：

$V_i=A_i\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}T)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

其中T是被测温度，ε(λ，T)是被测对象发射率，λ是光谱波长，

和

分别是光谱波长的上限和下限，τ(λ)是系统的透过系数，μ(λ)是探测器的光谱相应率，A_i是一个与装置结构和探测器响应有关的系数，可近似为常数。

如果使用参考黑体辐射源在参考温度T₀下对高温计进行标定，可以得到各通道的输出电压

$V_{i,0}=A_i\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(2\right)$

上两式相除，可得：

$\frac{V_i}{V_{i,0}}=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λT})}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(3\right)$

为简化式(3)便于求解，须要进行一些假设和近似。由于虽然增加了高温计各通道光谱宽度，但它仍然属于较窄谱带，对于高温物体表面可以假设ε(λ，T)＝a+bλ_i，即认为发射率与有效波长成正比关系，且在每个通道光谱范围内是一个常数。温度对发射率的影响，以及上述假设带来的影响，均可认为隐含在系数b中，在温度求解的过程中通过自动调整b而得到了修正。

要求解式(3)，需要对高温计的有效波长λ_i进行标定。可以直接用黑体炉测量温度T₁和T₂下高温计各通道的输出

和

来计算λ_i。温度T₁和T₂可以按照温度测量的需求选择，而不限于被测温度的上限和下限附近。根据有效波长的定义，有

${\mathrm{\λ}}_c=\frac{c_2(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})}{\ln \left(\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{L}^0(\mathrm{\λ},T_2)\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{L}^0(\mathrm{\λ},T_1)\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}\right)}---\left(4\right)$

由于光电探测器的线性度很好，接收的辐射能量与输出电压成正比关系，因此有：

$\ln \left(\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{L}^0(\mathrm{\λ},T_2)\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{L}^0(\mathrm{\λ},T_1)\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}\right)=\ln \frac{V_2}{V_1}---\left(5\right)$

因此有效波长可以表示为

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{c_2(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})}{\ln \left(\frac{V_{i,T_1}}{V_{i,T_2}}\right)}---\left(6\right)$

在实际测量中，分别采集四个光电探测器的输出电压信号V_i，根据有效波长的定义和假设的发射率模型，建立如下方程组：

$\frac{V_i}{V_{i,0}}=(a+b{\mathrm{\λ}}_i)\exp (\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_i{T}_0}-\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_{i}T}),(i=\mathrm{1,2,3,4})---\left(7\right)$

式中的T₀是参考温度，应从标定时的温度T₁或T₂中任取一个，V_i，0是用黑体炉在温度T₀下标定时对应的各通道的输出电压。建立上述方程组后，可以用非线性拟合的方法求出(a，b，T)，从而得到被测目标的温度，该部分可用DSP来实现。

在本发明中，利用黑体炉在温度T₁和T₂下高温计各通道的输出

和通过式(6)求出有效波长λ_i，然后以T₁作为参考温度，根据实际测量中各通道输出的电压值，利用式(7)求出被测对象的温度。

本发明根据以上四波段高温测量方法公开的一种四波段高温测量装置，包括：聚焦物镜，用于将高温被测表面发射的能量进行聚焦耦合至传输光纤；传输光纤，用于传输接收的辐射信号；准直透镜，用于将从传输光纤传出的辐射信号准直为平行光；三个半反半透镜，将准直后的辐射信号分为近似相等的四份；四个滤光片，用于得到四个不同波段的辐射信号；四个聚焦透镜，分别将通过滤光片的四通道辐射信号聚焦至光电探测器上；四个光电探测器，用于将各通道的辐射信号转换为电信号；数据处理单元，用于将采集各通道的辐射信号并经过数据处理后得到被测高温表面的温度。

Claims (5)

1.一种四波段高温测量装置，其特征在于，装置包括光学系统和数据采集处理单元两部分，光学系统由三个半反半透棱镜、四个聚焦透镜、四个滤光片和四个光电探测器组成四波段光通路，聚焦物镜(2)接收被测目标(1)发射的辐射能量后经两个消杂散光光阑耦合至光纤(3)，从光纤(3)出射经准直透镜(4)准直为平行光，经过一个半反半透棱镜(5)被分成二份光，该二份光分别经过另外二个半反半透棱镜被分为基本相等的四份光，四份光分别通过四个光通路上的宽带滤光片(6)得到四路带宽大于50nm的宽波段，经聚焦透镜(7)聚焦至光电探测器(8)中；数据采集处理单元包括数据采集单元、信号调理单元、数据处理单元、显示及输出单元，光电探测器(8)转换为电信号输入数据采集单元，经过信号调理单元、数据处理单元处理后得到被测温度，经显示及输出单元显示输出。

2.根据权利要求1所述的四波段高温测量装置，其特征在于，所述的三个半反半透棱镜采用等分型宽带立方体分光棱镜。

3.根据权利要求1所述的四波段高温测量装置，其特征在于，所述的聚焦物镜采用双胶合消色差透镜。

4.根据权利要求1所述的四波段高温测量装置，其特征在于，所述的四个光电探测器采用集光电二极管和电流/电压转换放大器于一体的光电集成器件。

5.一种采用权利要求1所述四波段高温测量装置进行高温测量的方法，其特征在于，采用的四个测量波段均在800nm～1100nm的近红外波段范围内，且每个测量波段均采用带宽大于50nm的宽波段，(一)使用参考黑体辐射源标定四波段高温测量装置的有效波长，

其中，T₁和T₂为黑体辐射源的温度，

和

为四波段高温测量装置四个光通路的输出，c₂为常数，λ_i为有效波长；

(二)在参考黑体辐射源上用参考温度法对四波段高温测量装置进行标定；

(三)采集被测物体表面发出的光信号，通过四波段高温测量装置的光学系统转换成电信号送入数据采集处理单元，数据采集处理单元使用参考黑体辐射源在参考温度T₀下对高温计进行标定，可以得到各通道的输出电压：

$V_{i,0}=A_i\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

第i个通道感受被测表面辐射能量后输出的信号为V_i，则：

$V_i=A_i\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}T)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

上两式相除，可得：

$\frac{V_i}{V_{i,0}}=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λT})}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

其中ε(λ，T)是被测对象发射率，λ是光谱波长，

和

分别是光谱波长的上限和下限，τ(λ)是系统的透过系数，μ(λ)是探测器的光谱响应率，A_i是一个与装置结构和探测器响应有关的系数，近似为常数；

(四)四波段高温测量装置的数据处理单元将

代入每个光通路的 $\frac{V_i}{V_{i,0}}=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_i,T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λT})}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_{i,2}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{i,1}}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp (c_2/\mathrm{\λ}{T}_0)}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$ 中，用非线性迭代的方法解方程得到被测物体的温度值。

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