CN103884449B - 一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统，包括光学采集处理系统、光电转化系统、数据处理单元。本发明利用光纤传感技术结合光学信号处理器件调制、检测光纤中传输的光波特征参量，实现对温度物理量的动态测量，具有光束质量优、抗干扰能力强、结构紧凑集成、测量精度高、对电弧场无扰动、安全可靠、动态响应速度快等优点，克服了喷口内光信号采样难的问题；利用可调光衰减器实现光信号动态饱和的实时控制和动态增益平衡的调节；波分复用器将不同特征波长的单色光束分开，集成度高；将红外辐射测温法和可见光谱测温法结合，采用数字处理单元通过相对谱线强度法运算得到电弧温度，扩大动态测量范围和提高测量的动态响应速度。

Description

一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术和光谱辐射理论相结合的电弧温度光学测量系统，特别适用于喷射电推力器、电弧等离子体炬、高压断路器等装置喷口电弧等离子体动态温度的非接触式测量。

背景技术

电弧放电是一种能独立存在的自持放电现象。其中，在拉伐尔喷口中放电产生电弧等离子体的方法被广泛应用在航天动力推进、表面材料处理制备、电力故障电流开断等领域。拉法尔喷口是一种轴对称喷口，具有典型的收缩段、约束段和扩张段。由于应用背景的差异，其制造材料也有所不同，最常见的主要有两种：喷口侧壁兼做放电阳极和喷口侧壁由绝缘材料制成（分别如图2-3所示）。前者被广泛的应用在电弧推进器、电弧等离子体喷枪、电弧风洞加热器等装置中，后者主要应用于高压断路器中。高功率电弧推进器（典型的如电弧发动机和磁致等离子体动力推进器）由太阳能或核能经转换装置获得电能，利用电能电离推进剂加速工质，上游电弧等离子体经过喷口的作用在下游扩张段膨胀后呈现高速流动，借助有效的反作用力实现航天器的推进，将在未来的航天任务中发挥更大的作用。电弧风洞加热器是模拟真实再入环境进行飞行器气动性能测试和热防护材料烧烛性能测试的重要地面实验设备。测试气体以亚声速速度注入收缩段，在喷口喉部约束段段经过高强度密集加热，气体分子发生剧烈的电离和分解反应，形成高温高焓值等离子体流，流经喷管扩张段时以超声速速度迅速向喷管出口处扩散。电弧等离子体喷枪热喷涂技术利用电弧等离子体的高焓高能流密度将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。电弧热喷涂具有结合强度高，生产效率高，成本低，安全性好，喷涂质量稳定的特点。航空航天的表面防护是热喷涂持续多年的研究热点，在合金表面涂覆隔热性能良好的高熔点陶瓷涂层，被广泛应用于小型火箭发动机喷管、返回地面人造卫星回收天线等装备的热防护。高压断路器的超音速喷口利用高速对流能量耗散使电力短路故障电弧快速熄灭，以实现故障电流的成功开断。尽管高压断路器在目前的航天器电源系统中尚未使用，可以的预期的是，随着空间太阳能电站等超大功率空间航天系统的建设，作为电力系统安全卫士的高压断路器必将进入空间领域。

要提高电弧发生器工作特性，必须了解电弧等离子体的工作机理。其中，电弧温度是描述电弧等离子体热力学状态的最重要的参数之一，通过对电弧温度的研究，可以获悉等离子体内部的基本物理化学反应过程，为提高电弧发生器的能量利用效率、改善电弧作用效果奠定基础，同时，也对提升装置工作的可靠性和稳定性具有重要意义。

电弧等离子体温度的测量方法可分为接触测量和非接触测量。接触测量（典型方法有探针法和热电偶法）主要使用传感器与被测对象相接触，测量实现容易，使用灵活，缺点是只能测量特定位置的温度，测温元件热容量有限，并且会干扰测试区的温度场。非接触测量（典型方法有辐射测温法和干涉测温法）中测温元件不与被测物接触，其传热惯性小，不会破坏被测物的温度场和造成感温元件的损耗，是未来高温测量的发展方向，在高温温度场测量中得到越来越多的应用。其中，干涉法具有、计算量小、结果精确一次测量能获得全场信息等特点，但该此法要求电弧等离子体处于折射率梯度小且呈轴对称状态，并且需要专门的光路设计，对于密闭空间电弧温度的测量难于实现（廉金瑞，李俊岳.电弧的激光干涉诊断中CCD微机检测系统的研究[J].焊接学报，1989，10（3）：157-163；陈球武，胡特生.焊接电弧形态和电弧温度场[J].北京航空航天大学学报，1986，12（3）：7-16）。

辐射法技术较为成熟，抗干扰能力好，使用广泛，主要有全辐射测温法，亮度测温法以及双波长测温法。一般来讲，电弧温度从边缘冷流的几百K到中心上万K连续变化，辐射连续光谱的波长范围也覆盖了可见光、紫外线和红外线，所以辐射法测量成为获得电弧等离子体温度的有效手段。

全辐射测温法的基本原理是若温度为Tr的绝对黑体的辐亮度与某一辐射体在温度为T时的辐亮度相等，则定义Tr为该辐射体的辐射温度，物体的辐射通量密度的表达式由斯蒂芬—玻尔兹曼定律获得，通过热探测器或光子探测器将物体的热辐射能转化为电信号输出，经过转换得到物体的温度。这是红外测温仪和红外热成像仪的工作原理，主要用于4000K以下温度的测量，具有测温速度快，灵敏度高，对被测温度场无干扰，热惰性误差小，能远距离测温等优点，广泛应用于焊接电弧熔池、电力设备温升、发动机羽流等测量领域（梅林，沈风刚.立向下焊焊接熔池表面温度场分布的红外热象法测定[J].焊接，1999（2）：22-25；李明，廖俊必，祝智伟，李中华.红外成像在羽流撞击平板热效应试验中的应用[J].红外与激光工程，2010，39（5）：796-800）。其缺点在于红外测温系统属于窄谱辐射测量设备，受被测表面的发射率、反射率（或吸收率）、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的影响，降低了红外热像仪的准确性。

亮度测温法的基本原理为，温度为T的辐射体，如其在某一波长λ的光谱辐亮度与温度为TL的黑体在同一波长下的光谱辐亮度相等，则定义TL为该辐射体的亮温度。辐射体的亮温度TL和它的实际温度T之间的关系，由普朗克公式求得。该方法在遥感、宇航、电力等诸多领域有着广泛的应用，主要用于4000K以下温度区间的测量（蒋小勇，翟宏，陈晋龙.毫米波频段亮温度的计算[J].宇航计测技术，2009，29（3）：8-10；年丰，杨于杰，王伟.基于CFD技术的微波定标源亮温评定方法[J].遥感学报，2011，15（4）：691-695；高强，曾常安，贾峥.辐射计检测绝缘子污秽的天线温度模型[J].华北电力大学学报，2007，34（6）：92-96）。

双波长测温方法主要包含4000K以下温度区间的比色温度法和4000K以上温度区间的光谱法。比色温度法基于经典的普朗克黑体辐射定律，利用同一对象在两个波长下的单色亮度值比随温度变化这一特征来测量温度。在实际操作中通常对普朗克定理做维恩近似公式代替，在两个波长确定的条件下，已知单色辐射亮度之比，光谱发射率之比，即可得到被测对象的温度。该方法相比测量光谱发射率绝对值的测温方法要简单和精确，被广泛的应用于冶金、焊接、燃烧等领域，用来测量火焰和金属表面的温度。随着电荷耦合器件CCD的不断发展，传统的比色测温法结合CCD摄像机的色度学基础，通过对高温物体的数字图像处理技术，提取图像信息中包含的亮度信息，发展了新的比色测温方法，实现了温度的二维和三维分布测量（符泰然，钟茂华，史聪灵，程晓舫.发明专利CN101487740，一种三CCD温度场测量装置及方法；卢家金.发明专利CN101943604A，测温成像系统及其测量方法；周德玉，夏需堂.基于彩色CCD像素点亮度的测温原理研究[J].大气与环境光学学报，2011，06（4）：311-316；张家仙，鞠玉涛，杨余旺，郑亚.基于图像处理的膏体推进剂火焰测温[J].计算机仿真，2009，26（4）：263-266；张龙，夏智勋，胡建新.基于图像处理技术的补燃室火焰温度场测量[J].2007，33（6）：57-61；李汉舟，张敏贵，潘泉，张洪才.基于面阵CCD图像的温度场测量研究[J].2003，24（6）：653-656；郑德忠，周颖慧.单CCD数字滤光温度场测量[J].电子学报，2009，37（12）：2774-2777）。尽管比色测温法在上述高温测量领域获得广泛应用，不过自然界并不存在绝对的黑体，将黑体辐射定律应用于实际测量常遇到辐射率修正的困难。

比色测温法基于的黑体热辐射理论特别是维恩近似公式在4000K以上的温度区间并不成立，进一步的改进工作则考虑了更高温度区间电弧等离子体的光辐射特性，结合彩色CCD成像技术和图像处理技术将温度的测量区间拓展到电弧弧光放电对应的范围（颜湘莲，陈维江，贺子鸣，王承玉，武建文，王景.采用光谱诊断法测量长间隙空气电弧温度[J].中国电机工程学报，2011，31（19）：146-152；栾荻野，曹云东.开关电器电弧的温度检测研究[J].电气开关，2010，48（2）：23-25）。尽管该方法操作简便，但其主要缺点有（1），该方法可靠性依赖于标准辐射源温度校准的精确性和单色光光电转化通道响应特性标定的可信度，而实际的操作由于被测对象的光谱响应系数K难以通过实验标定，这就给高温场测量带来了困难；（2），采用光学镜头直接对准开放电弧等离子体或者高温被测物体的方法不适用于有喷口或者其他物体遮蔽的情况；（3），该方法借助可见光波段的特征谱线进行光辐射强度采集，在电流较小或者过零区间，电弧可见光辐射非常微弱，引起较大的温度测量误差；（4），该方法使用的中性滤光片光衰减率是固定的，无法适应非直流电弧光辐射随电流大小动态衰减变化的要求。特别是电弧功率较小，光辐射较弱时，大电流期间为了防止光饱和设置的较大的光衰减率减弱了采集的光信号，带来较大的测量误差。

光谱法测温多采用直读光谱仪完成，该方法利用相对强度法：通过测得同种元素的2条或多条谱线的相对辐射强度推导出等离子体温度。其优点就是对等离子体本身不产生任何干扰，因此测得的电弧温度精度高，而且方法简便，但对环境要求较高（贾滨阳，薛龙，郭遵广，吕涛，黄继强.高压GMAW焊电弧温度光谱分析[J].2012，20（1）：13-17）。由于光谱仪需要对全波段进行扫描、积分，其输出的光谱强度是在积分时间内的平均值，数据采集时间长，动态响应性差，光谱仪设备昂贵，多应用于稳态情况下的高温测量，无法满足电弧等离子体实时动态温度实时测量的要求。此外，针对电弧等离子体的弧光特性，采用可见光波段的单色光作为输入信号，在电弧功率较小时，采样光信号较弱，测量误差较大，限制了测温范围向4000K以下更低的区间拓展。另外，光谱法的作用被限定在局部热力平衡的条件下，通常应用于电子密度在10²⁰—10²⁴/m³范围的等离子体的诊断中。然而，在弧柱外热边界区，这个条件是不满足的。因此，测量弧柱外热边界区的温度分布时，无法采用光谱诊断法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统，实现了测温范围广、测量精度与分辨率高、可靠性高、动态响应特性优良、安装方便的封闭电弧等离子体温度非接触式测量系统和测量方法。

本发明的技术方案是：一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统，包括光学采集处理系统、光电转化系统、数据处理单元；光学采集处理系统包括光纤探测阵列、可调光衰减器、光功分器、波分复用器；光电转化系统包括多通道光电探测器和信号调理电路；光纤探测阵列接收外部喷口电弧放电发出的光信号，经可调光衰减器动态衰减后送至光功分器；光功分器将衰减后的光纤探测阵列中的每路光纤采集的光信号动态分为等性的两路子信号，上述两路子信号再经波分复用器后，分成两路特征波长为λ₁、λ₂的单色可见光以及特征波长为λ₃、λ₄的单色红外光，并送至多通道光电探测器；多通道光电探测器将输入进来的光信号转换为电信号后送至信号调理电路进行去噪处理、幅值变化处理后，送至数据处理单元；数据处理单元通过阿贝尔变换，将同一电弧轴向截面不同径向位置的电弧辐射光强线值对应的电信号转换为径向光强的点位值对应的电信号，再通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度。

所述的光纤探测阵列包括由N个光纤探头组成的二维光纤阵、石英玻璃和橡胶密封圈，每个光纤探头前端位于同一平面上；所述的每个光纤探头包括自聚焦透镜、光纤保护套、光纤芯、光纤连接套和密封胶；所述的光纤保护套和光纤连接套由绝缘材料制成，光纤保护套通过密封胶套接在光纤芯外部，光纤连接套的外表面刻有螺纹；光纤连接套通过光纤探头嵌套装置与喷口壁面连接；光纤探头嵌套装置为中空结构，外部刻有螺纹，分别与喷口壁面、光纤连接套的内螺纹嵌套；每个光纤探头前放置有石英玻璃，石英玻璃通过橡胶密封圈与喷口壁面嵌套；N为大于1的正整数。

当所述的数据处理单元只接收到红外波段两个特征波长λ₃、λ₄单色红外光时，通过阿贝尔变换转换，将同一电弧轴向截面不同径向位置的电弧辐射光强线值对应的电信号转换为径向光强的点位值对应的电信号，再通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度；当所述的数据处理单元同时接收到可见波段两个特征波长λ₁、λ₂的单色可见光，以及红外波段两个特征波长λ₃、λ₄单色红外光时，只利用可见波段两个特征波长λ₁、λ₂的单色可见光的光强信息，通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度。

所述的数据处理单元包括AD转换电路、FPGA、DSP；AD转换电路对光电转化系统输出的模拟信号动态离散采样，并转化为光辐射数字信号；FPGA对AD转换电路和DSP进行时序控制，DSP完成光辐射数字信号数据的处理，并通过USB协议与外部计算机相互通信。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明利用光纤传感技术调制、检测光纤中传输的光波特征参量，实现对温度物理量的动态测量。光纤传感技术可使测温探头与仪表分离，增强了仪器仪表规避狭小空间的能力，避免了恶劣的环境对数据线的损坏，具有现场无电信号、不受电磁干扰、性能可靠、技术含量高和成本低等优点。

（2）本发明通过光纤探测阵列与喷口壁面采样通道紧密、可靠地连接，克服了封闭喷口内放电电弧等离子体光信号采样难的问题。光纤探头通过透镜耦合方法，提高了光线在光纤中传输时的全反射率，降低了光辐射能损耗。前置透明石英玻璃可以在不影响光传输的前提下，将绝缘隔离光纤探头与电弧等离子体的高温、电磁、腐蚀气氛等恶劣环境隔离，安全可靠。

（3）本发明利用多通道可调光衰减器实现光信号动态饱和的实时控制和动态增益平衡的调节，克服了使用中性滤光片时光衰减率不能变化的缺点，避免了光信号的饱和，为光传输通道提供精确、可靠、可调的光功率控制，拓宽了温度的动态测量范围。

（4）本发明利用多通道波分复用器将不同特征波长的单色光束分开，只用一个器件就同时完成了光波的分束和滤波，减少了滤波损耗，提高了信噪比，相比光敏管等信号分离技术线性度更好，提高了测温计的测量范围和精度，相比使用多个干涉滤光片，系统的集成度高，系统简单，容易实现，成本降低。

（5）本发明通过测量可见光和红外光两个波段、四个特征波长单色光的辐射强度，利用双波长相对强度法来测量电弧温度，克服了单纯利用一种波段的特征光无法实现电弧等离子体全范围温度测量的缺点。

（6）本发明采用FPGA+DSP联合结构的数据采集处理系统，将FPGA与DSP的组合，使DSP的高速数据处理能力与FPGA的高速、复杂组合逻辑和时序逻辑控制能力相结合，结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，能够提高算法效率：同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展升级。上述特点满足了电弧等离子体温度高速动态测量、显示的要求。

附图说明

图1为电弧等离子体温度测量系统组成示意图。

图2为电弧发动机拉伐尔喷口示意图。

图3为高压断路器拉伐尔喷口示意图。

图4为光纤探测阵示意图。

图5为光纤探头安装示意图。

图6为电弧等离子体温度计算流程图。

图7为阿贝尔逆变换示意图。

图8为铜原子和铁原子特征谱线相对发射系数随温度的变化。

具体实施方式

一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统包括光学采集处理系统、光电转化系统、数据处理单元（高速A/D转换电路、数据运算处理），还包括计算机系统（数据存储、显示软件系统）；光学采集处理系统包括光纤探测阵列、可调光衰减器、光功分器、波分复用器；光电转化系统包括多通道光电探测器和信号调理电路。

光纤探测阵列采用二维光纤阵探头深入到喷口壁面，实现不同径向和轴向位置上电弧等离子体的光信号采集，送至光学信号处理器件进行光信号的调制和处理。其中，绝缘材料制成的光纤探头与喷口嵌套装置可靠的连接；光纤探头前面有自聚焦镜头；连接装置前部设置有透明石英玻璃，并利用气密封圈将光通道填充。

所述光学信号处理器件包括多通道可调光衰减器、光功分器和多通道波分复用器，实现光信号强度的动态调节和不同波长单色光的分光选择。同一径向位置多路光信号通道，通过同一个可调光衰减器，采用相同光衰减率。可调衰减器通过光路输出信号的闭环反馈，实现动态饱和的控制和动态增益平衡的调节。光功分器的作用就是将某一位置的入射光分为完全相同的两束。这两个光束，分别经过两个多通道波分复用器进行可见光和红外光波段的分光选择输出各两路的特征波长单色光，其中两路λ₁，λ₂属于可见光波段，主要针对电弧核心弧柱区域弧光放电可见光的特性来测量4000K以上区间的温度，另两路λ₃，λ₄属于红外光波段，主要针对电弧边缘高温热边界层红外光主导的特性来测量4000K以下区间的温度。上述四路单色光信号送至光电转化系统进行光电信号之间的转化和调理。

所述光电转化系统利用多通道光子探测器阵列实现多路特征波长光子的计数，并将光信号转化为电信号，通过信号调理电路实现光电转化后信号的滤波放大处理。其中，光探测器采用高性能、高动态响应的真空雪崩二极管，是整个光子计数和光电转化系统的基础。电弧同一位置发射的四路特征波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄的单色光经光电转化后辐射强度信号分别为I₁，I₂，I₃，I₄。

所述数据处理单元采用高速A/D转换电路对光电转化系统输出的模拟信号实现动态离散采样，通过现场可编程门阵（FPGA）实现稳定、可靠的时序控制，利用数字信号处理器（DSP）完成光辐射信号数据的高速处理，计算获得电弧等离子体各位置的温度，并通过USB协议与计算机相互通信，从计算机接受指令，将数据送入计算机。在线或联机采集的数据存在DSP外挂的SDRAM和Flash存储器中。

所述电弧等等离子体温度的计算方法为：数据处理单元只接收到红外波段两个特征波长λ₃、λ₄单色红外光时，通过阿贝尔变换转换，将同一电弧轴向截面不同径向位置的电弧辐射光强线值对应的电信号转换为径向光强的点位值对应的电信号，再通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度；当所述的数据处理单元同时接收到可见波段两个特征波长λ₁、λ₂的单色可见光，以及红外波段两个特征波长λ₃、λ₄单色红外光时，只利用可见波段两个特征波长λ₁、λ₂的单色可见光的光强信息，通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度。

计算机系统结合LabVIEW软件在信号处理方面的优势，开发了上位机监测及数据管理系统软件，利用虚拟仪器界面，并且设计通信电路，使上位计算机与下位机正常通讯，将采集到的信号通过串口传入上位计算机，实现喷口电弧各个位置点对应的各路通道特征波长单色光辐射强度、温度数据结果的存储和动态显示，并根据信号对应的位置信息实现三维喷口电弧等离子体动态温度场的建立。

本发明的具体实施方式如下：

整个测量系统工作流程如图1所示，包括光学采集处理系统（光纤探测阵列、自适应可调衰减器、多路波分复用器）、光电转化系统（多通道光子探测器、信号调理电路）、数据处理单元和计算机系统。光学采集处理系统实现光功率调整和单色特征光分光选择，光电转化系统将多路光信号转换成电信号，并进行滤波和信号方法处理。数据处理单元（高速A/D转换电路、FPGA和DSP联合结构）利用特征波长的光辐射强度实现电弧温度的计算，并通过USB数据通信到计算机系统，由数据存储和管理系统上位机软件实现结果的显示和存储。

所述的光纤探测阵列，如图4-5所示，包括由N个光纤探头组成的二维光纤阵、石英玻璃8和橡胶密封圈9，每个光纤探头前端位于同一平面上；所述的每个光纤探头包括自聚焦透镜1、光纤保护套2、光纤芯3、光纤连接套4和密封胶5；所述的光纤保护套2和光纤连接套4由绝缘材料制成，光纤保护套2通过密封胶5套接在光纤芯3外部，光纤连接套4的外表面刻有螺纹；光纤连接套4通过光纤探头嵌套装置6与喷口壁面7连接；光纤探头嵌套装置6为中空结构，外部刻有螺纹，分别与喷口壁面7、光纤连接套4的内螺纹嵌套；每个光纤探头前放置有石英玻璃8，石英玻璃8通过橡胶密封圈9与喷口壁面7嵌套；N为大于1的正整数。

光纤探测阵列接收外部喷口电弧放电发出的光信号经过自适应可调衰减器进行光功率调节控制，以避免光饱和现象的发生。同一轴向截面Z=Z₀各个径向位置的光信号通过同一个光衰减器，其光衰减率由光强的最大值闭环反馈控制，以保证同一轴向截面上各路光经过相同的衰减。电弧同一位置采集的光信号经过光功分器动态分为等性的两路子信号，上述两路子信号再经波分复用器后，分成两路特征波长为λ₁、λ₂的单色可见光以及特征波长为λ₃、λ₄的单色红外光，并送至多通道光电探测器。通道光电探测器处理后将光信号转换为电信号，经过信号调理电路的滤波和放大后输出到高速A/D转换电路，实现光辐射强度的离散采样，得到每个位置四个特征波长光辐射强度的标称值分别为I₁，I₂，I₃，I₄。如果多通道波分复用器的分光波长范围足够大，可以不经过光功分器的分光直接对电弧原始光信号进行分光处理。

运用双波长相对强度法计算等离子体温度，关键在于选择合适的特征谱线，其中，可见波段特征谱线应该遵循的基本准测有：发射谱线的光谱应该具有合适的灵敏度，要求特征谱线的发射系数要大；有合适的分辨率，选择相对独立的谱线；谱线的光谱要有足够的锐性，带宽要窄；两条谱线波长的区分度要好。红外波段特征谱线通常选取两个接近的波长，认为两个波长下光发射率系数相等，消除发射率系数误差的影响。

系统数据采集的控制部分、缓存以及外围通讯部分，用FPGA硬件实现，并由DSP芯片通过图6所示的流程图计算不同位置电弧等离子体的温度。

在进行数据运算之前所获取的光谱强度都是积分值，无法直接得到点位的光谱强度（发射系数、辐亮度点位值）等物理量信息，由此引出的Abel逆变换是将积分值转化为点位值必不可少的方法。其基本原理如下：

图7中，观察点B的辐射强度值可等效为沿弦AA’的弧柱内部各点辐射强度的积分值。对于非均匀、柱对称光学薄的等离子体，其υ波长的辐射强度I_υ，与发射系数ε_υ的关系如下：

$I_v\left(y\right)=\underset{0}{\overset{x}{\∫}}{\mathrm{\ϵ}}_v\left(r\right)\mathrm{dx}---\left(1\right)$

由于I（R）=0，R为电弧半径，得到：

$I_{\mathrm{\ν}}\left(y\right)=2\underset{y}{\overset{R}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ν}}\left(r\right)\mathrm{rdr}}{\sqrt{r^2-y^2}}---\left(2\right)$

（2）式就是著名的Abel变换。

I_ν(y)可由诊断设备测得，需要求ε_ν(r)，对上式进行反变换得到：

$\mathrm{\ϵ}\left(r\right)=-\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{r}{\overset{R}{\∫}}\frac{\mathrm{dI}\left(y\right)/\mathrm{dy}}{\sqrt{y^2-r^2}}\mathrm{dy}---\left(3\right)$

类似地，辐亮度点位值L_v与光发射系数ε_v一样也可以通过Abel变换和逆变换与光辐射强度I_v建立联系。

可见光波段双波长相对强度法温度计算的基本原理如下：

喷口电弧核心区域均满足局部热力学平衡条件以及光学薄性质时.由光谱诊断法原理可知，光谱线的发射系数ε_mn与等离子体辐射的频率f_mn及等离子体温度T之间有下述关系：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\mathrm{hf}}_{\mathrm{mn}}{A}_{\mathrm{mn}}{g}_m\frac{N_0}{Z\left(T\right)}\exp (-\frac{E_m}{\mathrm{kT}})---\left(4\right)$

其中，h为普朗克常数;A_mn为从高能级m向低能级n的跃迁几率;g_m为m能级上的统计权重;N₀为发射该谱线的原子数密度;Z为发射该谱线的原子的配分函数;E_m为高能级m的激发电位，k为波尔兹曼常数。

由式（5）得出同种粒子任意2条光谱线发射系数之比为：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}\frac{f_1{A}_1{g}_1}{f_2{A}_2{g}_2}\exp (-\frac{E_1-E_2}{\mathrm{kT}})---\left(5\right)$

图8给出了铜原子和铁原子的两对特征谱线（515nm/511nm，443nm/426nm）发射系数之比随温度的变化情况。

则电弧等离子体的温度为

$T=\frac{E_1-E_2}{k(\ln \frac{A_1{g}_1}{A_2{g}_2}-\ln \frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2})}---\left(6\right)$

式中，λ₁，λ₂分别是两个谱线对应的波长。

红外光波段双波长相对强度法温度计算的基本原理如下：

红外辐射的辐亮度点位值L₁满足维恩公式：

$L_1^{\′}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}{C}_1{\mathrm{\λ}}_1^{-5}\exp (-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_1^{\′}T})---\left(7\right)$

式中，C₁=3.74×10^-12W·cm²称为第一辐射系数，C₂=-1.44cm·K称为第二辐射系数。ε₁'为辐射率系数，是相同的几何条件和光谱条件下，实际物体与同温度黑体的辐射能通量之比，随辐射体表面条件、形状、温度等因素变化。由于实际物体的发射能力都比同等温度下黑体的辐射能力低，所以辐射率系数是个小于1的数值，其与温度的函数关系可以通过现场标定获得。

由式（8）得出同种粒子任意2条光谱线辐亮度点位值之比为：

$\frac{L_1}{L_2}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_2^{\′}}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1^{\′}}{{\mathrm{\λ}}_2^{\′}}\right)}^{-5}\exp (\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2^{\′}T}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_1^{\′}T})---\left(8\right)$

则电弧等离子体的温度为

$T=\frac{C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2^{\′}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1^{\′}})}{\ln \left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_2^{\′}}\right)-\ln \left(\frac{L_1}{L_2}\right)-5\ln \left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}---\left(9\right)$

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统，其特征在于：包括光学采集处理系统、光电转化系统、数据处理单元；光学采集处理系统包括光纤探测阵列、可调光衰减器、光功分器、波分复用器；光电转化系统包括多通道光电探测器和信号调理电路；光纤探测阵列接收外部喷口电弧放电发出的光信号，经可调光衰减器动态衰减后送至光功分器；光功分器将衰减后的光纤探测阵列中的每路光纤采集的光信号动态分为等性的两路子信号，上述两路子信号再经波分复用器后，分成两路特征波长为λ₁、λ₂的单色可见光以及特征波长为λ₃、λ₄的单色红外光，并送至多通道光电探测器；多通道光电探测器将输入进来的光信号转换为电信号后送至信号调理电路进行去噪处理、幅值变化处理后，送至数据处理单元；数据处理单元通过阿贝尔变换，将同一电弧轴向截面不同径向位置的电弧辐射光强线值对应的电信号转换为径向光强的点位值对应的电信号，再通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度；所述的光纤探测阵列包括由N个光纤探头组成的二维光纤阵、石英玻璃(8)和橡胶密封圈(9)，每个光纤探头前端位于同一平面上；所述的每个光纤探头包括自聚焦透镜(1)、光纤保护套(2)、光纤芯(3)、光纤连接套(4)和密封胶(5)；所述的光纤保护套(2)和光纤连接套(4)由绝缘材料制成，光纤保护套(2)通过密封胶(5)套接在光纤芯(3)外部，光纤连接套(4)的外表面刻有螺纹；光纤连接套(4)通过光纤探头嵌套装置(6)与喷口壁面(7)连接；光纤探头嵌套装置(6)为中空结构，外部刻有螺纹，分别与喷口壁面(7)、光纤连接套(4)的内螺纹嵌套；每个光纤探头前放置有石英玻璃(8)，石英玻璃(8)通过橡胶密封圈(9)与喷口壁面(7)嵌套；N为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统，其特征在于：当所述的数据处理单元只接收到红外波段两个特征波长λ₃、λ₄单色红外光时，通过阿贝尔变换转换，将同一电弧轴向截面不同径向位置的电弧辐射光强线值对应的电信号转换为径向光强的点位值对应的电信号，再通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度；当所述的数据处理单元同时接收到可见波段两个特征波长λ₁、λ₂的单色可见光，以及红外波段两个特征波长λ₃、λ₄单色红外光时，只利用可见波段两个特征波长λ₁、λ₂的单色可见光的光强信息，通过双波长光谱相对强度法，计算获得电弧等离子体各位置温度。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的喷口电弧温度非接触测量系统，其特征在于：所述的数据处理单元包括AD转换电路、FPGA、DSP；AD转换电路对光电转化系统输出的模拟信号动态离散采样，并转化为光辐射数字信号；FPGA对AD转换电路和DSP进行时序控制，DSP完成光辐射数字信号数据的处理，并通过USB协议与外部计算机相互通信。