CN108398191A - 基于光纤光谱仪的高精度色温测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光谱仪的色温测量方法及系统，测量方法包括以下步骤：通过光纤光谱仪获得辐射目标的光谱；基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温；测量系统包括光纤光谱仪和计算机。本发明使用标准高温黑体对光纤光谱仪进行标定，得到光纤光谱仪的响应系数；计算机基于比色测温法或者三色测温法计算得到辐射目标的色温，数据处理过程中提供了一种针对不同辐射目标色温测量选择相应合理波段的方法，这对于不同辐射目标色温测量的波段选择具有重要意义。

Description

基于光纤光谱仪的高精度色温测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种色温测量方法，特别是一种基于光纤光谱仪的高精度色温测量方法及系统。

背景技术

实际物体的色温一般存在三种不同形式的定义，第一种是：当黑体的颜色与非黑体的颜色一致时，黑体的温度就是非黑体的颜色温度，简称色温；第二种是：在某一光谱区域内，当黑体与非黑体具有相同的光谱能量分布时，黑体的温度称为非黑体的色温；第三种是：当黑体与非黑体在某一光谱区域内的两个波长下的单色辐射亮度之比相等时，黑体的温度称为非黑体的色温。这三种关于色温的定义形式不同，但是本质上相同。色温作为表示光源颜色的量，是反映光源特性的一个重要指标。

常用的色温测量方法包括使用色温表测量色温、使用光谱辐射法测量色温等；使用色温表测量色温存在粗糙、精度低等问题；现有的光谱辐射法测量色温存在不能根据辐射目标快速选择相应合理波段进行高精度色温测量的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式、高精度的基于光纤光谱仪的高精度色温测量方法及系统。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于光纤光谱仪的色温测量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过光纤光谱仪获得辐射目标的光谱；

步骤2，基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温；

基于比色测温法时，先选定一个波长λ₁，变化另一个波长λ₂，该波长变化范围为辐射目标光谱的波长范围，画出λ₂与色温的关系图，观察关系图中色温平稳处对应的波段，该波段即为λ₂的合理选择波段；

基于三色测温法时，先选定波长λ₁、λ₂，变化波长λ₃，λ₃的变化范围为辐射目标光谱的波长范围，画出波长λ₃与色温的关系图，观察关系图中色温平稳处对应的波段，该波段即为λ₃的合理选择波段；所述色温平稳处对应的波段是指波动在20K以内的波段。

一种基于光纤光谱仪的色温测量系统，包括光纤光谱仪和计算机；

所述光纤光谱仪用于得到辐射目标的光谱；

所述计算机基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温。

与现有技术相比，本发明的显著效果为：

(1)本发明可以对辐射目标的色温实现非接触式测量；(2)针对不同的辐射目标，本发明基于比色测温法或者三色测温法，可以选择相应合理的波段进行高精度的测量。

附图说明

图1为本发明基于光纤光谱仪的色温测量系统原理框图。

具体实施方式

结合图1，一种基于光纤光谱仪的色温测量方法，包括以下步骤：

步骤1，通过光纤光谱仪获得辐射目标的光谱；

步骤2，基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温；

基于比色测温法时，先选定一个波长λ₁，变化另一个波长λ₂，该波长变化范围为辐射目标光谱的波长范围，画出λ₂与色温的关系图，观察关系图中色温平稳处对应的波段，该波段就为λ₂的合理选择波段；

基于三色测温法时，先选定波长λ₁、λ₂，变化波长λ₃，λ₃的变化范围为辐射目标光谱的波长范围，画出波长λ₃与色温的关系图，观察关系图中色温平稳处对应的波段，该波段就为λ₃的合理选择波段；所述色温平稳处对应的波段是指波动在20K以内的波段。

进一步的，所述光纤光谱仪在测量之前使用标准高温黑体进行标定，得到响应系数。标定光纤光谱仪的具体过程为：

选定一个标准高温黑体对光纤光谱仪进行标定，系统的标定转换公式如下：

i(λ,T)＝η(λ)L(λ,T)

i(λ,T)为光纤光谱仪在波长λ处的输出值；η(λ)为光纤光谱仪在波长λ处的响应率，与温度无关；L(λ,T)为辐射体的辐射亮度；

将标准高温黑体的温度设置为1500℃，光纤光谱仪的光纤探头对准黑体炉的出口，得到光纤光谱仪去除暗噪声后的输出强度为i(λ,T)，光纤光谱仪的响应系数为：

C₁为第一辐射常数，C₁＝3.7418×10^-16W·m²，最后将标定计算的结果进行归一化处理，得到光纤光谱仪的响应系数。

进一步的，比色测温法计算辐射目标真实温度的公式为：

其中C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2m·K，L(λ₁,T)和L(λ₂,T)为辐射目标在波长λ₁、λ₂下的辐射亮度，ξ(λ₁,T)和ξ(λ₂,T)为辐射目标在波长λ₁、λ₂下的光谱发射率，令ξ(λ,T)＝1，光纤光谱仪在波长λ₁和λ₂下的输出值分别为i(λ₁,T)和i(λ₂,T)，光纤光谱仪在波长λ₁和λ₂下的响应率分别为η(λ₁)和η(λ₂)，则被测辐射目标的色温为：

上式即为基于比色测温法的辐射目标色温测量计算公式。

进一步的，三色测温法计算辐射目标真实温度的公式为：

令ξ(λ,T)＝1，光纤光谱仪在波长λ₁、λ₂和λ₃下的输出值分别为i(λ₁,T)、i(λ₂,T)和i(λ₃,T)，光纤光谱仪在波长λ₁、λ₂和λ₃下的响应率分别为η(λ₁)、η(λ₂)和η(λ₃)，则被测辐射目标的色温为：

上式即为基于三色测温法的辐射目标色温测量计算公式。

本发明还提供一种基于光纤光谱仪的色温测量系统，包括光纤光谱仪和计算机；

所述光纤光谱仪用于得到辐射目标的光谱；

所述计算机用于处理光谱数据，基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温。

Claims (6)

1.一种基于光纤光谱仪的色温测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过光纤光谱仪获得辐射目标的光谱；

步骤2，基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温；

基于比色测温法时，先选定一个波长λ₁，变化另一个波长λ₂，该波长变化范围为辐射目标光谱的波长范围，画出λ₂与色温的关系图，观察关系图中色温平稳处对应的波段，该波段即为λ₂的合理选择波段；

基于三色测温法时，先选定波长λ₁、λ₂，变化波长λ₃，λ₃的变化范围为辐射目标光谱的波长范围，画出波长λ₃与色温的关系图，观察关系图中色温平稳处对应的波段，该波段即为λ₃的合理选择波段；所述色温平稳处对应的波段是指波动在20K以内的波段。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光谱仪的色温测量方法，其特征在于，所述光纤光谱仪在测量之前使用标准高温黑体进行标定，得到响应系数。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光谱仪的色温测量方法，其特征在于，标定光纤光谱仪的具体过程为：

选定一个标准高温黑体对光纤光谱仪进行标定，系统的标定转换公式如下：

i(λ,T)＝η(λ)L(λ,T)

i(λ,T)为光纤光谱仪在波长λ处的输出值；η(λ)为光纤光谱仪在波长λ处的响应率，与温度无关；L(λ,T)为辐射体的辐射亮度；

将标准高温黑体的温度设置为1500℃，光纤光谱仪的光纤探头对准黑体炉的出口，得到光纤光谱仪去除暗噪声后的输出强度为i(λ,T)，光纤光谱仪的响应系数为：

C₁为第一辐射常数，C₁＝3.7418×10^-16W·m²，C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2m·K，最后将标定计算的结果进行归一化处理，得到光纤光谱仪的响应系数。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光谱仪的色温测量方法，其特征在于，比色测温法计算辐射目标真实温度的公式为：

其中C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2m·K，L(λ₁,T)和L(λ₂,T)为辐射目标在波长λ₁、λ₂下的辐射亮度，ξ(λ₁,T)和ξ(λ₂,T)为辐射目标在波长λ₁、λ₂下的光谱发射率，令ξ(λ,T)＝1，光纤光谱仪在波长λ₁和λ₂下的输出值分别为i(λ₁,T)和i(λ₂,T)，光纤光谱仪在波长λ₁和λ₂下的响应率分别为η(λ₁)和η(λ₂)，则被测辐射目标的色温为：

上式即为基于比色测温法的辐射目标色温测量计算公式。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光谱仪的色温测量方法，其特征在于，三色测温法计算辐射目标真实温度的公式为：

令ξ(λ,T)＝1，光纤光谱仪在波长λ₁、λ₂和λ₃下的输出值分别为i(λ₁,T)、i(λ₂,T)和i(λ₃,T)，光纤光谱仪在波长λ₁、λ₂和λ₃下的响应率分别为η(λ₁)、η(λ₂)和η(λ₃)，则被测辐射目标的色温为：

上式即为基于三色测温法的辐射目标色温测量计算公式。

6.一种基于权利要求1～5所述高精度色温测量方法的色温测量系统，包括光纤光谱仪和计算机；

所述光纤光谱仪用于得到辐射目标的光谱；

所述计算机基于比色测温法或者三色测温法计算辐射目标的色温。