CN114509165B - 一种光谱发射率测量装置及表面温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种光谱发射率测量装置及表面温度测量方法，属于辐射测温技术、发射率测量技术领域。本发明的装置主要由镜头和光谱仪或光谱辐射计组成，镜头与光谱仪或光谱辐射计可以直接连接，也可以使用光纤连接。无需其他任何额外的温度测量设备或传感器，仅使用发射率测量所需的、带有镜头的、光谱范围覆盖短波的光谱仪或光谱辐射计作为测量设备，使用3个及以上光谱辐射能量信息，根据普朗克黑体辐射定律建立目标温度与光谱辐射能量的关系，拟合温度T与光谱辐射能量Lλ、波长λ的关系式，即能够准确测算出目标的表面温度，从而获得目标的光谱发射率。本发明不仅能够简化测温设备，还能够提高目标光谱发射率的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱发射率测量装置及表面温度测量方法，属于辐射测温技术、发射率测量技术领域。
背景技术
材料发射率是表征材料辐射特性的关键热物性参数，对于飞机、导弹及其它高速飞行器的红外隐身技术的研究，具有重要意义。发射率定义为目标的辐射能量与同温度下黑体的辐射能量的比值。因此，目标表面温度测量的准确性，直接影响发射率测量的准确性。
目标表面温度的测量，有多种方式。对于温度较低、导热性能较好的材料，可采用接触式测温或通过理论计算的方法获得；而对于温度较高、导热性较差的材料，多采用辐射的方法进行测量。但接触式测量方法直接测量样品温度有明显的弊端，如接触不牢靠、损耗老化和传热误差带来的测量不准确等问题；辐射测温方法只能测量样品的亮度温度，获取样品前表面的真实温度十分困难。而多光谱测温法可以在一定程度上克服接触式测温法和普通辐射测温法的弊端。
现有技术中，采用多光谱方法对被测目标的表面温度进行测量时，需要额外增加一个多光谱测温仪，采用的计算方法为迭代法，计算较为复杂，使用的光谱数量较少。此外，通常的表面温度计算方法也需要被测目标发射率的先验信息，需要已知被测目标在经典温度下的光谱发射率数据，然后通过求解方程组确定基函数的未知系数。
发明内容
针对现有多光谱测量方法需要额外设备、计算复杂的问题，本发明的主要目的之一是提供一种光谱发射率测量装置，根据普朗克黑体辐射定律建立目标温度与光谱辐射能量的关系，计算得到目标的表面温度，进而获得目标的光谱发射率，能够简化光谱发射率测量和测温设备。
本发明的另一个主要目的是提供一种光谱发射率测量中目标表面温度准确测量方法，基于所述光谱发射率测量装置实现，使用目标光谱发射率测量过程中测量仪器的输出值，即能够准确测算出目标的表面温度。本发明不仅能够简化测温设备，还能够提高目标的表面温度测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明公开的一种光谱发射率测量装置，主要由镜头和光谱仪或光谱辐射计组成，镜头与光谱仪或光谱辐射计直接连接或通过光纤连接。镜头与光谱仪或光谱辐射计可以直接连接，也可以使用光纤连接。无需其他任何额外的温度测量设备或传感器，仅使用发射率测量所需的、带有镜头的、光谱范围覆盖短波的光谱仪或光谱辐射计作为测量设备，使用3个及以上光谱能量信息，根据普朗克黑体辐射定律建立目标温度与光谱辐射能量的关系，拟合温度T与光谱辐射能量Lλ、和波长λ的关系式，即能够测算出目标的温度，从而获得目标的光谱发射率。
光谱仪或光谱辐射计的光谱范围覆盖短波。
本发明公开的一种目标表面温度准确测量方法，基于所述光谱发射率测量装置实现，包括如下步骤：
步骤1：计算光谱辐射能量Lλ：
通过目标光谱发射率测量过程中测量仪器的输出值Vλ与光谱发射率测量仪器的光谱响应度Kλ和暗噪声Nλ计算得到光谱辐射能量Lλ，如下式所示
其中：
Lλ——为计算得到的目标光谱辐射能量。
步骤2：计算参数y：
由普朗克定律可知
其中：
ελ——为材料的光谱发射率；c1、c2——为第一、第二辐射常数，c1＝3.7418×10- 16W·m2，c2＝1.4388×10-2m·K；
T——为目标温度，单位开尔文(K)。
经过移项、两边取对数等步骤，得到
由于很小，近似为0，忽略之后得到
令则
步骤3：建立拟合多项式：
对于一般金属和非金属，其波长和光谱发射率在一定范围内符合以下公式：
将式(3)带入式(2)，得到
将λ看做自变量，y看做函数值，则可以根据光谱测量数据绘制出λ与y的散点，并根据散点拟合出一条多项式曲线。
步骤4：求解温度：
式(4)中，当λ＝0时，因此该曲线与纵坐标的交点y坐标的倒数即为温度T。
有益效果：
1、与常规的接触式测温方法相比，本发明能够避免内部测点与表面温度由于导热、换热造成的误差难以确定的问题；
2、与常规的辐射式测温方法相比，本发明能够避免目标发射率与测温仪发射率设置不一致导致的测温误差问题。
3、本发明中表面温度与光谱发射率测量的视场严格一致，能够减小表面温度测量与发射率测量视场不一致引入的发射率测量不确定度。
4、本发明能够在不增加测温设备的条件下，准确获得光谱发射率测量中目标的表面温度，减小光谱发射率的测量不确定度。
5、本发明无需任何先验信息，只需要被测目标在可见光到近红外波段范围内具有连续平滑的辐射光谱即可。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本实施例中涉及的光谱仪输出值曲线；
图3为本实施例中涉及的波长λ与y的散点及多项式拟合曲线图；
图4为本实施例中涉及的样品光谱发射率曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如附图1所示，对某合金材料样品的光谱发射率进行测试，样品安装在样品加热炉上，设置加热炉温度为所需温度，在本实施例中，设置为1200℃，由于换热影响，样品表面按温度必然低于加热炉设定温度。将装置镜头对准被测样品中心，样品的辐射能量由镜头收集，光谱仪接收并响应，各个光谱下的输出值为Vλ。
本实施例中，使用的光谱发射率测量仪器为光谱仪，光谱范围为400nm～900nm，光谱仪与镜头通过光纤连接。
根据以下步骤计算目标的表面温度：
步骤1：计算光谱辐射能量Lλ：
通过目标光谱发射率测量过程中光谱仪的输出值Vλ与光谱仪的光谱响应度Kλ和暗噪声Nλ计算得到光谱辐射能量Lλ，如下式所示。光谱响应度Kλ和暗噪声Nλ是光谱仪的固有特性，已通过黑体辐射源标定得到。
该步骤中，测量得到的Vλ曲线如图2所示。
步骤2：计算参数y：
由普朗克定律可知
经过移项、两边取对数等步骤，得到
由于很小，近似为0，忽略之后得到
令则
步骤3：建立拟合多项式：
对于一般金属和非金属，其波长和光谱发射率在一定范围内符合以下公式：
在本实施例中，选取多项式次数为1次，即：
lnε(λ,T)＝a0λ+a1 (8)
将式(8)带入式(6)，得到
将λ看做自变量，y看做函数值，则可以绘制出λ与y的散点，并根据散点拟合出一条多项式曲线，如图3所示。在本实施例中，由于550nm以下波段和850以上响应较为微弱，拟合曲线时使用550nm～850nm之间的波段。
步骤4：求解温度：
式(9)中，当λ＝0时，因此该曲线与纵坐标交点的倒数即为温度T。
在该实施例中，拟合得到的曲线与纵坐标的交点为0.84923×10-3，计算得到的温度T＝1177.5K(904.4℃)。
将测得的光谱辐射能量与同温度下的黑体光谱辐射能量进行比较，得到光谱发射率：
其中Lbλ通过下式进行计算：
其中：
T——为采用本专利方法计算得到的样品表面温度即1177.5K(904.4℃)。
进而测算出样品的光谱发射率曲线(550nm～850nm)如图4所示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光谱发射率测量装置，其特征在于：主要由镜头和光谱仪或光谱辐射计组成，镜头与光谱仪或光谱辐射计直接连接或通过光纤连接；镜头与光谱仪或光谱辐射计采用直接连接或光纤连接方式连接；无需其他任何额外的温度测量设备或传感器，仅使用发射率测量所需的、带有镜头的、光谱范围覆盖短波的光谱仪或光谱辐射计作为测量设备，使用3个及以上光谱辐射能量信息，根据普朗克黑体辐射定律建立目标温度与光谱辐射能量的关系，拟合温度T与光谱辐射能量Lλ、和波长λ的关系式，即能够测算出目标的温度，从而获得目标的光谱发射率；
利用所述装置实现一种目标表面温度准确测量方法，包含以下步骤，
步骤1：计算光谱辐射能量Lλ；
步骤2：计算参数y；
步骤2的实现方法为，
由普朗克定律可知
其中：
ελ——为材料的光谱发射率；c1、c2——为第一、第二辐射常数，c1＝3.7418×10-16W·m2，c2＝1.4388×10-2m·K；
T——为目标温度，单位开尔文(K)；
经过移项、两边取对数，得到
由于很小，近似为0，忽略之后得到
令则
步骤3：建立拟合多项式；
步骤4：求解温度。
2.如权利要求1所述的一种光谱发射率测量装置，其特征在于：所述光谱仪或光谱辐射计的光谱范围覆盖短波。
3.根据权利要求1所述的一种目标表面温度准确测量方法，其特征在于：步骤1的实现方法为，
通过目标光谱发射率测量过程中测量仪器的输出值Vλ与光谱发射率测量仪器的光谱响应度Kλ和暗噪声Nλ计算得到光谱辐射能量Lλ，如下式所示
其中：
Lλ——为计算得到的目标光谱辐射能量。
4.根据权利要求1所述的一种目标表面温度准确测量方法，其特征在于：步骤3的实现方法为，
对于一般金属和非金属，其波长和光谱发射率在一定范围内符合以下公式：
将式(3)带入式(2)，得到
将λ看做自变量，y看做函数值，则能够根据光谱测量数据绘制出λ与y的散点，并根据散点拟合出一条多项式曲线。
5.根据权利要求1所述的一种目标表面温度准确测量方法，其特征在于：步骤4的实现方法为，
式(4)中，当λ＝0时，步骤3得到的多项式曲线与纵坐标的交点y坐标的倒数即为温度T。
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