CN115468661A - 一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，采用黑体炉对辐射测温传感器进行标定，得到系统输入辐射度和输出之间的关系；接着在存在高温背景的测温环境中，对反射辐射进行标定，建立反射辐射与系统输出之间的函数关系；在之后的测温实验中，根据建立的函数关系对系统接收的辐射能量进行修正，并根据辐射测温原理对物体的真实温度进行计算。本发明方法解决了高温背景下的反射辐射对物体测温产生影响的问题，可以有效消除由反射辐射引起的测温误差，实现高精度的温度测量。
Description
技术领域
本发明属于辐射测温技术领域，具体涉及一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，通过实验对反射辐射进行标定，再对辐射测温传感器输入的辐射能量进行修正，有利于提高辐射测温精度。
背景技术
高温测量在军事、科研和工业生产中都具有十分重要的意义，对其测温精度的要求也越来越高。其中辐射测温法凭借其测量温度高、响应速度快、使用寿命长，且不干扰温度场等优点在高温测量中得到了广泛的应用。然而，在高温背景下对物体进行测温时，其他物体发出的热辐射经待测物反射后会引入反射辐射，将导致温度测量误差。如在航空发动机涡轮叶片的测温中，传感器接收到的辐射能量除了待测叶片的热辐射外，还包括邻近叶片和其它热端部件引起的反射辐射。而叶片测温的精度对于运行安全和提升发动机的性能具有重要意义。所以，对于这种在高温背景下利用热辐射原理进行测温的情形，修正反射辐射从而提高测温精度是至关重要的。
目前对于反射辐射的研究中，有学者提出了一种采用双探测高温计，通过处理两个不同波段内热辐射信号的响应，实现对航空发动机内反射辐射测量误差的计算的方法。但该方法要求背景温度随时间恒定，且必须高于被测表面的温度，只适用于极少数的应用场景。此外，大部分研究是通过建立待测物和高温背景表面的数学模型，再求解描述两表面辐射传递关系的视角因子，从而计算待测物表面的反射辐射。然而，这种方法的数学建模过程比较复杂，甚至对于一些非规则表面的情况并不适用，且必须先确定背景温度和发射率才能对反射辐射进行修正。
发明内容
本发明为了解决在高温背景下的反射辐射对物体测温产生的影响，提出了一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，通过实验对反射辐射进行标定，再对辐射测温传感器输入的辐射能量进行修正，有利于提高辐射测温精度。
本发明的技术解决方案如下：
一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在辐射测温实验系统中，利用黑体炉对辐射测温传感器的输入辐射度M和输出电压值V之间的响应函数关系进行标定，通过M＝KV确定传感系统常量值K；
步骤2，针对高温炉中的待测物用所述辐射测温传感器建立待测物总辐射度Mt与输出电压值Vt之间的如下函数关系：
Mt＝KVt；
步骤3，利用热电偶测得所述待测物的温度To，根据普朗克公式，由To计算得到待测物辐射出射度Mo；
步骤4，通过计算待测物的反射辐射Mr＝Mt-Mo，拟合得到待测物反射辐射Mr和电压值V之间的函数关系Mr＝f(V)；
步骤5，在辐射测温中，根据Mr＝f(V)函数关系计算反射辐射，并在辐射测温传感器接收到的总辐射度Mt中减去反射辐射Mr，实现对辐射测温误差的修正。
所述步骤1中的辐射测温传感器为光纤测温传感器。
所述步骤1中的辐射测温实验系统包括数据采集器，所述数据采集器分别连接上位机和辐射测温传感器的输出端，所述辐射测温传感器的输入端可选择连接黑体炉的黑体腔或高温炉中的待测物，所述待测物通过热电偶连接巡检仪。
所述步骤2中的待测物为陶瓷叶片。
所述步骤2包括在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验，利用数据采集器对辐射测温传感器输出的电压值进行记录。
所述步骤3包括在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验，利用热电偶测量待测物表面温度，并记录巡检仪显示热电偶输出的温度值。
所述步骤5包括在对总辐射度修正后，根据辐射测温公式计算，得到被测物的真实温度。
本发明的技术效果如下：本发明一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，与现有技术相比，实验过程简洁清晰、计算简单高效、无需测量背景温度，可以适用于多种测温场景，有效消除了反射辐射的影响，大大提高了测温精度。
本发明一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，首先采用黑体炉对辐射测温传感器进行标定，得到系统输入辐射度和输出之间的关系；接着在存在高温背景的测温环境中，对反射辐射进行标定，建立反射辐射与系统输出之间的函数关系；在之后的测温实验中，根据建立的函数关系对系统接收的辐射能量进行修正，并根据辐射测温原理对物体的真实温度进行计算。本发明方法解决了高温背景下的反射辐射对物体测温产生影响的问题，可以有效消除由反射辐射引起的测温误差，实现高精度的温度测量。
附图说明
图1是实施本发明一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法所使用的实验系统结构示意图。
图2是实施本发明一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法流程示意图。图2中在开始与结束之间包括步骤1，黑体炉标定实验：得到辐射度和输出电压的函数关系；步骤2，反射辐射标定实验：标定反射辐射和输出电压的函数关系；步骤3，辐射测温实验：剔除反射辐射，计算物体真实温度。
附图标记列示如下：1-黑体炉；2-黑体腔；3-陶瓷叶片；4-热电偶；5-巡检仪；6-高温炉；7-光纤测温传感器；8-数据采集器；9-上位机。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法所使用的实验系统结构示意图。图2是实施本发明一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法流程示意图。参考图1至图2所示，一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，包括以下步骤：步骤1，在辐射测温实验系统中，利用黑体炉对辐射测温传感器的输入辐射度M和输出电压值V之间的响应函数关系进行标定，通过M＝KV确定传感系统常量值K；步骤2，针对高温炉中的待测物用所述辐射测温传感器建立待测物总辐射度Mt与输出电压值Vt之间的如下函数关系：Mt＝KVt；步骤3，利用热电偶测得所述待测物的温度To，根据普朗克公式，由To计算得到待测物辐射出射度Mo；步骤4，通过计算待测物的反射辐射Mr＝Mt-Mo，拟合得到待测物反射辐射Mr和电压值V之间的函数关系Mr＝f(V)；步骤5，在辐射测温中，根据Mr＝f(V)函数关系计算反射辐射，并在辐射测温传感器接收到的总辐射度Mt中减去反射辐射Mr，实现对辐射测温误差的修正。
所述步骤1中的辐射测温传感器为光纤测温传感器7。所述步骤1中的辐射测温实验系统包括数据采集器8，所述数据采集器8分别连接上位机9和辐射测温传感器的输出端，所述辐射测温传感器的输入端可选择连接黑体炉1的黑体腔2或高温炉6中的待测物，所述待测物通过热电偶4(热电偶可选用B型热电偶等高精度的热电偶)连接巡检仪5。所述步骤2中的待测物为陶瓷叶片3。所述步骤2包括在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验，利用数据采集器8对辐射测温传感器输出的电压值进行记录。所述步骤3包括在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验，利用热电偶4测量待测物表面温度，并记录巡检仪5显示热电偶4输出的温度值。所述步骤5包括在对总辐射度修正后，根据辐射测温公式计算，得到测物的真实温度。
本发明为了解决在高温背景下的反射辐射对物体测温产生的影响，提出了一种通过实验对反射辐射进行标定，再对辐射测温传感器输入的辐射能量进行修正，进而提高测温精度的误差修正方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：采用黑体炉对传感器进行标定，得到系统输入的总辐射度和输出的电压值之间的关系；在存在高温背景的测温环境中，对反射辐射进行标定，建立反射辐射与系统输出电压值之间的函数关系。之后在测温实验中，修正系统接收的辐射能量，消除由反射辐射引起的测温误差，进一步提升测温精度。
一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，该方法利用的实验装置包括黑体炉(1)、热电偶(2)、巡检仪(3)、辐射测温传感器(4)、数据采集器(5)和上位机(6)。利用黑体炉(1)对传感器(4)输入的辐射度和输出的电压值之间的响应函数关系进行标定；在高温背景的测温环境中，根据巡检仪(3)显示热电偶(2)的温度和传感器(4)的响应函数对待测物的反射辐射进行标定；在之后的测温实验中，减去传感器(4)输入辐射度中的反射辐射，并利用辐射测温公式实现温度测量。
该方法通过实验对高温背景下待测物的反射辐射进行标定，并在测温实验中消除反射辐射的影响。
该方法包括以下步骤：
(1)在高温背景的测温环境中，背景发出的热辐射被待测物表面反射后成为反射辐射Mr，则传感器输入的总辐射度Mt包括待测物的辐射出射度Mo和反射辐射Mr。
(2)对传感器响应函数的标定：利用黑体炉对辐射测温传感器进行标定时，不存在反射辐射，则由黑体炉显示的温度根据普朗克公式可以计算传感器输入的总辐射度Mt，并确定Mt和输出的电压值V之间的关系，得到Mt-V的函数表达式。
(3)反射辐射标定实验：在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验。一方面，利用高精度的热电偶测量待测物表面温度，并记录巡检仪显示热电偶输出的温度值；另一方面，数据采集器对辐射测温传感器输出的电压值进行记录。
(4)计算反射辐射：根据普朗克公式，由热电偶输出的温度值计算待测物的辐射出射度Mo。然后根据步骤(2)中传感器的响应函数Mt-V，由电压值计算此时传感器接收到的总的辐射度Mt。由以下公式对反射辐射Mr进行计算：
Mr＝Mt-Mo
(5)根据步骤(3)中的实验数据和步骤(4)中的计算结果，拟合得到传感器输出电压与反射辐射之间的函数关系Mr＝f(V)。
(6)在待测物的测温实验中，根据Mr＝f(V)函数关系计算反射辐射，并在传感器接收到的总辐射度Mt中减去反射辐射Mr，实现对辐射测温误差的修正，再根据测温公式的计算，测得物体的真实温度。
如图1所示，本发明方法应用的实验系统包括：黑体炉1、黑体腔2、陶瓷叶片3、B型热电偶4、巡检仪5、高温炉6、光纤测温传感器7、数据采集器8和上位机9。以采用石英光纤传感器对高温炉内的陶瓷叶片的测温实验为例，高温炉内的炉壁和作为热源的硅钼棒发出的热辐射被陶瓷叶片反射后将引入反射辐射测温误差。黑体炉内的黑体腔表面涂覆了发射率大于0.99的特殊材料，其辐射出射度作为辐射能量的标定值。石英光纤的数值孔径为0.22，测温距离为3cm，靶点直径为6mm。
一种通过标定实验对反射辐射进行修正的方法，具体步骤如下：
(1)物体发出的热辐射被光纤传感器转换为电压信号，传感器接收的总辐射度Mt和输出的电压值V有如下的函数关系：
Mt＝K·V
式中K为传感系统的一个常量，包括光学透镜的透过率、光电转换器的光谱响应函数及测温面积。
(2)系统的K值可以经过黑体炉测温实验进行标定。因为黑体炉的腔口可看作黑体辐射源，其辐射出射度M可以根据普朗克公式进行计算。利用光纤传感器对黑体腔进行测量时，不存在反射辐射，则可以由黑体炉的温度根据普朗克公式计算其辐射出射度M，同时由数据采集器对传感器的输出电压V进行采集。则可以在上位机端对K值进行计算，得到传感器输入的辐射度和输出的电压值之间的函数关系。
(3)在本发明的一个优选实施例中，测温环境是在高温炉内对陶瓷叶片进行测温。在叶片上布置热电偶，实时测量叶片的真实温度。在反射辐射的标定实验中，由巡检仪对热电偶输出的温度To进行记录，并同样需要用数据采集器记录传感器的输出电压值V。
(4)根据普朗克公式，由To计算得到此时叶片的辐射出射度Mo。由传感器的输出电压值V和系统标定的K值可以计算得到系统接收的总辐射度Mt。则反射辐射可以由以下公式对进行计算：
Mr＝Mt-Mo
(5)根据步骤(4)中计算得到的Mr和步骤(2)中传感器输出的电压值V，可以拟合得到反射辐射Mr和电压值V之间的函数关系Mr＝f(V)。
(6)在高温炉内陶瓷叶片的测温实验中，由传感器输出的电压根据K值计算系统接收的总辐射度Mt，并根据Mr＝f(V)计算此时的反射辐射，此时陶瓷叶片的辐射出射度Mo等于二者的差值，再根据辐射测温公式对叶片的真实温度进行求解，从而消除了反射辐射对测温的影响。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (7)
1.一种通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在辐射测温实验系统中，利用黑体炉对辐射测温传感器的输入辐射度M和输出电压值V之间的响应函数关系进行标定，通过M＝KV确定传感系统常量值K；
步骤2，针对高温炉中的待测物用所述辐射测温传感器建立待测物总辐射度Mt与输出电压值Vt之间的如下函数关系：
Mt＝KVt；
步骤3，利用热电偶测得所述待测物的温度To，根据普朗克公式，由To计算得到待测物辐射出射度Mo；
步骤4，通过计算待测物的反射辐射Mr＝Mt-Mo，拟合得到待测物反射辐射Mr和电压值V之间的函数关系Mr＝f(V)；
步骤5，在辐射测温中，根据Mr＝f(V)函数关系计算反射辐射，并在辐射测温传感器接收到的总辐射度Mt中减去反射辐射Mr，实现对辐射测温误差的修正。
2.根据权利要求1所述的通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，所述步骤1中的辐射测温传感器为光纤测温传感器。
3.根据权利要求1所述的通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，所述步骤1中的辐射测温实验系统包括数据采集器，所述数据采集器分别连接上位机和辐射测温传感器的输出端，所述辐射测温传感器的输入端可选择地连接黑体炉的黑体腔和高温炉中的待测物，所述待测物通过热电偶连接巡检仪。
4.根据权利要求1所述的通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，所述步骤2中的待测物为陶瓷叶片。
5.根据权利要求1所述的通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，所述步骤2包括在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验，利用数据采集器对辐射测温传感器输出的电压值进行记录。
6.根据权利要求1所述的通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，所述步骤3包括在待测物所处的真实高温背景环境中进行标定实验，利用热电偶测量待测物表面温度，并记录巡检仪显示热电偶输出的温度值。
7.根据权利要求1所述的通过标定实验对辐射测温中反射辐射进行修正的方法，其特征在于，所述步骤5包括在对总辐射度修正后，根据辐射测温公式计算，得到被测物的真实温度。
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