CN113175998A - 一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，涉及红外辐射测温技术领域，本发明使用由分光镜和单波长滤光片组成的分光装置，可以在同一台红外热像仪上同时测量两个波长的红外灰度图像，减少了标定和测量时因为双光路和双相机带来的误差，使测量结果更精确；本发明在针对金属目标的实际测温中，使用同一红外热像仪测量两个波长的辐射值，测量的图像实时传输到工控机，工控机读取图像的灰度值，利用本发明方法可以实时计算出目标表面温度。
Description
技术领域：
本发明涉及红外辐射测温技术领域，具体涉及一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法。
背景技术：
在工业生产中，利用真空高温炉创造真空高温的环境或者充有惰性气体的高温环境，对金属进行加工的场景越来越多。例如在石油化工、海洋机械和兵器装备等领域广泛应用的真空钎焊技术。真空钎焊是指在真空条件下，使用比金属母材熔点低的材料作为钎料，将钎料在真空高温环境中加热到高于自身熔点且低于金属母材熔点的温度，利用液态钎料湿润母材与填充工件，并在金属母材与填充工件之间扩散以实现母材与填充工件的连接。真空钎焊技术有着防止金属母材在焊接时氧化，液态钎料可以对复杂微小的工件进行焊接等优点。在使用真空钎焊时，为了防止温度过高导致金属母材或者填充工件的物理化学性能发生改变，进而造成材料损坏或者引发其他事故，所以必须对被加热的材料进行实时精确测温。
此外还有真空淬火技术，这种技术指的是将金属工件放置在真空环境中进行加热，并在冷却时充入中性或者惰性气体(如N2)的淬火方法。相比传统方法，真空淬火技术可以防止金属工件在加热过程中出现氧化和形变等现象，冷却过程中如果向真空环境充入氮气，那么低压状态下的氮原子会渗入并向金属工件内部扩散，从而实现金属工件硬化。真空淬火技术已经大量应用于各种渗碳钢、合金工具钢、高速钢和不锈钢的淬火，以及各种时效合金、硬磁合金的固溶处理。在使用真空淬火技术时，必须要掌握准确的金属工件温度，以便对加工过程实现精确控制，保证生产活动的稳定进行。
根据上述内容可知，对真空高温炉内的金属工件进行实时精确的温度测量对维持稳定的生产活动具有重要意义。在对真空高温炉内的金属目标进行测温通常有两种方式：一种是接触式测温，即通过安装在待测目标表面的热电偶来测量目标温度。这种方式精度高，但是工业生产环境是复杂多样的，例如有温度变化较快的环境，或者目标运动的环境，以及一些带电或者有其他干扰的环境。在这些复杂环境中，热电偶的安装或者测量都会受到很大限制，工作效率会下降，可能无法正常稳定的工作。一旦测温设备出现故障，那就会直接影响到正常的生产活动，甚至引发安全问题。另外一种方式就是非接触式测温，即通过红外热像仪对目标温度进行测量。这种方式不受目标所在的空间环境和目标的形状限制，测温设备无需与目标直接接触，通过测量目标发出的红外辐射来计算目标温度。但是在利用红外辐射进行非接触式测温过程中，目标的发射率是一个必不可少的条件。
发射率是表示物体辐射能力的一个属性，指物体在某一温度下向外发出的辐射与同温度下的黑体向外发出的辐射的比值。不同的物体发射率也不相同，同一物体在不同温度、表面粗糙度、波长等条件下的发射率也不相同。此外，在测温过程中，除了待测目标，真空高温炉内壁也会发出辐射，并且真空高温炉内壁与待测目标之间也会互相吸收或者反射对方的辐射。尽管学者们对金属的发射率进行了很多研究，但是工业上的生产环境是复杂多样的，即使是同种材料，在不同的环境下发射率也不相同。因此对于工业中真空高温炉内的高温真空环境或者高温无氧环境，如何确定金属目标的发射率以及消除干扰辐射对测温结果的影响，获得准确的金属目标温度，是利用红外辐射进行非接触式测温时必须需要解决的问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于针对现有的对真空高温炉内真空高温或真空无氧环境下的金属测温技术的不足，提供一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法。本发明使用一台红外热像仪同时测量两个波长的辐射，相比双光路和双相机提高了实时性，减少了因相机差异或者更换滤光片而带来的误差。本发明的方法在使用时仅测量和计算两个相近波长下的辐射强度，不考虑这两个波长以外的辐射，减小了波长对发射率的影响。本发明中认为双波段下的目标发射率仅随温度变化，与波长无关，拟合后的温度与发射率模型具有很高的精度，提高了温度测量结果的准确性。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，包括以下步骤：
(1)通过对不同温度的黑体炉使用双波比色红外热像仪进行测量，拟合出两个波长下热像仪测量值的比值和两个波长下黑体炉辐射强度之间的关系；
(2)在不同的烘烤温度下使用双波比色红外热像仪对金属样品进行测量，计算各个烘烤温度下金属样品的发射率，拟合出金属样品表面温度与发射率的关系；
(3)在对金属目标实际测温时，利用双波比色红外热像仪测得的图像灰度值，计算两个波长下热像仪测得的辐射强度的比值，通过该比值计算出金属目标表面的真实温度。
优选的，在所述步骤(1)中，包括以下步骤：
(a)来自真空高温炉内部的辐射首先通过红外窗口，然后进入分光器，分光器由一块分束镜和两块单波长滤光片组成，分束镜使辐射一部分发生反射，一部分发生透射。透射辐射和反射辐射分别通过中心波长为λ1和λ2的单波长滤光片，并且两块滤光片中心波长相近，红外热像仪同时测量这两部分波长不同的辐射，红外热像仪的控制软件中将两部分波长不同的辐射分别显示在两个灰度图上，并且各占预览窗口的一半；
(b)将黑体炉放入真空高温炉内部，将黑体炉作为待测目标，使用双波比色红外热像仪对目标进行测量，根据热像仪图片灰度值计算出热像仪测量到波长为λ1的辐射强度为L1，波长为λ2的辐射强度为L2，L1和L2可以表示为：
L1＝[W(λ1,T)×h1×k1×τ1+S1]×R1 (1)
L2＝[W(λ2,T)×h2×k2×τ2×(1-r)+S2]×R2 (2)
其中，h1和h2分别表示大气对红外辐射的衰减；k1和k2分别表示分束镜的透过率和反射率；r表示反光镜对辐射的损耗；τ1和τ2分别表示中心波长为λ1和λ2的单波长滤光片的透过率；S1和S2是热像仪的自身辐射；R1和R2是热像仪的响应系数；W(λ,T)表示温度为T，波长为λ的黑体发出的辐射强度，可以用普朗克公式计算：
(c)L1和L2之比可以表示为式(4)：
用a表示R1×h1×k1×τ1，b表示R1×S1，c表示R2×h2×k2×τ2×(1-r)，且c不为零，d表示R2×S2，那么式(4)可以写为：
即：
(d)当黑体炉温度已知时，式(6)中W(λ1,T)和W(λ2,T)可以通过式(3)算出，L1和L2可以通过热像仪图像灰度值算出，用y表示
用x1表示W(λ1,T)，用x2表示
且c不为零，式(6)可以表示为：
(e)依次将黑体炉设定为多个温度，记录热像仪图像的灰度值，得到一组y和对应的x1和x2，拟合得到
和
的值，即可得到λ1、λ2波长下热像仪测量值L1和L2的比值和λ1、λ2波长下黑体炉辐射强度W(λ1,T)、W(λ2,T)之间的关系，如式(8)所示：
优选的，在所述步骤(2)中，包括以下步骤：
(f)移去真空高温炉内部的黑体炉，将金属样品固定，在真空高温炉烘烤状态时使用双波比色红外热像仪对金属样品进行测量时，类似式(8)可得：
其中，L1和L2分别表示在金属样品表面温度为T时热像仪测量到的中心波长为λ1和λ2的辐射值，L1和L2可以通过热像仪图像的灰度值求出，M(λ1,T)和M(λ2,T)表示从真空高温炉内部发出且通过真空高温炉红外窗口向外传播的中心波长为λ1和λ2的辐射值；
(g)M(λ1,T)由以下三部分组成：
1)由金属样品发出的中心波长为λ1的辐射M1(λ1,T)：
M1(λ1,T)＝ε1×W(λ1,T) (10)
其中，ε1表示温度为T的金属样品在λ1波长下的发射率；W(λ1,T)表示温度为T的黑体在λ1波长下的辐射强度，可以由式(3)算出；
2)由真空高温炉内壁发出的，经过金属样品反射后的中心波长为λ1的辐射M2(λ1,T)：
M2(λ1,T)＝εr1×W(λ1,Tr)×(1-ε1) (11)
其中，Tr表示真空高温炉内壁的温度，真空高温炉内壁温度由水冷装置控制，Tr的值可以根据实际情况设置；εr1表示温度为Tr的真空高温炉内壁在λ1波长下的发射率，真空高温炉内壁的发射率可以认为是1，即εr1＝1；W(λ1,Tr)表示温度为Tr的黑体在λ1波长下的辐射强度，可以由式(3)算出；
3)由金属样品发出的，经过真空高温炉内壁和金属样品多次反射后的中心波长为λ1的辐射M3(λ1,T)：
M(λ1,T)就是上述三部分之和，即：
因为εr1＝1，且ε1<1，所以当辐射在金属样品和真空高温炉内壁之间反射多次，即n较大时，M3(λ1,T)可以忽略不计，所以式(13)可以写为：
M(λ1,T)＝ε1×W(λ1,T)+(1-ε1)×W(λ1,Tr) (14)
(h)M(λ2,T)与M(λ1,T)的计算方式相同，所以M(λ2,T)可以表示为：
M(λ2,T)＝ε2×W(λ2,T)+(1-ε2)×W(λ2,Tr) (15)
其中，ε2表示温度为T的金属样品在λ2波长下的发射率；W(λ2,T)表示温度为T的黑体在λ2波长下的辐射强度，可以通过式(3)算出；W(λ2,Tr)表示温度为Tr的黑体在λ2波长下的辐射强度，可以通过式(3)算出；
(i)当两个波长λ1和λ2相近时，同一温度且表面状态相同的金属样品的发射率可以认为近似相等，并且只与温度有关，即ε1＝ε2＝ε。分别用W1和W2表示W(λ1,T)和W(λ2,T)，用Wr1和Wr2表示W(λ1,Tr)和W(λ2,Tr)，式(9)可以表示为：
(j)在真空高温炉烘烤状态下，金属样品的真实表面温度T可以通过安装在其表面的热电偶测得，真空高温炉内壁温度Tr通过水冷装置控制，将温度和波长代入式(3)，W1、W1、Wr1、Wr2的值均可算出；L1和L2可以通过预览窗口两个灰度图上待测点的灰度值求出，此时式(16)中仅有发射率ε这一个未知量，此时金属样品在烘烤温度T下的发射率ε即可求出；
(k)在多个不同的烘烤温度下计算金属样品的发射率，得到一组金属样品表面温度T与对应的发射率ε，使用式(17)所示的函数模型拟合出金属样品表面温度T与对应的发射率ε的函数关系：
拟合结果用式(18)表示：
ε＝f(T) (18)
优选的，在所述步骤(3)中，包括以下步骤：
(l)在对金属目标进行实际测温过程中，式(16)依然成立，将式(18)带入到式(16)中，通过热像仪图像的灰度值可以计算出L1和L2，此时式(16)等号右侧仅有金属目标表面温度T这一个未知量，将
代入式(16)即可求出金属目标表面温度T。
本发明使用的红外热像仪工作波长为7500～13000nm，在热像仪前方安装自行设计的分光器，可以在红外热像仪控制软件的预览界面中同时显示两个波长下的目标红外灰度图像，无需使用两个光路和相机，在标定时可以同时对两块滤光片和分光镜进行标定，避免了因为更换滤光片引起的误差。本发明采用两块中心波长相近的单波长滤光片，在这两个相近的波长下，金属样品的发射率可以认为近似相等，简化了计算方法。本发明考虑到了分光镜和滤光片在工作波长下对红外辐射衰减，在使用黑体炉标定时将光路的损耗都进行标定，提高了测量精度。
本发明的有益效果是：
1)本发明使用由分光镜和单波长滤光片组成的分光装置，可以在同一台红外热像仪上同时测量两个波长的红外灰度图像，减少了标定和测量时因为双光路和双相机带来的误差，使测量结果更精确。
2)本发明方法在使用时仅测量和计算两个相近波长下的辐射强度，不考虑这两个波长以外的辐射，减小了波长对发射率的影响。
3)本发明中认为双波段下的金属样品发射率仅随温度变化，与波长无关，拟合后的温度与发射率模型具有很高的精度，提高了温度测量结果的准确性。
4)本发明在针对金属目标的实际测温中，使用同一红外热像仪测量两个波长的辐射值，测量的图像实时传输到工控机，工控机读取图像的灰度值，利用本发明方法可以实时计算出目标表面温度。
附图说明：
图1为本发明中分光器和红外热像仪与真空加热炉的位置示意图；
图2为原方法中红外热像仪与真空加热炉的位置示意图；
其中：1-热电偶；2-金属样品；3-红外窗口；4-真空加热炉；5-红外热像仪；6-工控机；7-分光器；
图3为本发明分光器的结构示意图；
其中：71-分光器外壳；72-入射辐射；73-分光镜；74-反光镜；75-中心波长为λ1的单波长滤光片；76-中心波长为λ2的单波长滤光片；
图4为本发明方法的金属样品表面温度与发射率的关系；
图5为本发明方法测得的金属目标表面温度与真实表面温度的对比；
图6为原方法黑体炉发出的辐射与热像仪测得的辐射之间的关系；
图7为原方法测得的金属样品表面温度与发射率的关系；
图8为本发明方法与原方法测得的金属样品表面温度与样品真实表面温度的对比。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
实施例1
(1)如图1所示，分光器由一块分光镜，一块平面镜和两块单波长滤光片组成，分光镜使进入分光器的红外辐射一部分发生反射，一部分发生透射。透射辐射通过中心波长为λ1＝10200nm的单波长滤光片；反射辐射首先经过平面镜改变传播方向，然后通过中心波长为λ2＝10800nm的单波长滤光片。将分光器与红外热像仪连接，组成双波比色红外热像仪，真空高温炉内部的辐射可以通过红外窗口进入双波比色红外热像仪。
(2)使用千兆网线将红外热像仪与工控机连接，工控机安装有红外热像仪的控制软件，对红外热像仪的所有操作均在工控机的控制软件上完成。在控制软件中设置发射率为1，通过控制软件中图像的灰度值就可以算出双波比色红外热像仪测量到的两个波长的辐射强度。
(3)将黑体炉放置在真空高温炉内并固定好位置，安装好分光器以及红外热像仪。打开抽真空设备，对真空高温炉的炉腔进行抽真空，然后打开红外热像仪及其控制软件。红外热像仪同时测量两个不同波长的辐射，红外热像仪的控制软件中将两部分波长不同的辐射以灰度图的形式显示，并且分别位于预览窗口的上下区域，各占窗口面积的一半，即预览画面的上半部和下半部表示的是同一目标在不同波长下的图像。调节热像仪镜头焦距，使预览画面清晰，在黑体炉窗孔位置放置探测点。
(4)黑体炉温度用Tb表示，将黑体炉温度设置为70℃，当黑体炉温度到达设定温度时，等待30min使其温度稳定。然后通过红外热像仪控制软件记录当前图像，通过图像上下区域灰度值计算出此时双波比色红外热像仪测量到的中心波长为λ1和λ2的辐射值，并分别用L1和L2表示。
(5)依次设置黑体炉温度为70℃、120℃、170℃、220℃、270℃、320℃，重复执行步骤(4)，得到一组黑体炉温度Tb和热像仪测得的辐射能L1和L2。
(6)黑体炉发射率可以近似为1，已知黑体炉温度Tb，使用公式
分别将波长λ1和λ2以及黑体炉温度Tb代入，计算出在波长λ1和λ2下，黑体炉在温度为Tb时发出的中心波长为λ1和λ2的辐射，并分别用W1和W2表示。
(7)对于6个不同的黑体炉温度，依次执行步骤(6)，得到每个Tb对应的W1和W2。L1、L2和W1、W2之间满足
将6组L1、L2和W1、W2代入，拟合得到
和
的值。
(8)移去真空高温炉内的黑体炉，将金属样品固定在真空高温炉内部的支架上。在红外热像仪控制软件上将热像仪探测点放置在金属样品表面上任意一点。设置烘烤温度为140℃，在红外热像仪控制软件上记录图像并计算热像仪测得的辐射能L1和L2。
(9)依次设定烘烤温度为140℃、180℃、220℃、260℃、300℃，并在红外热像仪控制软件上记录图像，计算热像仪测得的辐射能L1和L2。
(10)对于各个烘烤温度，用M1和M2分别表示波长λ1和λ2下真空高温炉内部发出的辐射总量，包括金属样品发出的辐射和真空高温炉内壁发出的被金属样品反射的辐射。通过热像仪测得辐射能L1和L2，使用步骤(7)中的关系式，即可得出每个烘烤温度下L1和L2与M1和M2之间的关系
(11)真空高温炉内壁温度Tr保持在20℃，金属样品表面真实温度T通过安装在其表面的热电偶得出。M1＝εW1+(1-ε)Wr1，M2＝εW2+(1-ε)Wr2，W1和W2通过将金属样品真实表面温度T和λ1、λ2分别带入普朗克公式得出。Wr1和Wr2通过将真空高温炉内壁温度Tr和λ1、λ2分别带入普朗克公式得出。
(12)通过公式
将每个烘烤温度下金属样品的表面真实温度T代入，计算出对应的金属样品发射率ε。通过一组金属样品的温度T和对应的发射率ε，使用
拟合出发射率与温度的关系ε＝f(T)。
(13)在对金属目标进行实际测温过程中，通过热像仪图像上下区域的灰度值可以计算出红外热像仪测量到的中心波长为λ1和λ2的辐射值L1和L2，真空高温炉内壁温度为20℃，联立步骤(12)中的
和ε＝f(T)，即可计算出此时金属目标的表面温度T和发射率ε。
实施例1针对工业场景中的真空高温炉，根据其工作时的内部环境，使用高温炉模拟工业场景中的高温真空炉，使用高速切削钢和超硬模具等工件的常用材料钨作为样品。使用黑体炉和抽真空后的高温炉模拟样品在高温真空炉中的标定和烘烤过程，拟合出钨的发射率与温度变化的关系。然后使用抽真空后的高温炉对样品加热，模拟工业场景中高温真空炉的工作过程，使用本发明方法测量样品表面温度，验证本发明的有效性。
本发明中使用黑体炉标定L1、L2和W1、W2之间关系的实际测量数据如表1所示。
表1
| 黑体炉温度(℃) | y[(L<sub>1</sub>/L<sub>2</sub>)*W<sub>2</sub>] | x<sub>1</sub>[W<sub>1</sub>] | x<sub>2</sub>[L<sub>1</sub>/L<sub>2</sub>] |
| 70 | 11.1930 | 11.2987 | 0.5499 |
| 120 | 18.3996 | 19.2792 | 0.5442 |
| 170 | 27.0313 | 29.3171 | 0.5366 |
| 220 | 37.2356 | 41.1630 | 0.5348 |
| 270 | 48.6374 | 54.5620 | 0.5336 |
| 320 | 61.3677 | 69.2811 | 0.5357 |
λ1、λ2波长下热像仪测量值L1和L2的比值和λ1、λ2波长下黑体炉辐射强度W1、W2之间的关系式为：
其中，
即：
在高温炉不同加热温度下，通过热电偶测量金属样品真实表面温度，通过热像仪图像上下区域灰度值计算热像仪测量到的波长λ1、λ2下的辐射强度，实际测量数据如表2所示。
表2
由表2可以得到温度与发射率的关系如图3所示。
由图4拟合得到温度与发射率之间的关系为：
对高温炉中的样品加热，用安装在金属样品表面的热电偶读数作为金属样品表面的真实温度，记录热电偶读数的同时记录红外热像仪测得的图像，通过图像上下区域的灰度值计算热像仪测得的波长λ1、λ2下的辐射强度，然后结合温度与发射率的关系计算出金属样品表面温度，并与真实表面温度进行对比。实际测量数据如表3所示。
表3
根据表3可得，本发明方法测得的金属样品表面温度与真实表面温度的对比如图5所示。
为了反映本发明方法的有效性和测量精度，还设置了对比例1，按照对比例1实现的方法以下统称“原方法”。
对比例1
(1)如图3所示，将真空高温炉和红外热像仪放置好，来自真空高温炉内部的辐射可以通过红外窗口，然后被红外热像仪测量到。红外热像仪通过千兆网线与工控机连接，对红外热像仪的所有操作均在工控机上完成；
(2)将黑体炉放置在真空高温炉内部，固定好黑体炉的位置，打开红外热像仪及其控制软件，将发射率设置为1，调整热像仪镜头焦距，使黑体炉的窗孔位于热像仪控制软件预览画面的中心位置，并使图像清晰，在预览画面的窗孔中心位置放置探测点；
(3)打开黑体炉，将黑体炉温度设置为70℃，待黑体炉温度稳定后在红外热像仪控制软件中记录当前图像，通过图像灰度值可以计算出热像仪所测得的辐射强度；
(4)依次设置黑体炉温度为70℃、120℃、170℃、220℃、270℃、320℃，并执行步骤(3)，可以得到一组黑体炉的温度与热像仪测得的辐射强度之间的关系式；
(5)将真空高温炉中的黑体炉移去，将真空高温炉设置为烘烤状态，在烘烤状态下，金属样品的真实温度通过其表面的热电偶测得，真空高温炉内壁温度通过水冷装置保持在20℃，通过热像仪控制软件图像的灰度值可以计算出热像仪测得的辐射强度，通过黑体炉的温度与热像仪测得的辐射强度之间的关系式计算出金属样品和被金属样品反射的真空高温炉内壁辐射之和，然后计算出金属样品的发射率；
(6)依次设置真空高温炉的烘烤温度为140℃、180℃、220℃、260℃、300℃，重复执行步骤(5)，计算出各个温度下金属样品的发射率，得到金属样品发射率与温度的关系；
(7)在真空高温炉放电过程中，根据热像仪测得图像的灰度值计算出热像仪测得的辐射强度，然后计算出金属样品辐射和被金属样品反射的真空高温炉内壁辐射之和，将步骤(6)得到的金属样品发射率与温度的关系代入，即可计算出金属样品的温度。
利用黑体炉和高温炉模拟工业场景中真空高温炉对金属目标的标定、烘烤和测温环境及过程，使用对比例1的方法(原方法)，计算结果如下：
使用黑体炉标定的实际测量数据如表4所示。
表4
根据表4得出的热像仪测得的辐射强度和黑体炉发出的辐射强度之间的关系如图6所示。
热像仪测得的辐射强度W和黑体炉发出的辐射强度L之间的关系满足线性关系：
W＝0.59576×L+58.53513
使用高温炉对金属样品加热模拟高温真空炉的烘烤状态，实际测量数据如表5所示。
表5
根据表5得到的金属样品温度与发射率的关系如图7所示。
由图7得到金属样品温度与发射率的关系为：
ε＝0.12463+0.00012725×T
使用高温炉对金属样品加热，模拟工业场景中高温真空炉的工作过程，利用热像仪图像的灰度值计算出热像仪测得的辐射强度，将金属样品发射率与温度的关系代入计算金属样品的表面温度，并与真实表面温度对比，实际测量数据如表6所示。
表6
由表3和表6可以得到，使用本发明方法和原方法计算出的金属样品表面温度与样品真实表面温度的对比如图8所示。
由表3和表6可以得到，使用本发明方法和原方法计算出的金属样品表面温度与样品真实表面温度的测量偏差如表7所示。
表7
由表7可得，使用原方法计算结果的均方差为σ1＝2.0512，使用本发明方法计算结果的均方差为σ1＝1.6047，因此使用本发明方法的计算结果相比原方法更加精确。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过对不同温度的黑体炉使用双波比色红外热像仪进行测量，拟合出两个波长下热像仪测量值的比值和两个波长下黑体炉辐射强度之间的关系；
(2)在不同的烘烤温度下使用双波比色红外热像仪对金属样品进行测量，计算各个烘烤温度下金属样品的发射率，拟合出金属样品表面温度与发射率的关系；
(3)在对金属目标实际测温时，利用双波比色红外热像仪测得的图像灰度值，计算两个波长下热像仪测得的辐射强度的比值，通过该比值计算出金属目标表面的真实温度。
2.根据权利要求1所述的基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，包括以下步骤：
(a)来自真空高温炉内部的辐射首先通过红外窗口，然后进入分光器，分光器由一块分束镜和两块单波长滤光片组成，分束镜使辐射一部分发生反射，一部分发生透射，透射辐射和反射辐射分别通过中心波长为λ1和λ2的单波长滤光片，并且两块滤光片中心波长相近，红外热像仪同时测量这两部分波长不同的辐射，红外热像仪的控制软件中将两部分波长不同的辐射分别显示在两个灰度图上，并且各占预览窗口的一半；
(b)将黑体炉放入真空高温炉内部，将黑体炉作为待测目标，使用双波比色红外热像仪对目标进行测量，根据热像仪图片灰度值计算出热像仪测量到波长为λ1的辐射强度为L1，波长为λ2的辐射强度为L2，L1和L2可以表示为：
L1＝[W(λ1,T)×h1×k1×τ1+S1]×R1 (1)
L2＝[W(λ2,T)×h2×k2×τ2×(1-r)+S2]×R2 (2)
其中，h1和h2分别表示大气对红外辐射的衰减；k1和k2分别表示分束镜的透过率和反射率；r表示反光镜对辐射的损耗；τ1和τ2分别表示中心波长为λ1和λ2的单波长滤光片的透过率；S1和S2是热像仪的自身辐射；R1和R2是热像仪的响应系数；W(λ,T)表示温度为T，波长为λ的黑体发出的辐射强度，可以用普朗克公式计算：
(c)L1和L2之比可以表示为式(4)：
用a表示R1×h1×k1×τ1，b表示R1×S1，c表示R2×h2×k2×τ2×(1-r)，且c不为零，d表示R2×S2，那么式(4)可以写为：
即：
(d)当黑体炉温度已知时，式(6)中W(λ1,T)和W(λ2,T)可以通过式(3)算出，L1和L2可以通过热像仪图像灰度值算出，用y表示
用x1表示W(λ1,T)，用x2表示
且c不为零，式(6)可以表示为：
(e)依次将黑体炉设定为多个温度，记录热像仪图像的灰度值，得到一组y和对应的x1和x2，拟合得到
和
的值，即可得到λ1、λ2波长下热像仪测量值L1和L2的比值和λ1、λ2波长下黑体炉辐射强度W(λ1,T)、W(λ2,T)之间的关系，如式(8)所示：
3.根据权利要求1所述的基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，包括以下步骤：
(f)移去真空高温炉内部的黑体炉，将金属样品固定，在真空高温炉烘烤状态时使用双波比色红外热像仪对金属样品进行测量时，类似式(8)可得：
其中，L1和L2分别表示在金属样品表面温度为T时热像仪测量到的中心波长为λ1和λ2的辐射值，L1和L2可以通过热像仪图像的灰度值求出，M(λ1,T)和M(λ2,T)表示从真空高温炉内部发出且通过真空高温炉红外窗口向外传播的中心波长为λ1和λ2的辐射值；
(g)M(λ1,T)由以下三部分组成：
1)由金属样品发出的中心波长为λ1的辐射M1(λ1,T)：
M1(λ1,T)＝ε1×W(λ1,T) (10)
其中，ε1表示温度为T的金属样品在λ1波长下的发射率；W(λ1,T)表示温度为T的黑体在λ1波长下的辐射强度，可以由式(3)算出；
2)由真空高温炉内壁发出的，经过金属样品反射后的中心波长为λ1的辐射M2(λ1,T)：
M2(λ1,T)＝εr1×W(λ1,Tr)×(1-ε1) (11)
其中，Tr表示真空高温炉内壁的温度，真空高温炉内壁温度由水冷装置控制，Tr的大小可以根据实际情况设置；εr1表示温度为Tr的真空高温炉内壁在λ1波长下的发射率，真空高温炉内壁的发射率可以认为是1，即εr1＝1；W(λ1,Tr)表示温度为Tr的黑体在λ1波长下的辐射强度，可以由式(3)算出；
3)由金属样品发出的，经过真空高温炉内壁和金属样品多次反射后的中心波长为λ1的辐射M3(λ1,T)：
M(λ1,T)就是上述三部分之和，即：
因为εr1＝1，且ε1<1，所以当辐射在金属样品和真空高温炉内壁之间反射多次，即n较大时，M3(λ1,T)可以忽略不计，所以式(13)可以写为：
M(λ1,T)＝ε1×W(λ1,T)+(1-ε1)×W(λ1,Tr) (14)
(h)M(λ2,T)与M(λ1,T)的计算方式相同，所以M(λ2,T)可以表示为：
M(λ2,T)＝ε2×W(λ2,T)+(1-ε2)×W(λ2,Tr) (15)
其中，ε2表示温度为T的金属样品在λ2波长下的发射率；W(λ2,T)表示温度为T的黑体在λ2波长下的辐射强度，可以通过式(3)算出；W(λ2,Tr)表示温度为Tr的黑体在λ2波长下的辐射强度，可以通过式(3)算出；
(i)当两个波长λ1和λ2相近时，同一温度且表面状态相同的金属样品的发射率可以认为近似相等，并且只与温度有关，即ε1＝ε2＝ε。分别用W1和W2表示W(λ1,T)和W(λ2,T)，用Wr1和Wr2表示W(λ1,Tr)和W(λ2,Tr)，式(9)可以表示为：
(j)在真空高温炉烘烤状态下，金属样品的真实表面温度T可以通过安装在其表面的热电偶测得，真空高温炉内壁温度Tr通过水冷装置控制，将温度和波长代入式(3)，W1、W1、Wr1、Wr2的值均可算出；L1和L2可以通过预览窗口两个灰度图上待测点的灰度值求出，此时式(16)中仅有发射率ε这一个未知量，此时金属样品在烘烤温度T下的发射率ε即可求出；
(k)在多个不同的烘烤温度下计算金属样品的发射率，得到一组金属样品表面温度T与对应的发射率ε，使用式(17)所示的函数模型拟合出金属样品表面温度T与对应的发射率ε的函数关系：
拟合结果用式(18)表示：
ε＝f(T) (18)。
4.根据权利要求1所述的基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，包括以下步骤：
(l)在对金属目标进行实际测温过程中，式(16)依然成立，将式(18)带入到式(16)中，通过热像仪图像的灰度值可以计算出L1和L2，此时式(16)等号右侧仅有金属目标表面温度T这一个未知量，将
代入式(16)即可求出金属目标表面温度T。
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