CN106768366A - 一种利用微型光谱仪测量高温的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用微型光谱仪测量高温的方法及装置。本发明方法通过微型光谱仪在200～1000nm波段范围内测量物体的热辐射能量强度，并对热辐射能量强度曲线进行一定的变换和拟合，可计算得到被测物体的温度。该方法测量温度范围为1000～10000K。上述方法具有测温上限高、速度快、测量精度高、稳定性好，不受材料表面形貌和发射率等因素的影响的特点。实施本发明方法装置主要由光学系统、CCD光谱仪和数据处理单元构成，具有结构简单，成本低，体积小，重量轻，便于携带等优点。
Description
技术领域
本发明属于高温测量技术领域，涉及一种利用微型光谱仪测量高温的方法及装置，适用于各种需要非接触式测量高温的场合。
背景技术
常规的非接触式高温测量技术主要是通过测量物体发射的热辐射能量，并利用斯蒂芬—波尔兹曼方程确定待测物体的温度。如单一波长辐射测温法，双波长的比色测温法，多波长辐射测温法，以及基于傅里叶红外光谱仪的光谱发射率测量法。另一种利用热辐射测量温度的方法是利用傅里叶红外光谱仪测量辐射极大值对应的辐射波长，并利用热辐射的维恩位移定律确定待测物体的温度。
总体看，基于傅里叶红外光谱仪的能量法测量高温是近年来主要的发展方向，但是由于受红外光谱仪测量波段的限制，最高测量温度一般为2000℃左右，无法满足某些航空航天和国防项目的需求。另外，由于红外光谱受环境气氛、大气气氛、大气红外窗口等因素的制约，测量误差相对较大(～5％)。最后，体积大、价格昂贵、稳定性差也是基于傅里叶红外光谱仪测温的缺点。
本发明提出了一种利用基于普通CCD微型光谱仪(200nm-1100nm)的高温测量方法及装置。其具有测温上限高、速度快、测量精度高、稳定性好，不受材料表面形貌和发射率等因素的影响的特点，而且具有装置简单，成本低，体积小，重量轻，便于携带等优点。
发明内容
本发明的一个目的是针对目前基于红外辐射的非接触式温度测量方法受被测物体的发射率影响，存在不同程度的误差，提出了一种利用微型光谱仪的高温测量方法。
本发明利用微型光谱仪测量高温的方法，该方法包括如下步骤：
(1)被测物体的热辐射经凸透镜传送至光谱仪，光谱仪采集200～1100nm波长下的热辐射光谱，得到辐射强度Eλ以及相对应的波长，并绘制成辐射强度Eλ随波长λ变化曲线；
作为优选，所述的光谱仪为基于CCD阵列的微型光谱仪。
(2)将步骤(1)采集得到的辐射强度Eλ随波长λ变化曲线转化为辐射强度与光子能量三次方的商数[Eυ/(hυ)3]随光子能量(hυ)变化曲线，具体是：
根据步骤(1)采集得到的辐射强度Eλ以及对应的波长λ，结合公式(1)，将光波长转化为其所对应的光频率υ和光子能量hυ；然后根据公式(2)，计算得到每个光频率所对应的辐射强度Eυ(即，辐射强度随光频率的分布)，同时计算得到辐射强度与光子能量三次方的商数[Eυ/(hυ)3]；
υ＝h×c/λ 公式(1)
其中h为普朗克常数；c为光速；
Eυ＝Eλ×λ2/c 公式(2)
(3)为消除材料发射率对辐射强度分布曲线的影响，对[Eυ/(hυ)3]取对数，同时绘制ln[Eυ/(hυ)3]随光子能量(hυ)变化的曲线图；
(4)为准确获得被测物体的温度，对步骤(3)ln[Eυ/(hυ)3]随(hυ)变化曲线的线性部分进行拟合，获得拟合直线的斜率a；
(5)根据上述获得的斜率a，结合公式(3)，计算得到被测物体的温度；
T＝-1/(ka) 公式(3)
其中k为玻尔兹曼常数。
本发明的另一个目的是提供用于实施上述方法的装置，该装置包括：物镜、光阑、分束镜、凸透镜组、光纤、反光镜、入射准直镜、收束镜组、出射准直镜、目镜、CCD光谱仪、数据处理单元、供电电源；其中物镜、光阑、分束镜、凸透镜组依次沿同一光轴水平放置；反光镜位于分束镜正上方，且反光镜、入射准直镜、收束镜组、出射准直镜、目镜依次沿同一光轴放置；光纤的一端位于凸透镜组的出光侧，另一端与CCD光谱仪相连。
所述的物镜的焦距可变。
所述的物镜的后焦点位于分束镜的分束镀膜上。
所述的凸透镜组由两片平行放置凸透镜组成，一片凸透镜的前焦面与所述物镜的后焦面位于同一平面上，另一片凸透镜的后焦点位于所述光纤的进光口。
所述的数据处理单元用于接收所述CCD光谱仪的光谱数据，并将光谱数据进行处理输出被测物体的实际温度。
所述的供电电源为光学系统的可动机械结构、CCD光谱仪和数据处理单元提供电能。
本发明具有如下有益效果：
本发明所述的利用微型光谱仪测量高温的方法具有测温上限高、速度快、测量精度高、稳定性好，并且不受材料表面形貌和发射率等因素影响的特点；
本发明所述的利用微型光谱仪测量高温的装置具有结构简单，成本低，体积小，重量轻，便于携带等优点。
附图说明
图1为不同温度黑体辐射的ln[I(ν)]-hν曲线；
图2为本发明所述的利用微型光谱仪测量高温的装置示意图。
具体实施方式
以下用附图说明本发明的实施例。
本发明原理：黑体辐射的能量密度随频率的分布公式为：
式(4)中，h为普朗克常数，υ为辐射的频率，c为光速，k为波尔茨曼常数，T为被测物体温度。由于一般待测物体不可能为绝对的黑体，因此能量密度公式应修正为：
式(5)中，e(υ)为发射率，一般小于1。由于物体的发射率与物体的成分、晶体结构和表面状态(包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在)等因素有关。因此，除非精确知道待测物体的成分、晶体结构和表面状态等信息，否则很难得到真实的辐射能量密度分布，这也是辐射法测量温度时遇到的难题。
假如频率υ足够大，则远大于1，因此式(5)可改写为：
令
对式(7)两边取对数，可以得到
由于对大多数物体，发射率e(υ)随频率υ的变化比较平缓，因此式(8)右边的前三项随υ的变化与第四项相比很小。如果以hυ为横坐标，则当υ足够大时，式(5)为一直线，其斜率等于因此，只要测量出频率较高处的辐射强度随频率的分布曲线，取其对数，并以hυ为横坐标画出ln[E(ν)]-hν曲线，然后通过线性拟合得到直线的斜率a，则待测物体的温度即为：
图1为理论计算的ln[I(ν)]-hν曲线，能量hυ的取值范围为1.1-6.2eV，对应于普通CCD微型光谱仪的200nm-1100nm的波长范围。由图1可见，即使对于10000K的高温物体，ln[I(ν)]-hν在高hv范围的线性仍然很好。说明这种方法可以用于极高温度的测量。表1给出了对图1通过线性拟合得到的斜率求得的温度值。与理论计算时的设定温度值相比，误差很小。
表1本发明所述方法的拟合值与理论值的比较
| 设定值 | 1000K | 2000K | 5000K | 10000K |
| 拟合值 | 1000 | 2000 | 5000 | 99315 |
| 相对误差 | ≤0.1％ | ≤0.1％ | ≤0.1％ | 1％ |
图2为本发明所述的一种利用微型光谱仪测量高温的装置，主要包括：物镜1、光阑2、分束镜3、凸透镜组4、光纤5、反光镜6、入射准直镜7、收束镜组8、出射准直镜9、目镜10、CCD光谱仪11、数据处理单元12、供电电源13。被测物体的热辐射经过物镜1和光阑2到达分束镜3。分束镜3将热辐射射线分为两部分：一部分通过反光镜6、入射准直镜7、收束镜组8、出射准直镜9最终达到目镜10，供测试人员选择和观察被测物体14上的具体测量点15；另一部分通过凸透镜组4聚焦至光纤5，并经过光纤5传输至CCD光谱仪11中，由CCD光谱仪11测量所选测量点15的辐射能量。所得到的的辐射能量谱图由数据处理单元12进行处理得到最终的被测物体温度。
基于上述装置，测量物体温度的具体实施步骤如下：
(1)通过目镜10观察被测物体，选定被测物体上的具体测量点；
(2)同时，测量点在200～1100nm的热辐射强度E(λ)通过一系列光学系统最终被CCD光谱仪11所采集，并由CCD光谱仪11输出辐射强度与波长之间关系的E(λ)-λ光谱图；
(3)数据处理单元12接收到由CCD光谱仪11所输出的E(λ)-λ光谱数据后，将E(λ)-λ光谱图转化为E(λ)/(hυ)3-(hυ)曲线图；
(4)数据处理单元12对E(λ)/(hυ)3取对数，作ln[E(λ)/(hυ)3]-(hυ)曲线图；
(5)数据处理单元12对ln[E(λ)/(hυ)3]～(hυ)曲线图的线性部分进行线性拟合，得到拟合直线的斜率a。
(6)数据处理单元12计算测量点15的实际温度T，即：T＝-1/(ka)，其中，k为波尔茨曼常数。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用微型光谱仪测量高温的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)、被测物体的热辐射经凸透镜传送至光谱仪，光谱仪采集200～1100nm波长下的热辐射光谱，得到辐射强度Eλ以及相对应的波长，并绘制成辐射强度Eλ随波长λ变化曲线；
步骤(2)、首先根据步骤(1)采集得到的辐射强度Eλ以及对应的波长λ，结合公式(1)，将光波长转化为其所对应的光频率υ和光子能量hυ；然后根据公式(2)，计算得到每个光频率所对应的辐射强度Eυ(即，辐射强度随光频率的分布)，同时计算得到辐射强度与光子能量三次方的商数[Eυ/(hυ)3]；
υ＝h×c/λ 公式(1)
其中h为普朗克常数，c为光速；
Eυ＝Eλ×λ2/c 公式(2)
步骤(3)、为消除材料发射率对辐射强度分布曲线的影响，对[Eυ/(hυ)3]取对数，同时绘制ln[Eυ/(hυ)3]随光子能量hυ变化的曲线图；
步骤(4)、为准确获得被测物体的温度，对步骤(3)绘制的ln[Eυ/(hυ)3]随光子能量hυ变化曲线进行线性拟合，获得拟合直线的斜率a；
步骤(5)、根据上述获得的斜率a，结合公式(3)，计算得到被测物体的实际温度；
T＝-1/(ka) 公式(3)
其中k为玻尔兹曼常数。
2.为实施如权利要求1所述的一种利用微型光谱仪测量高温方法的装置，其特征在于包括物镜、光阑、分束镜、凸透镜组、光纤、反光镜、入射准直镜、收束镜组、出射准直镜、目镜、光谱仪、数据处理单元、供电电源；其中物镜、光阑、分束镜、凸透镜组依次沿同一光轴水平放置；反光镜位于分束镜正上方，且反光镜、入射准直镜、收束镜组、出射准直镜、目镜依次沿同一光轴放置；光纤的一端位于凸透镜组的出光侧，另一端与光谱仪相连；
被测物体的热辐射经过物镜和光阑到达分束镜；分束镜将热辐射射线分为两路：一路通过反光镜、入射准直镜、收束镜组、出射准直镜最终达到目镜，供测试人员选择和观察被测物体上的具体测量点；另一路通过凸透镜组聚焦至光纤，并经过光纤传输至光谱仪中，由光谱仪测量所选测量点的辐射能量；然后光谱仪将获得的辐射能量谱图传送至数据处理单元，数据处理单元对其分析处理后，获得所需的被测物体温度；
数据处理单元的数据分析处理过程如权利要求1所述。
3.如权利要求1所述的一种利用微型光谱仪测量高温的方法或如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的光谱仪为基于CCD阵列的微型光谱仪。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的物镜的焦距可变。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的物镜的后焦点位于分束镜的分束镀膜上。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的凸透镜组由两片平行放置凸透镜组成，一片凸透镜的前焦面与所述物镜的后焦面位于同一平面上，另一片凸透镜的后焦点位于所述光纤的进光口。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的供电电源为光学系统的可动机械结构、光谱仪和数据处理单元提供电能。
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