CN103644972A - 一种多光谱辐射测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光谱辐射测温系统和方法，包括宽谱光源和依次设置在宽谱光源出射光路上的入射准直透镜组、出射准直透镜组和光谱仪，待测量火焰设置在入射准直透镜组和出射准直透镜组之间；本发明在多光谱辐射测温系统所穿过测量火焰的相同路径上，设置了发射率系数自校准系统，通过记录宽谱光源、火焰、宽谱光源联合火焰的光谱参数，得到了不同波长下的火焰发射率系数，用于多光谱辐射测温系统的参数校正，克服了传统理论计算修正中的模型误差，提高了测量不确定度。

Description

一种多光谱辐射测温装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量传感领域，特别是提供了一种用于燃烧流场的多光谱辐射测温装置及方法。

背景技术

在爆轰场、燃烧场研究中，温度是燃烧反应的一个重要状态参数，利用这个参数可以较好地了解爆轰、燃烧过程中的热能变化，以及燃烧过程中以辐射、对流及导热为形式的热量传递过程。火焰温度分布测量通常有接触法和非接触法，其中非接触法因为对火焰场引入干扰较少而应用较广。

在非接触法温度参数测量中，基于光谱辐射原理的测温法是一种常用的方法，通过测量光谱辐射强度和波长的关系计算得到温度值，其基本原理如下：

火焰的强度和波长是温度的函数，其谱功率密度出射度E(λ,T)可用Plank公式表示为

$E(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}{C}_1}{{\mathrm{\λ}}^5[\exp (C_2/\mathrm{\λT})-1]}---\left(1\right)$

式中：λ为工作波长，T为工作温度，C₁和C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，ε为发射率系数，通常与波长等参数相关，故测量某波段的辐射功率则可以间接得到辐射场的温度。

常见的基于光谱辐射原理的测温法有单光谱测温法、比色测温法和多光谱辐射测温法。单光谱测温法通过测量某一波长处的绝对辐射强度，计算得到温度值，在实施中需要对系统的绝对响应值进行准确标定，并且要设定发射率系数ε值，故带来的测量不确定度较大。比色法通过对两个波长接近的波段进行探测，并根据其响应信号的比值计算得到温度参数，故不需要获得系统绝对响应值，但是在计算的前提是假设两个接近波长的发射率系数ε相等，给实际测量带来了不确定度。多光谱辐射测温法是采用光谱仪记录较宽波段内的火焰发射光谱曲线，并与Plank公式拟合得到温度值，由于采用了多点数据拟合，故具有较高的测量精度，此外在实际火焰的发射谱中除了符合Plank公式的热辐射信号外，还叠加有钠、钾等元素的特征发射谱线，而采用多波长测温法可以针对性地剔除掉此谱段，选取其他波段的有效参数进行拟合，故具有更广泛的适用性。

但是在多光谱辐射测温方法中，如何克服发射率系数ε对光谱曲线的影响成为难点之一。发表在《动力工程》第19卷6期上的“基于辐射强度多波长分析的燃烧火焰温度测量方法的实验研究”中，作者给出了一种发射率系数ε经验模型，并通过解算多个波长点对应辐射强度的超越方程组，计算得到了ε随波长的变化关系和温度值。但是这种方法建立在ε经验模型上，容易受到不同火焰参数的限制产生具有较大的不确定度，此外数据处理过程较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于多光谱辐射测温系统的发射率自校准装置和方法，可以实时获得与测温通道同区域火焰处的反射率系数，用于多光谱辐射测温系统的参数校正，提高测量不确定度。

本发明的技术方案如下：

一种多光谱辐射测温装置，包括脉冲宽谱光源和依次设置在脉冲宽谱光源出射光路上的入射准直透镜组、出射准直透镜组和光谱仪，待测量火焰设置在入射准直透镜组和出射准直透镜组之间，脉冲宽谱光源出射光经过入射准直透镜组准直后，穿过火焰的待测量区域，并经出射准直透镜组，耦合进光谱仪。

上述多光谱辐射测温装置中，脉冲宽谱光源为超连续谱激光器或发光二极管宽谱光源，经驱动源调制后实现脉冲输出。

上述多光谱辐射测温装置中，脉冲宽谱光源包括宽谱光源和机械调制单元，宽谱光源为黑体源、钨带灯、卤素灯或硅碳棒灯，机械调制单元为光闸或机械斩波器；机械调制单元设置在脉冲宽谱光源和入射准直透镜组之间或者入射准直透镜组和火焰之间。

上述多光谱辐射测温装置中，光谱仪为光纤光谱仪，光纤光谱仪的输入光纤与出射准直透镜组的出口相联。

上述多光谱辐射测温装置中，入射准直透镜组和出射准直透镜组的口径、数值孔径相同。

利用上述多光谱辐射测温装置实现燃烧流场的温度测量的方法，包括以下步骤：

[1]光谱仪记录得到脉冲宽谱光源在出光时的光谱信号V₁(λ)；

[2]光谱仪记录脉冲宽谱光源和火焰同时作用下的光谱信号，获取火焰单独辐照到光谱仪的信号V₂(λ)和火焰与宽谱光源同时作用下的光谱信号V₃(λ)；

[3]计算得到火焰发射率系数ε(λ)=(V₂(λ)+V₁(λ)-V₃(λ))/V₁(λ)；

[4]对公式 $E(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)C_1}{{\mathrm{\λ}}^5[\exp (C_2/\mathrm{\λT})-1]}$ 进行数据拟合，得到火焰积分路径上的温度值；其中λ为工作波长，T为工作温度，C₁和C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，k为系统校正常数；

[5]计算得到不同时刻下的火焰温度参数。

上述多光谱辐射测温方法中，步骤[2]中脉冲宽谱光源和光谱仪同步采集，脉冲宽谱光源的脉冲跳变沿作为光谱仪的采集触发信号。

上述多光谱辐射测温方法中，步骤[2]中脉冲宽带光源的脉宽为光谱仪积分时间的n+0.05～n+0.1倍，n为大于1的正整数。

上述多光谱辐射测温方法中，n=2。

上述多光谱辐射测温方法中，脉冲光源的输出脉宽可取1～100ms，占空比为1：1。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明在多光谱辐射测温系统所穿过测量火焰的相同路径上，设置了发射率系数自校准系统，通过记录宽谱光源、火焰、宽谱光源联合火焰的光谱参数，得到了不同波长下的火焰发射率系数，用于多光谱辐射测温系统的参数校正，克服了传统理论计算修正中的模型误差，提高了测量不确定度。

2、本发明在火焰测量通道上设置了口径和数值孔径均相同的一对入射准直透镜组、出射准直透镜组，对火焰的出射孔径和角度进行限制，确保校准中宽谱光源穿过的火焰区域与实际测温系统测量的火焰区域相同，提高了测量不确定度。

3、本发明采用可调制的脉冲宽谱光源，实现输出光的快速开启和关闭，满足了测量和校准过程中对时间响应的要求。

4、本发明的宽谱光源采用黑体源、钨带灯、卤素灯、硅碳棒，并配置有可快速开启和关闭的光闸或机械斩波器，实现了宽谱光源的快速开启和关闭，满足了测量和校准过程中对时间响应的要求。

5、本发明可用于针对火焰积分路径温度测量系统的准确校准，具有原理简单可靠，并可以实时校准等特点。

附图说明

图1为本发明多光谱辐射测温装置原理图，其中宽谱光源为超连续谱激光器。

图2为本发明多光谱辐射测温装置原理图，其中光谱仪为光纤光谱仪。

图3为本发明多光谱辐射测温装置原理图，其中宽谱光源为钨带灯、卤素灯、硅碳棒等。

图4为本发明入射准直透镜和出射准直透镜工作原理示意图。

图5为准直透镜组的工作原理。

图6为实测的某类型燃烧火焰某条积分路径上发射率系数的测量结果。

图7为图6实验中修正前后该火焰的辐射光谱图及温度拟合结果。

图8为图6实验中校准前后该积分路径上火焰的温度随时间变化图。

附图标记如下：

1—宽谱光源；2—机械调制单元；3—入射准直透镜组；4—火焰；5—出射准直透镜组；6—光谱仪；7—光纤；11—实测光谱曲线；12—拟合得到的Plank公式曲线；13—校正得到的光谱曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明的测量装置包括脉冲宽谱光源1和在脉冲宽谱光源出射光路上的入射准直透镜组3、出射准直透镜组5和光谱仪6，待测量火焰4设置在入射准直透镜组3和出射准直透镜组5之间，脉冲宽谱光源1出射光经过入射准直透镜组3准直后，穿过火焰4的待测量区域，并经出射准直透镜组5，耦合进用于多光谱辐射测温的光谱仪6。

光谱仪6可以为空间光接口，也可以采用如图2所示的光纤光谱仪，此时光纤的一端与出射准直透镜组5的出口联接，另一端耦合进光谱仪6内。光纤7通常采用芯径不小于Φ400μm大芯径光纤，光纤7的材料根据光谱仪6的响应波段进行选取，可采用石英或硫化物、氟化物光纤等。

为了能够获取温度随时间的变化参数，测量装置采用脉冲宽谱光源1，并实时测量每个脉冲下宽谱光源和火焰联合作用下的光谱，以此来获取温度随时间的变化。脉冲光源的输出脉冲产生方式有两种：一种是通过信号调制的半导体类型的宽谱光源，比如超连续谱激光器或发光二极管宽谱光源；另外一种光源为灯源，比如黑体源、钨带灯、卤素灯或硅碳棒灯等，需要在其出口处增加机械调制单元才能实现脉冲输出，机械调制单元为光闸或机械斩波器。其中机械调制单元可以设置在脉冲宽谱光源和入射准直透镜组之间或者入射准直透镜组和火焰之间。

本发明光谱辐射测温步骤如下：

第一步，开启宽谱光源，在火焰场未加载的情况下，用光谱仪记录得到宽谱光源经过入射准直透镜和出射准直透镜的光谱信号V₁(λ)

V₁(λ)=k₁(λ)·P₁(λ)   （2）

其中P₁(λ)为光源在不同波长λ下的功率幅值，k₁(λ)为入射准直透镜、出射准直透镜和光谱仪对不同波长的响应系数。

采取的方案是去掉加载的调制信号或机械调制单元，获取宽谱光源未经调制下的光谱信号，即为V₁(λ)；也可以保持脉冲光源输出的前提下，在采集得到的光谱数据中进行后期数据的挑选，通常对于占空比为1：1、稳定输出的脉冲式宽谱光源，只要光谱仪的积分时间小于激光脉宽时，在光谱数据序列中挑选信号最大的一帧值，就是所需要的未经调制的光谱信号V₁(λ)。

第二步，保持脉冲宽谱光源开启，加载火焰场，用光谱仪记录得到光谱信号，并对后期的数据进行处理，获取火焰单独辐照到光谱仪的信号V₂(λ)、火焰和宽谱光源同时作用下的光谱信号V₃(λ)，其中

V₂(λ)=k₂(λ)·E(λ,T)   （3）

E(λ,T)为火焰场光谱出射度，见公式（1），k₂(λ)为出射准直透镜和光谱仪对不同波长的响应系数。

V₃(λ)=k₁(λ)·P₁(λ)·(1-α(λ))+k₂(λ)·E(λ,T)   （4）

α(λ)为被宽谱光源穿过火焰路径上火焰对光源的吸收系数，该吸收系数表现为波长λ的函数。

此步骤的方案有两种，一种是同步采集法，另一种是信号挑选法。

同步采集法是保持脉冲宽谱光源和光谱仪同步采集，假设脉冲宽谱光源经过调制后的信号占空比为1：1，利用脉冲宽谱光源脉冲信号的跳变沿作为光谱仪的采集触发信号，并设定光谱仪的积分时间略小于光源的脉冲宽度，这样可以获取宽谱光源在完整出光时间段和完整不出光时间段内的信号。数据记录完毕后，按照时序进行分离，对于输出功率稳定的宽谱光源来讲，则信号幅值较大的数据为火焰和宽谱光源同时作用下的光谱信号V₃(λ)，信号幅值较小的数据为火焰单独辐照到光谱仪的信号V₂(λ)。

信号挑选法是设定脉冲宽谱光源的占空比为1：1、脉宽为光谱仪积分时间的n倍多一点，通常取脉宽为积分时间的n+0.05～n+0.1倍，n为大于1的正整数，为了增加信号强度取n=2，这样方式可以省却同步触发信号。在后期的光谱数据处理中，对于每个波长点的时序信号，每2n个数据中，至少有一个数据是整个光谱积分时间段内光源和火焰联合作用时的信号V₃(λ)，其幅值为最大；同时在2n个数据中，至少有一个数据是整个光谱积分时间段内只有火焰没有光源下的光谱信号V₂(λ)，其幅值为最小，其前提在于宽谱光源的输出功率稳定，且火焰场的温度不会跳变。在实际应用中，通常认为其温度场在ms级内温度保持不变，脉冲光源的输出脉宽可取1～100ms。

第三步，将公式（2）、（3）代入（4）中，可计算得到火焰的吸收系数

α(λ)=(V₂(λ)+V₁(λ)-V₃(λ))/V₁(λ)   （5）

根据基尔霍夫定律，在热平衡条件下，辐射火焰的吸收率α(λ)等于发射率ε(λ)，可计算得到火焰的发射率系数

ε(λ)=(V₂(λ)+V₁(λ)-V₃(λ))/V₁(λ)   （6）

第四步，将公式（6）的结果代入公式（1）中，并通过对公式（1）的多点数值拟合，精确计算得到火焰积分路径上的温度参数。

第五步，根据获取的光谱数据的时序，计算不同时刻下的火焰温度参数。

如图4所示，在实施中为了确保辐射到光谱仪的火焰4和宽谱光源1穿过的火焰4区域一致，采用了口径和数值孔径均相同的双准直透镜的工作方式。宽谱光源1输出光束经入射准直透镜组3准直后，穿过火焰，到达出射准直透镜组5，并由光谱仪6记录光谱信号。

图5给出了准直透镜组的工作原理，点光源发出的光经过准直透镜组准直后变成一束平行光束，根据光的可逆原理知，只有平行于准直透镜组光轴且与透镜组孔径相一致的光束才能耦合进光谱仪的入口，故可保证图4中只有宽谱光源1穿过的火焰区域的光才能经出射准直透镜组5耦合进光谱仪内，对于火焰上其他区域的光则无法耦合进入光谱仪内，满足了实际测量和系数校准对火焰发射区域的等效性，均为火焰上同一条积分路径的区域，从而提高了测量不确定度。

图6给出了实测的某类型燃烧火焰某条积分路径上发射率系数的测量结果，图7给出了修正前后该火焰的辐射光谱图及温度拟合结果，其中曲线11为实测光谱图，曲线13为按照图6发射率系数校正得到的光谱图，从中可以看出，除了热辐射信号外，在0.31μm和0.43μm处还叠加有特征发射谱线，由于可见光和红外波段的光谱特征谱线较复杂，故选取了200nm-550nm的区域内的辐射光谱进行Plank公式拟合，获得了曲线12，并计算得到温度值。图8给出了校准前后该积分路径上火焰的温度随时间变化图，实验结果表明，经过校准后的火焰温度更接近于其他标准测量方法的测量结果，验证了此方法的可行性。

Claims (10)

1.一种多光谱辐射测温装置，特征在于：包括脉冲宽谱光源（1）和依次设置在脉冲宽谱光源（1）出射光路上的入射准直透镜组（3）、出射准直透镜组（5）和光谱仪（6），待测量火焰（4）设置在入射准直透镜组（3）和出射准直透镜组（5）之间，脉冲宽谱光源（1）出射光经过入射准直透镜组（3）准直后，穿过火焰（4）的待测量区域，并经出射准直透镜组（5），耦合进光谱仪（6）。

2.根据权利要求1所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于：所述的脉冲宽谱光源（1）为超连续谱激光器或发光二极管宽谱光源，经驱动源调制后实现脉冲输出。

3.根据权利要求1所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于：所述的脉冲宽谱光源（1）包括宽谱光源和机械调制单元（2），所述的宽谱光源为黑体源、钨带灯、卤素灯或硅碳棒灯，所述的机械调制单元（2）为光闸或机械斩波器；所述的机械调制单元设置在脉冲宽谱光源（1）和入射准直透镜组（3）之间或者入射准直透镜组（3）和火焰（4）之间。

4.根据权利要求1至3任意之一所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于：所述的光谱仪（6）为光纤光谱仪，所述光纤光谱仪的输入光纤与出射准直透镜组（5）的出口相联。

5.根据权利要求1至3任意之一所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于：所述的入射准直透镜组（3）和出射准直透镜组（5）的口径、数值孔径相同。

6.利用权利要求1所述的多光谱辐射测温装置实现燃烧流场的温度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[1]光谱仪记录得到脉冲宽谱光源在出光时的光谱信号V₁(λ)；

[2]光谱仪记录脉冲宽谱光源和火焰同时作用下的光谱信号，获取火焰单独辐照到光谱仪的信号V₂(λ)和火焰与宽谱光源同时作用下的光谱信号V₃(λ)；

[3]计算得到火焰发射率系数ε(λ)=(V₂(λ)+V₁(λ)-V₃(λ))/V₁(λ)；

[4]对公式 $E(\mathrm{\λ},T)=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)C_1}{{\mathrm{\λ}}^5[\exp (C_2/\mathrm{\λT})-1]}$ 进行数据拟合，得到火焰积分路径上的温度值；其中λ为工作波长，T为工作温度，C₁和C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，k为系统校正常数；

[5]计算得到不同时刻下的火焰温度参数。

7.根据权利要求6所述的多光谱辐射测温方法，其特征在于：所述步骤[2]中脉冲宽谱光源和光谱仪同步采集，脉冲宽谱光源的脉冲跳变沿作为光谱仪的采集触发信号。

8.根据权利要求6所述的多光谱辐射测温方法，其特征在于：所述步骤[2]中脉冲宽带光源的脉宽为光谱仪积分时间的n+0.05～n+0.1倍，n为大于1的正整数。

9.根据权利要求8所述的多光谱辐射测温方法，其特征在于：所述的n=2。

10.根据权利要求6所述的多光谱辐射测温方法，其特征在于：所述的脉冲光源的输出脉宽可取1～100ms，占空比为1：1。

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