CN113483900B - 基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其通过热电偶测温仪和红外热像仪测量喷涂黑体材料的铝合金板的温度，获得325K～625K范围内黑体材料的发射率；根据获得的黑体材料的发射率，进行喷涂黑体点的铝合金板的表面黑体点和离散点温度测量，基于黑体点和铝合金表面离散点的温度采用回归模型进行黑体点和铝合金表面离散点所在层的温度场构造；根据回归构造得到的黑体点所在层温度场与铝合金表面离散点所在层温度场的关系获得校正公式，利用校正公式对铝合金板温度场进行校正，获得高精度铝合金板温度结果。采用本发明提出的方法不需要预先测量不同氧化程度的铝合金板的发射率，可以快速、准确地的实现铝合金板的温度测量。
Description
技术领域
本申请涉及红外辐射测温领域，具体地涉及一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法。
背景技术
铝合金是仅次于钢铁使用的较广泛的金属材料，由于它的低密度、高比强度、易加工、良好的耐腐蚀性、优异的导电性和导热性，使得铝合金在航空、航天、汽车、海军、武器和电力电子领域具有广阔的应用和发展潜力。其中，温度是影响铝合金材料加工质量的关键因素之一。广泛使用的温度测量方法包括热电偶接触测温法和红外辐射非接触测温法。与接触式测温技术相比，红外辐射测温技术具有不会破坏被测物体的温度场的优点，这是因为其不会接触被测物体，测量灵敏度高，反应迅速。然而红外辐射测也温存在一定的局限性，被测物体表面发射率的变化会影响红外辐射测温的精度。由于铝合金的发射率不是本征参数，它不仅和成分有关，还和工作波长、氧化程度、温度和表面状态等诸多因素相关，测量过程中随时变化，所以实时测量过程中很难获得准确的表面温度。
现有技术是通过在静态测量中调节红外热像仪的发射率使得红外示值温度与热电偶测温仪温度相同来确定发射率数值，根据发射率与实际温度值的关系校正红外热像仪示值，这样就需要测量过程中不断的调整发射率。然而测量现场存在诸多影响因素，使得校正函数不易准确获取，并且被测件种类繁多，受发射率影响，由此可见，现有方法应用的场景受到诸多因素的影响，如果不能充分考虑这些影响因素，所测得的温度的精度会受到不同程度的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，通过发射率稳定的黑体材料实现实时测温，并结合回归分析对铝合金板表面的温度场进行校正，无需求解铝合金表面发射率的具体数值，更方便、快捷、准确的测得铝合金温度场。
为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：
一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其包括以下步骤：
步骤1：在铝合金板表面完全喷涂黑体材料，利用陶瓷电炉对所述铝合金板加热，设置红外热像仪的发射率为1，通过所述红外热像仪和热电偶测温仪获得所述铝合金板的温度，根据所述铝合金板的温度标定所述黑体材料的发射率；
步骤2：根据所述步骤1获得的黑体材料的发射率和回归分析，获得铝合金板的温度场，具体步骤为：
步骤21：采用所述步骤1的黑体材料在所述铝合金板的上表面喷涂黑体点，所述黑体点的数量为M，所述M大于等于8且小于等于32，所述黑体点包括第一组和第二组，所述第一组和第二组的黑体点分别等间距分布在两条直线上，所述两条直线与所述铝合金板上表面的两条相互平行的边平行，所述第一组的黑体点与所述铝合金板上表面的两条相互平行的边中的一条边距离为10-30mm，所述第二组的黑体点与所述铝合金板上表面的两条相互平行的边中的另一条边距离为10-30mm；在所述铝合金板的上表面设置与所述黑体点一一对应的匹配测点，所述黑体点与所述一一对应的匹配测点的距离为1-5mm，在所述铝合金板的两个相互平行的侧面上设置M个盲孔，所述两个相互平行的侧面与所述第一组的黑体点所在的直线平行，将M个热电偶探针的第一端分别固定在所述M个盲孔内，所述M个热电偶探针的第二端连接热电偶测温仪；
步骤22：在所述步骤21中的铝合金板上方设置红外热像仪，设置所述红外热像仪的发射率为所述步骤1获得的黑体材料的发射率；
步骤23：将所述步骤21中的铝合金板水平放置在陶瓷电炉上，采用所述陶瓷电炉对所述铝合金板的下表面加热，加热温度范围为起始温度325K，终止温度625K，加热方式为按照25K步长加热；通过所述红外热像仪获得所述铝合金板上表面黑体点的温度和匹配测点的温度，通过所述热电偶测温仪获得所述铝合金板侧面的M个盲孔位置的温度；
步骤24：将所述步骤23获得的黑体点的温度、匹配测点的温度输入计算机中并利用回归分析分别构造所述黑体点所在层的温度场和所述匹配测点所在层的温度场；
步骤25：根据所述步骤24获得的黑体点所在层的温度场和匹配测点所在层的温度场，获得所述匹配测点所在层的温度场中与所述黑体点对应位置的温度TL，计算所述步骤23获得的黑体点的温度与温度TL的差值δ，根据所述黑体点所在层的温度场和匹配测点所在层的温度场，获得校正系数α和γ；根据所述差值δ、校正系数α和γ获得所述步骤23加热温度范围内的校正公式：
Ta＝Tb+α+γ*δ
式中：Ta为校正后温度；Tb为校正前温度；
根据所述校正公式，将所述匹配测点所在层的温度场作为Tb进行校正，获得校正后的铝合金板的温度场。
可优选的是，所述步骤23中采用陶瓷电炉对铝合金板的下表面加热的区域为所述铝合金板下表面的全部区域。
可优选的是，所述铝合金板的下表面划分为面积相同的两个区域，所述两个区域包括A1区域和A2区域，所述A1区域和A2区域的分界线与所述铝合金板的一组侧面垂直，所述步骤23中采用陶瓷电炉对铝合金板的下表面加热的区域为所述A1区域。
可优选的是，所述步骤1标定黑体材料的发射率，具体包括以下步骤：
步骤11：将所述铝合金板表面完全喷涂黑体材料，所述铝合金板的两个相互平行的侧面各设置N个盲孔，所述N大于等于2小于等于16，将2N个热电偶探针的第一端分别固定在所述2N个盲孔内，所述2N个热电偶探针的第二端连接一个热电偶测温仪；
步骤12：在所述铝合金板上方设置红外热像仪，设置所述红外热像仪的发射率为1；
步骤13：将所述铝合金板水平放置在陶瓷电炉上，采用所述陶瓷电炉对所述铝合金板的下表面加热，加热的区域为所述铝合金板下表面的全部区域，加热温度范围为起始温度325K，终止温度625K，加热方式为按照25K步长加热；通过所述红外热像仪获得所述铝合金板上表面的2N个测点的平均温度Tr，通过所述热电偶测温仪获得所述铝合金板侧面的2N个盲孔位置的平均温度T0；
步骤14：根据所述步骤13获得的温度Tr和温度T0，标定所述铝合金板表面完全喷涂的黑体材料的发射率，获得所述黑体材料的发射率。
可优选的是，所述所述步骤14中标定所述铝合金板的表面完全喷涂的黑体材料的发射率ε为：
式中：Tu为环境温度；n为常数，取值为4.09。
可优选的是，所述步骤14标定所述铝合金板的表面完全喷涂的黑体材料的发射率为：调节红外热像仪的发射率，当红外热像仪获得的所述铝合金板上表面的2N个测点的平均温度Tr与通过热电偶测温仪获得的所述铝合金板侧面的2N个盲孔位置的平均温度T0一致时，红外热像仪的发射率为标定的黑体材料的发射率。
进一步，所述步骤11中所述盲孔的直径为2.5mm，所述盲孔的深度为25mm。
可优选的是，所述步骤21中黑体点中的黑体点的形状为圆柱形，所述黑体点的半径为7mm，所述黑体点的高度为0.6mm。
可优选的是，所述步骤24的回归分析采用因变量y与自变量x1，x2，…，xj，…，xm线性相关的回归模型：
y＝b0+b1x1+…bjxj+…+bmxm+ε
式中：xj为第j个自变量；bj为第j个回归系数；ε为误差项；m为自变量的数量；
将所述步骤23获得的黑体点的温度和匹配测点的温度作为因变量y，所述黑体点和匹配测点的坐标作为自变量xj，将所述回归模型中的因变量y用n个时刻的温度测量值表示为n维回归模型：
式中：εi为第i时刻的误差；xij为第i时刻第j个自变量；yi为第i时刻的温度；
将所述n维回归模型用矩阵形式表示为n维回归模型矩阵：
对所述n维回归模型矩阵进行简化获得简化后的回归模型：
Y＝XB+ε
式中：Y为因变量yi的集合；X为自变量xij的集合；B为回归系数bj的集合；
计算所述简化后的回归模型的误差项的数学期望和协方差使其满足正态分布：
E(ε)＝0
Cov(ε)＝σ2I
式中：E(ε)为误差项的数学期望；Cov(ε)为误差项的协方差；I为常数；σ2为误差项的方差；
应用最小二乘法，获得所述B的预测值
为：
式中：Lxx＝XT·X；Lxy＝XT·Y；XT为X的转置运算；
根据所述B的预测值
获得回归系数中常数项B0为：
式中：
为Y的平均值；
为X的平均值；
根据所述回归系数中常数项B0和回归模型获得回归分析构造的温度场。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，通过搭建由待测试铝合金板、红外热像仪、热电偶测温仪、陶瓷电炉等组成的测量装置，通过标定黑体材料的发射率用于后续获得准确的黑体点温度，并结合回归分析的理论，用黑体点温度校正红外辐射温度，获得精确的铝合金板温度场结果；使用该方法无需在测量前预先确定铝合金板表面发射率对红外测温准确性的影响，测量流程更为简便、测量结果精度高；提出的温度校正方法还能用于工业中的动态实时测量；所搭建的测量装置易于搭建，能够适用于静态标定。
附图说明
图1为本发明实施例的测量装置的示意图；
图2为本发明实施例的铝合金板结构示意图；
图3为本发明实施例中铝合金板上四个测点的温度与热电偶测温仪测得的温度的关系曲线；
图4为发明本实施例中调节三次红外热像仪的发射率使得四个测点温度与热电偶测温仪测得的温度相同时的发射率与热电偶测温仪测得的温度的关系曲线；
图5为本发明实施例中调节红外热像仪的发射率为不同值时的黑体点温度与热电偶测温仪测得的温度的关系曲线；
图6为本发明实施例中具有不同氧化程度的铝合金板红外热像仪测得的温度与热电偶测温仪测得的温度的关系曲线；
图7为本发明实施例中具有不同氧化程度的铝合金板发射率与热电偶测温仪测得的温度的关系曲线；
图8为本发明实施例中均匀温度场三维示意图；
图9为本发明实施例中非均匀温度场三维示意图。
图中：
1-红外热像仪；2-热电偶测温仪；3-计算机；4-黑体点；5-测点；6-铝合金板；7-热电偶探针；8-陶瓷电炉；9-匹配测点。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明实施例提供了一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，如图1所示，本发明方法依据的测量装置包括：温度测量部分、温度控制部分和数据采集处理部分。
温度控制部分包括hp-10陶瓷电炉8、MgO粉和3.0防火阻燃高温密封胶；温度测量部分包括红外热像仪1和四通道热电偶测温仪2；数据采集处理部分为计算机3，计算机3用于采集红外热像仪1和四通道热电偶测温仪2测量的温度，并利用回归分析构造回归温度场。
测量装置中需要6块铝合金板6，其中1块为完全喷涂黑体材料的铝合金板A-0；3块氧化程度不同的铝合金板6，分别标记为A-1、A-2、A-3；三块板中，A-1铝合金板氧化程度最低，A-3铝合金板氧化最高；另外2个为喷有8个黑体点4的铝合金板A-4、A-5。如图2所示，沿着铝合金板A-4、A-5的两侧依次喷涂4个黑体点4，黑体点4的数量在8-32范围内选择，一方面有利于在后续回归构造时确保精度；另一方面能够使得黑体点在铝合金板表面的离散布置不会由于相邻黑体点距离太近而相互影响。这里采用8个黑体点，并且两侧的黑体点依次错开，黑体点4依次标记①-⑧。在与黑体点4相对应的铝合金板6侧面上钻8个孔嵌入热电偶探针7，依次标记为①’-⑧’。热电偶探针7的引线与四通道热电偶测温仪2接口相连，孔内多余的空隙用MgO粉末进行填充，边缘开口用高温胶密封，用于对黑体点4测温的参考，即热电偶温度认定为测量的真实温度。将铝合金板6平放在陶瓷电炉8上，通过调节旋钮控制温度范围，红外热像仪1获得的数据通过数据传输端口传至数据计算机3。
完全喷涂黑体材料的铝合金板A-0尺寸为100*100*3mm；
氧化程度不同的铝合金板A-1、A-2和A-3尺寸均为120*120*3mm；
喷涂8个黑体点的铝合金板A-4和A-5尺寸分别为100*100*3mm和120*200*3mm；
陶瓷电炉8测温范围为323K～773K；
黑体材料型号为日本OKMO6670；主要成分包括合成树脂、颜料和有机溶剂；发射率为0.9±0.05，耐热性为923K；
红外热像仪1用于测量温度；
黑体点4为半径7mm，厚度0.6mm的圆柱形；
用于嵌入热电偶探针的盲孔直径为2.5mm，深度为25mm；
热电偶测温仪2已校准，固定在红外热像仪1测温区域外的支架上。
具体步骤包括：
步骤1：标定黑体材料的发射率，具体包括以下步骤：
步骤11：对完全喷涂黑体材料的100*100*3mm铝合金板A-0两侧面分别嵌入2个热电偶探针7，如图1所示，对其进行加热，加热铝合金板A-0下表面全部区域，设定陶瓷电炉8的温度分别为：325K、350K、375K、400K、425K、450K、475K、500K、525K、500K、575K、600K、625K，设置红外热像仪1的发射率为1，红外热像仪1测得多个测点5位置的温度，测点5的数量为4-32个，这里选择测点5的数量为4个，同时读出热电偶测温仪2显示的数值，绘制黑体点温度与热电偶温度关系曲线；
步骤12：通过热电偶测温仪2和红外热像仪1测得的4个测点5的平均温度值计算黑体材料的发射率值，计算发射率公式为：
式中：Tr为铝合金板6的上表面的4个测点位置的平均温度，Tu为环境温度，T0为铝合金板6侧面的4个盲孔位置的平均温度，n是常数，取值为4.09。
标定黑体材料发射率除了利用公式(1)获得外，也可以通过下述方法获得：
步骤12’：通过调节红外热像仪1的发射率数值，使得测点5的温度与热电偶测温仪2显示的温度值一致，绘制测点5的温度与热电偶测温仪2显示的温度之间的关系曲线，获得黑体材料的发射率随温度变化的曲线，标定黑体材料的发射率值，获得标定的黑体材料发射率；
本发明分别提供具有均匀和非均匀温度场的铝合金板的温度测量方法。
第一种为具有均匀温度场的铝合金板的温度测量方法：
步骤2：根据步骤1获得的黑体材料发射率，测量具有均匀温度场的铝合金板的温度，具体为：
步骤21：调节红外热像仪1的发射率为步骤1获得的黑体材料发射率并保持；
步骤22：如图2所示，在100*100*3mm铝合金A-4的上表面喷涂8个黑体点4，在100*100*3mm铝合金的侧面嵌入热电偶探针，如图2所示，8个黑体点平均分布在铝合金A-4的两侧边平行的直线上，8个黑体点距离铝合金板的边缘10-30mm处，黑体点4与热电偶探针位置依次错开，8个铝合金表面匹配测点9分别分布在黑体点4距离1-5mm范围内，热电偶探针、铝合金表面匹配测点9与黑体点4依次标记①-⑧，热电偶探针依次标记①’-⑧’。铝合金板A-4平放在陶瓷电炉8上加热，设定加热温度分别为：325K、350K、375K、400K、425K、450K、475K、500K、525K、550K、575K、600K、625K。
步骤23：记录离散点的标记以及温度值，上述离散点包括8个黑体点4和与8个黑体点4位置一一对应的铝合金板表面8个匹配测点9，如图2所示，获得喷涂的8个黑体点4的标记及其在红外热像仪1上显示的温度值，获得铝合金表面8个匹配测点9标记和对应的温度值，读出热电偶测温仪2显示的温度的数值；
步骤24：在计算机3中安装的Matlab软件中通过采集的8个黑体点4和铝合金板表面8个匹配测点9温度利用回归分析构造黑体点4所在层和铝合金表面匹配测点9所在层的温度场。
步骤24中所提到的回归分析具体包括以下步骤：
1、因变量y与自变量x1，x2，…，xj，…，xm线性相关，则满足以下回归模型：
y＝b0+b1x1+…bjxj+…+bmxm+ε (2)
分别将测得的离散点的温度值作为因变量y，将离散点的坐标作为自变量，这里的离散点包括8个黑体点4和铝合金表面8个匹配测点9，xj为第j个自变量；bj为第j个回归系数；ε为误差项。
2、将模型中的y用n个时刻的温度测量值来表示，则模型变为：
其中：εi为第i时刻的误差，xij为第i时刻第j个自变量，yi为第i时刻的温度。
将公式(3)用矩阵形式表示为：
对公式(4)进行简化后得：
Y＝XB+ε (5)
其中：Y为因变量yi的集合，X为自变量xij的集合，B为回归系数bj的集合。
3、误差项的数学期望和协方差可表示为：
E(ε)＝0 (6)
Cov(ε)＝σ2I (7)
其中：E(ε)为误差项的数学期望；Cov(ε)为误差项的协方差；I为常数，σ2是误差项的方差。
误差项的数学期望和协方差满足以上条件即满足正态分布，则回归分析模型采取的较合适。
4、应用最小二乘法，即可求得
的估计式为：
其中：Lxx＝XT·X，Lxy＝XT·Y，
为B的预测值。
5、可得回归系数中常数项B0的表达式为：
其中：
为Y的平均值，
为X的平均值；
根据上述回归系数中常数项B0和回归模型获得回归分析构造的温度场。
步骤25：通过回归分析构造得到黑体点4所在层温度场和铝合金表面匹配测点9所在层温度场，根据步骤24获得的8个黑体点4所在层的温度场和8个匹配测点9所在层的温度场，获得8个匹配测点所在层的温度场中与8个黑体点4对应位置的温度TL，计算8个黑体点位置的温度与温度TL的差值δ，得到校正公式：
Ta＝Tb+α+γ*δ (10)
其中：α和γ为校正系数，根据回归分析构造得到黑体点4所在层温度场和铝合金表面匹配测点9所在层温度场的映射关系获得α和γ；Ta为校正后温度；Tb为校正前温度；
利用校正公式(8)可以将铝合金表面匹配测点9所在层温度场，对应公式中的Tb，校正获得均匀温度场的铝合金板A-4的温度，再利用热电偶测温仪2测得数值进行验证。
第二种为具有非均匀温度场的铝合金板的温度测量方法：
步骤2’：根据步骤1获得的黑体材料发射率，测量具有非均匀温度场的铝合金板的温度，具体为：
步骤21’：调节红外热像仪1的发射率为步骤1获得的黑体材料发射率并保持；
步骤22’：如图2所示，在120*200*3mm铝合金板A-5的上表面喷涂8个黑体点4，在120*200*3mm铝合金板A-5的侧面嵌入热电偶探针，如图2所示，8个黑体点平均分布在铝合金A-4的两侧边平行的直线上，8个黑体点距离铝合金板边缘10-30mm，黑体点4与热电偶探针位置依次错开，8个铝合金表面匹配测点9分别分布在黑体点4距离1-5mm位置，热电偶探针、铝合金表面匹配测点9与黑体点4依次标记①-⑧，热电偶探针依次标记①’-⑧’。铝合金板A-5平放在陶瓷电炉8上加热，铝合金板A-5的一半放在陶瓷电炉8上加热，另外一半悬空。设定加热温度分别为：325K、350K、375K、400K、425K、450K、475K、500K、525K、550K、575K、600K、625K。
步骤23’：记录离散点的标记以及温度值，上述离散点包括8个黑体点4和铝合金表面8个匹配测点9，如图2所示，获得喷涂的8个黑体点4的标记及其在红外热像仪1上显示的温度值，获得铝合金表面8个匹配测点9标记和对应的温度值，读出热电偶测温仪2显示的温度的数值；
步骤24’：在Matlab中通过测得的黑体点4和铝合金板表面8个匹配测点9温度利用回归分析构造黑体点4所在层和铝合金表面匹配测点9所在层的温度场。
步骤24’中所提到的回归分析采用与步骤24相同的方法。
步骤25’：通过回归分析构造得到黑体点4所在层温度场和铝合金表面匹配测点9所在层温度场，根据步骤24获得的8个黑体点4所在层的温度场和8个匹配测点9所在层的温度场，获得8个匹配测点所在层的温度场中与8个黑体点4对应位置的温度TL，计算8个黑体点位置的温度与温度TL的差值delta，得到校正公式(8)，利用校正公式(8)可以将铝合金表面匹配测点9所在层温度场，对应公式中的Tb，校正获得非均匀温度场的铝合金板A-5的温度，再利用热电偶测温仪2测得数值进行验证。
提供一具体实施例，说明采用本发明的方法可以得到准确的温度场，实现无须测量铝合金板表面发射率即可得到表面温度场。
1、根据采集的数据标定黑体发射率，具体包括：
在100*100*3mm铝合金板材上全部喷涂黑体材料，在铝合金侧面嵌入4个热电偶，如图1所示，待温度稳定，测得黑体点温度，并读出热电偶数值。四个不同位置的热电偶与黑体点温度示意图如图3所示，4个热电偶测得点温度几乎相同，表明铝合金的温度场是均匀的。利用热电偶和黑体点测得值的平均值计算黑体材料的发射率，发射率与温度之间的关系如图4所示，为了消除实验误差，避免实验的偶然性，进行三次实验。由曲线可知黑体材料的发射率在0.899～0.901之间波动，平均值为0.900。为验证黑体材料的发射率的测量精度，将红外热像仪的发射率分别设置为0.87、0.90、0.93，拟合黑体点温度与热电偶温度之间的关系如图5所示，进一步验证计算得到的发射率平均数值为0.90的准确性，由图可得，热电偶测温仪测得的温度与黑体点之间的线性拟合斜率分别为1.014、1.007、0.974。当红外热像仪的发射率设定为0.9时，热电偶测温仪温度与黑体点温度最大温差为1.5K，表明黑体材料的发射率在325～625K的温度范围内为0.9。
2、根据采集的数据分析铝合金的发射率，具体包括：
分别将三块120*120*3mm氧化程度不同的铝合金板A-1、A-2、A-3平放在陶瓷电炉上，在测温软件界面选定测温区域，待温度稳定，读出热电偶数值和红外热像仪测得的铝合金板红外辐射温度。为了得到氧化程度不同的铝合金板相同热电偶温度下红外辐射温度的变化情况，绘制热电偶温度与红外辐射温度关系图如图6所示。
由图6可得，在相同的热电偶温度下，铝合金的红外辐射温度不同，表明不同氧化程度的铝合金板的发射率不同。为了进一步验证氧化程度不同的铝合金板发射率与热电偶温度的关系利用热电偶测温仪温度与红外热像仪测得温度计算铝合金的发射率，如图7所示。由图7可得，铝合金的发射率随温度的升高而降低，铝合金的发射率与温度和氧化程度有关，所以仅依靠红外热像仪测量铝合金表面温度会产生较大的误差。
3、根据采集的数据分析温度场，具体包括：
(1)根据采集的数据分析均匀温度场
在100*100*3mm的铝合金板上均匀喷涂8个黑体点，在铝合金的侧面嵌入热电偶，调节热像仪的发射率为0.90。记录测得点的标号以及对应的铝合金板测点温度，符号标记为T1；热电偶温度，符号标记为T2；黑体点温度，符号标记为T3。
在Matlab中利用回归分析分别构造铝合金板测点和黑体点所在层的温度场，绘制出设定温度分别为373K、473K、573K下的三维示意图，如图8所示，其中低层温度场为铝合金板表面测点所在层温度场，高层温度场为已知黑体点所在层温度场，黑色的点为热电偶测得点。其中8个匹配测点所在层的温度场中与8个黑体点对应位置的温度符号标记为TL，计算8个黑体点位置的温度与温度TL的差值δ，并根据回归分析分别构造出的铝合金板测点和黑体点所在层的温度场的映射关系获得校正系数α和γ，根据差值δ、校正系数α和γ得到校正公式：
Ta＝Tb+α+γ*δ (11)
其中：温度在273K-373K范围内，α＝69.15，γ＝-0.47；温度在373K-473K范围内，α＝125.74，γ＝0.71；温度在473K-573K范围内α＝193.06，γ＝0.22。
利用校正公式将铝合金表面测点所在层温度场，对应公式中的Tb，校正得到铝合金板表面的温度，再利用热电偶测温仪2测得相对应的温度数值进行验证。8个测点的数据结果如表1所示：
表1均匀温度场的实验结果
从表1的数据分析中可以得出，在均匀的温度场中，设定温度下离散点的温度值在很小的范围内变化。根据回归分析的理论，利用离散点的温度值构造其所在的温度场，可以获得铝合金板表面所在层温度场和黑体点所在层温度场。根据两个温度场的回归方程获得两个温度场之间的映射关系，确定校正系数和差值获得校正公式，最终对将铝合金表面测点所在层的温度场校正得到铝合金表面温度场，利用热电偶测得相对应的温度数值进行验证，可以得到在373K～573K的温度范围内，误差在1.5K以内。
(2)根据采集的数据分析非均匀温度场
将120*200*3mm板材平均分为A1和A2区，A1区置于加热炉上加热，A2区悬空，在板材两侧长边分别喷涂8个黑体点，黑体点与热电偶测温仪测得点相邻，构造简单的非均匀温度场。重复均匀温度场中的操作，绘制出设定温度分别为373K、473K、573K下的三维示意图，如图9所示。其中8个匹配测点所在层的温度场中与8个黑体点对应位置的温度符号标记为TL，计算8个黑体点位置的温度与温度TL的差值δ，得到校正公式(11)：
Ta＝Tb+α+γ*δ
其中：温度在273K-373K范围内，α＝70.97，γ＝-0.78；温度在373K-473K范围内，α＝154.31，γ＝0.64；温度在473K-573K范围内α＝235.38，γ＝0.30。
利用校正公式将铝合金表面测点所在层温度场，对应公式中的Tb，校正得到铝合金板表面的温度，再利用热电偶测温仪2测得相对应的温度数值进行验证。8个测点的数据结果如表2所示：
表2非均匀温度场的实验结果
根据表2的数据分析，在非均匀温度场中，根据回归分析的理论，利用离散点的温度值构造其所在的温度场，可以获得铝合金表面所在层的温度场和黑体点所在层的温度场。利用校正公式可以将铝合金表面测点所在层的温度场校正得到铝合金表面温度场，利用热电偶测得相对应的温度数值进行验证，可以得到在373K～573K的温度范围内，误差在1.5K以内。
综上，对于均匀温度场和非均匀温度场，所提出的方法均适用。
与现有技术相比，本发明提出的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法。首先对黑体材料的发射率进行标定，如图3-图5所示，在325K-625K温度范围内，黑体材料发射率稳定为0.90。进一步分析铝合金的氧化程度和温度对发射率的影响情况，如图6-图7所示，可知铝合金的发射率随温度的升高而降低，铝合金的发射率与温度和氧化程度有关，所以仅依靠红外热像仪测得铝合金表面温度不可行。因此提出基于回归分析建立铝合金板表面测点所在层温度场和黑体点所在层温度场，如图8-图9所示，通过两者的回归方程建立两个温度场之间的关系，得到校正公式对铝合金表面测点所在层温度场进行校正。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1：在铝合金板(6)表面完全喷涂黑体材料，利用陶瓷电炉(8)对所述铝合金板(6)加热，设置红外热像仪(1)的发射率为1，通过所述红外热像仪(1)和热电偶测温仪(2)获得所述铝合金板(6)的温度，根据所述铝合金板(6)的温度标定所述黑体材料的发射率；
步骤2：根据所述步骤1获得的黑体材料的发射率和回归分析，获得铝合金板(6)的温度场，具体步骤为：
步骤21：采用所述步骤1的黑体材料在所述铝合金板(6)的上表面喷涂黑体点(4)，所述黑体点(4)的数量为M，所述M大于等于8且小于等于32，所述黑体点(4)包括第一组和第二组，所述第一组和第二组的黑体点分别等间距分布在两条直线上，所述两条直线与所述铝合金板(6)上表面的两条相互平行的边平行，所述第一组的黑体点与所述铝合金板(6)上表面的两条相互平行的边中的一条边距离为10-30mm，所述第二组的黑体点与所述铝合金板(6)上表面的两条相互平行的边中的另一条边距离为10-30mm；在所述铝合金板(6)的上表面设置与所述黑体点(4)一一对应的匹配测点(9)，所述黑体点(4)与所述一一对应的匹配测点(9)的距离为1-5mm，在所述铝合金板(6)的两个相互平行的侧面上设置M个盲孔，所述两个相互平行的侧面与所述第一组的黑体点所在的直线平行，将M个热电偶探针(7)的第一端分别固定在所述M个盲孔内，所述M个热电偶探针(7)的第二端连接热电偶测温仪(2)；
步骤22：在所述步骤21中的铝合金板(6)上方设置红外热像仪(1)，设置所述红外热像仪(1)的发射率为所述步骤1获得的黑体材料的发射率；
步骤23：将所述步骤21中的铝合金板(6)水平放置在陶瓷电炉(8)上，采用所述陶瓷电炉(8)对所述铝合金板(6)的下表面加热，加热温度范围为起始温度325K，终止温度625K，加热方式为按照25K步长加热；通过所述红外热像仪(1)获得所述铝合金板(6)上表面黑体点(4)的温度和匹配测点(9)的温度，通过所述热电偶测温仪(2)获得所述铝合金板(6)侧面的M个盲孔位置的温度；
步骤24：将所述步骤23获得的黑体点(4)的温度、匹配测点(9)的温度输入计算机(3)中并利用回归分析分别构造所述黑体点(4)所在层的温度场和所述匹配测点(9)所在层的温度场；
步骤25：根据所述步骤24获得的黑体点(4)所在层的温度场和匹配测点(9)所在层的温度场，获得所述匹配测点(9)所在层的温度场中与所述黑体点(4)对应位置的温度TL，计算所述步骤23获得的黑体点(4)的温度与温度TL的差值δ，根据所述黑体点(4)所在层的温度场和匹配测点(9)所在层的温度场，获得校正系数α和γ；根据所述差值δ、校正系数α和γ获得所述步骤23加热温度范围内的校正公式：
Ta＝Tb+α+γ*δ
式中：Ta为校正后温度；Tb为校正前温度；
根据所述校正公式，将所述匹配测点(9)所在层的温度场作为Tb进行校正，获得校正后的铝合金板(6)的温度场。
2.根据权利要求1所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤23中采用陶瓷电炉(8)对铝合金板(6)的下表面加热的区域为所述铝合金板(6)下表面的全部区域。
3.根据权利要求1所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述铝合金板(6)的下表面划分为面积相同的两个区域，所述两个区域包括A1区域和A2区域，所述A1区域和A2区域的分界线与所述铝合金板(6)的一组侧面垂直，所述步骤23中采用陶瓷电炉(8)对铝合金板(6)的下表面加热的区域为所述A1区域。
4.根据权利要求1所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤1标定黑体材料的发射率，具体包括以下步骤：
步骤11：将所述铝合金板(6)表面完全喷涂黑体材料，所述铝合金板(6)的两个相互平行的侧面各设置N个盲孔，所述N大于等于2小于等于16，将2N个热电偶探针(7)的第一端分别固定在所述2N个盲孔内，所述2N个热电偶探针(7)第二端连接一个热电偶测温仪(2)；
步骤12：在所述铝合金板(6)上方设置红外热像仪(1)，设置所述红外热像仪(1)的发射率为1；
步骤13：将所述铝合金板(6)水平放置在陶瓷电炉(8)上，采用所述陶瓷电炉(8)对所述铝合金板(6)的下表面加热，加热的区域为所述铝合金板(6)下表面的全部区域，加热温度范围为起始温度325K，终止温度625K，加热方式为按照25K步长加热；通过所述红外热像仪(1)获得所述铝合金板(6)上表面的2N个测点(5)的平均温度Tr，通过所述热电偶测温仪(2)获得所述铝合金板(6)侧面的2N个盲孔位置的平均温度T0；
步骤14：根据所述步骤13获得的温度Tr和温度T0，标定所述铝合金板(6)表面完全喷涂的黑体材料的发射率，获得所述黑体材料的发射率。
5.根据权利要求4所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤14中标定所述铝合金板(6)的表面完全喷涂的黑体材料的发射率ε为：
式中：Tu为环境温度；n为常数，取值为4.09。
6.根据权利要求4所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤14标定所述铝合金板(6)的表面完全喷涂的黑体材料的发射率为：调节红外热像仪(1)的发射率，当红外热像仪(1)获得的所述铝合金板(6)上表面的2N个测点(5)的平均温度Tr与通过热电偶测温仪(2)获得的所述铝合金板(6)侧面的2N个盲孔位置的平均温度T0一致时，红外热像仪(1)的发射率为标定的黑体材料的发射率。
7.根据权利要求4所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤11中盲孔的直径为2.5mm，所述盲孔的深度为25mm。
8.根据权利要求1所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤21中黑体点(4)中的黑体点的形状为圆柱形，所述黑体点的半径为7mm，所述黑体点的高度为0.6mm。
9.根据权利要求1所述的基于黑体点在线校准的红外辐射铝合金板温度场测量方法，其特征在于，所述步骤24的回归分析采用因变量y与自变量x1，x2，…，xj，…，xm线性相关的回归模型：
y＝b0+b1x1+…bjxj+…+bmxm+ε
式中：xj为第j个自变量；bj为第j个回归系数；ε为误差项；m为自变量的数量；
将所述步骤23获得的黑体点(4)的温度和匹配测点(9)的温度作为因变量y，所述黑体点(4)和匹配测点(9)的坐标作为自变量xj，将所述回归模型中的因变量y用n个时刻的温度测量值表示为n维回归模型：
式中：εi为第i时刻的误差；xij为第i时刻第j个自变量；yi为第i时刻的温度；
将所述n维回归模型用矩阵形式表示为n维回归模型矩阵：
对所述n维回归模型矩阵进行简化获得简化后的回归模型：
Y＝XB+ε
式中：Y为因变量yi的集合；X为自变量xij的集合；B为回归系数bj的集合；
计算所述简化后的回归模型的误差项的数学期望和协方差使其满足正态分布：
E(ε)＝0
Cov(ε)＝σ2I
式中：E(ε)为误差项的数学期望；Cov(ε)为误差项的协方差；I为常数；σ2为误差项的方差；
应用最小二乘法，获得所述B的预测值
为：
式中：Lxx＝XT·X；Lxy＝XT·Y；XT为X的转置运算；
根据所述B的预测值
获得回归系数中常数项B0为：
式中：
为Y的平均值；
为X的平均值；
根据所述回归系数中常数项B0和回归模型获得回归分析构造的温度场。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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