一种多光谱高温计无源温区的标定方法研究

目前,高温测量中,多光谱高温计具有高分辨率与高信噪比的优点,但无源温区(大于3 000℃)标定方法的发展却远滞后于多光谱高温计制造水平,并已严重影响高温计的测量精度和应用范围。为突破高温测量领域中无源温区标定方法的瓶颈,文章提出了一种多光谱高温计无源温区的标定方法。此方法利用已知温度点的多光谱高温计的输出电压U建立了一种基于幂函数的温度-电压(T-U)模型。在此基础上应用导数最小二乘法对模型参数求解,实现对无源温区的标定。理论和实测数据都验证了此方法的有效性与精度。在多光谱高温测量应用的光谱范围(0.4～1.1μm)内,对精度优于3‰,1%和3%的无源温区标定范围做出理论上的划分。     

用于固体火箭羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173 K(900 ℃),不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700 K)。为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173 K以下羽焰真温的问题,研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法,并且创建了基于对数函数的900~1 173 K温区的温度标定方法,从而拓宽了高温计的温度测量范围。针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量,实验结果验证了该高温计的有效性。     

光谱辐射照度量值复现中计算大口径固定点黑体拐点温度的新方法

我国光谱辐射照度基准量值复现的理论基础是普朗克定律,它揭示了波长、温度和光谱辐射照度之间存在着精确的定量关系。采用比较法、通过卤钨灯来进行光谱辐射照度量值的保存与传递。其中,黑体的温度测量在量值复现中是最主要的不确定来源。以往都是采用变温黑体作为量值复现的辐射源,其温度通过高温计溯源至温标固定点黑体。为满足我国对地观测、气象遥感、应对气候变化、海洋水色等领域对光谱辐射照度高精度的测量需求,中国计量科学研究院NIM建立了一套14 mm大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体系统,作为基准辐射源直接复现光谱辐射照度量值,进一步缩短了量值溯源链,减少了温度测量误差。实验中高温计用来测量黑体的相对温度,采用固定点熔化温坪曲线的拐点POI值校准后得到温度绝对值。因此拐点POI的合理评估计算就十分重要。与小口径WC-C固定点黑体不同,大口径固定点的熔化温坪曲线的持续时间更长,但温度起伏也更大,因此广泛用于小口径固定点的传统拐点POI算法不再适用。提出了一种可筛选多次拟合法,用于计算大口径固定点黑体的拐点温度。采用3 mm小口径WC-C和Re-C固定点对新方法的有效性进行验证,结果表明新方法与三种传统方法的平均值的最大偏差为-0.007和-0.001 K,在500 nm引入的光谱辐射照度测量误差分别为0.002 2%和0.000 3%。进一步采用14 mm大口径WC-C大口径固定点对新方法的稳健性进行验证。分析比较了筛选条件、数据平滑处理、拟合范围对拐点POI计算结果的影响,新方法和三种传统POI计算方法的最大影响量分别为0.001和0.633 K,在500 nm引入的光谱辐射照度不确定度分别为0.000 3%和0.20%。所提出的新方法能够有效减小外界因素引入的温度误差,进一步提升光谱辐射照度量值的复现准确度,更适用于大口径高温固定点黑体拐点温度的计算。     

一种测量金属熔点温度和法向光谱发射率的多光谱数据处理方法研究

金属熔点温度和法向光谱发射率数据是国际上对电流脉冲加热技术测量材料热物性参数的关键比对点。针对连续测量金属熔点附近温度的特点,提出了一种新的发射率假设模型,并在此基础上提出了一种新的多光谱高速高温计的数据处理方法。该方法只需使用多光谱高速高温计作为测量装置,通过处理两个不同时刻多光谱高速高温计的测量数据,由计算可同时获知两个时刻的真温及光谱发射率。经对国外的标准铌试样进行了测试,所得数据与国外同行的测量数据进行了比对,具有较好的一致性,实验结果表明,熔点真温计算值与生产者提供的值之差在±20K以内。     

两种多光谱高温计无源温区标定方法抗随机误差能力研究

两种多光谱高温计无源温区标定方法,即依据图形相似性原理的标定方法和依据高温计传递函数的标定方法。为验证两种方法的实用性,通过对黑体辐射出度加入不同大小的随机误差模拟不同测量精度的多光谱高温测量系统,对这两种方法的抗干扰能力进行了研究。实验结果证明,依据图形相似原理的标定方法具有强抗随机误差能力,适用于随机误差较大的测量系统。当随机误差很小时,其精度低于依据传递函数的标定方法,但当随机误差增加到一定范围,其精度远高于后者。基于高温计传递函数的标定方法虽在一定的随机误差范围内具有高的外推标定精度,但抗随机误差能力较弱,适用于随机误差小的测量系统。     

具有波长标定功能的多模光纤温度传感器

给出了基于宽谱光源问讯的具有波长标定功能的多模光纤温度传感器理论分析,指出光谱中凹陷所对应的特征波长位置是由多模光纤中激励起的多个传输模式再次耦合到引出单模光纤中进行干涉决定;特征波长由多模光纤的芯径、长度、纤芯和包层折射率决定.利用提出理论对光源光谱ASE的光谱范围中出现的特征波长的个数进行了分析模拟,并优化设计了只出现一个特征波长的多模光纤温度传感器,制作了三个长度分别约为4 cm,5.5 cm和10 cm的只有一个特征波长的多模光纤温度传感头,利用毛细玻璃管进行了封装, 并利用分辨率为0.01 nm的光谱分析仪进行了温度测量实验,发现温度与特征波长漂移的线性关系约为13 pm/℃.     

多光谱辐射瞬态高温测温计的研制

在现代动力学发射系统中,在强电磁场激发下瞬间产生的等离子体的火焰辐射温度对飞行目标运动状态以及动力系统轨道烧灼情况有着重要的影响。针对该情况下火焰不仅温度极高,而且其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再使用,而基于光学高温计和CCD成像阵列等非接触式测温方法也无法响应瞬态过程。文章以经典的普朗克黑体辐射定律作为理论基础,结合多波长光谱辐射方法,研制了新型的多光谱辐射瞬态高温测温计。该高温计可以对目标产生的从300～860nm的波段内任意波长光谱的提取,最快响应时间可达到2ns。通过采用高分辨率衍射光栅和光纤连接的方式,保证多光谱提取的准确性。实验结果表明,利用目标发出的多光谱辐射测温与高速响应光电探测器件相结合的方法能够测量得到动力发射目标表面辐射温度分布的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制——现场实验与测量精度分析

研制了可用于大型爆炸现场的、 测量爆炸火焰真温的多光谱温度计(量程为800~3 500 ℃,波长范围为0.6~1.1 μm)。测量原理进一步改进,加入亮温逼近法解决了二次测量法初值选取困难的问题,并应用此高温计在空旷场地对3 kg TNT炸药爆炸的全过程进行测量。通过实验结果的分析可知,此高温计可以测量爆炸火焰真温变化全过程,对波阵面瞬时温度与燃烧火球温度的测量均具有很好的效果。同时,分析了影响此高温计测量精度的各个因素,得出目前制约多光谱高温计测量精度提高的主要因素仍然为真温算法及标定方法的误差,这为今后研制高精度高温计明确了方向。     

基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演

多光谱辐射测温法是一种能够反演出辐射体真实温度(真温)的非接触式的温度测量方法,这种方法通过采集不同波长下被测目标的亮度温度信息,利用相关的算法反演被测目标的真温,多光谱高温计就是利用这种方法反演被测目标真温的最重要的测量工具之一。经过近半个世纪的不懈努力与探索,国内外众多学者在此领域取得了长足的进步。由于光谱发射率都小于1,因此采用辐射高温计不能直接测量得到被测目标的真温,只有通过处理多个光谱通道的波长和亮度温度,利用多光谱辐射测温数据的处理方法才可以获得被测目标的真温。在真温的反演的过程中,一般都需要找到光谱发射率与波长或温度等变量之间的函数关系,用含有波长或温度等变量的表达式代替光谱发射率,这类方法模型选取缺乏足够的理论支持,对于非专业人员,选择合适的光谱发射率模型存在一定的难度。由于光谱发射率具有瞬时多变性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间往往存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。另外,光谱发射率与波长或温度等变量之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能确定,这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。因此,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。对于多波长高温计的N个光谱通道,每一个光谱通道的测量数据满足一个数学方程,对于N个光谱通道可以构成一个欠定方程组。为了求解这个方程组,将优化的思想引入多光谱求解过程中,提出了一种基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化问题,实现了无需假设光谱发射率模型的真温和光谱发射率的反演。与传统的二次测量法相比,新方法在反演精度上与二次测量法大体相同,但在反演速度上得到了较大幅度的提高。借助于以往学者测量的真实数据,利用基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法实现了真温和光谱发射率的反演。新方法在反演速度上得到了较大幅度的提高,借助于以往的固体火箭发动机羽焰温度真实的测量数据,利用基于参考温度的多目标极小值优化方法实现了真温的反演。     

一种新型光纤高温计的研制

 基于国产GDB159/142光电倍增管（PMT）,采用光纤传输并结合二向色分光原理研制了高速光学高温计系统,测量波长覆盖340～811 nm,响应时间2～3 ns,可测量2 500～15 000 K的冲击温度。脉冲线性检测结果表明,6个通道的动态线性均大于200 mV（50 Ω负载）。给出了溴钨灯光谱辐照度标定方法和动态应用实例。     

用于真空弧等离子体放电阴极温度场测量的多光谱高温计

阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数,对真空弧等离子体的形成、电极腐蚀预测、热传导以及离子源的寿命都有重要影响。真空弧离子源的阴极具有目标小,放电过程快等特点,其温度的测量,对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高,阴极表面温度的测量技术的欠缺,使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响,如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。这无疑给其温度场的测试研究带来困难。针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义,在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求,本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。该高温计采用单色高速CCD相机,主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温,设计了高温计的光学系统,该系统采用4孔径分光系统。将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。该研究设计的高温计可用于2 000~6 000 K的等离子体温度测量。并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试,测试过程中将研制的高温计,通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄,高温计完全拍摄到等离子体放电过程。利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。实验结果表明,设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息,测量的温度值低于放电电极的沸点温度,与等离子体放电过程中出现气化现象相符,说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。     

多光谱多点标定的CCD二维温度场重建方法的研究

以多光谱技术作为基础,针对CCD二维温度场测量的特点,提出了彩色CCD二维温度场多光谱真温在线多点标定系统。通过对多光谱辐射测温理论和CCD的测量模型的分析,推导出气体燃烧时的真温与CCD亮度之间的近似关系。使用多光谱多点测温技术计算出多点的发射率和真温并使用这些真温值完成CCD面阵上与之对应点的真温标定。将该真温标定系统应用于CO₂激光焊接火焰的二维温度场测量过程中,不但得到了波长与光谱发射率之间的变化规律同时也得到了CO₂激光焊接火焰的二维真温分布图。研究提出的多光谱标定技术具有实时性、灵活性的特点, 是一种可行的CCD在线真温多点标定与测量的方法。     

Application for optical thermometers calibration based on virtual instruments

In this paper we present a new developed application for calibration of optical thermometers which is implemented in the Serbian Metrology Institute. The method for calibration of optical thermometer–pyrometer is based on measuring blackbody temperature via thermocouple standards and measuring voltage on pyrometer in temperature range from 550 to 1650 °C. The objective is to precisely determinate calibration curve of pyrometer—transfer function. The metrology traceability was realized through thermocouples standard which has traceability to the international standard. A developed application has a role to control and supervise calibration process. Based on virtual instruments (VI), application offers monitoring measurement parameters in real time on three charts. The main advantage of the developed VI application is reduction of measurement uncertainty of type A by increased accuracy with multi—temperature measurement up to 3 thermocouples on temperature equilibrium in the measurement system and automatic data processing by converting voltage to temperature, calculating the mean value and standard deviation of the mean value. Advantage is also reflected in permanent data logging while application is running and low cost and user friendly interface One of the goals is to improve quality of metrological services through this application and support the establishment of a traceability chain to SI.     

一种测量发光火焰温度的数据处理方法研究

火焰温度是燃烧诊断的重要参数之一,它对研究各种燃烧过程具有重要价值。根据多光谱辐射测温所用的参考温度数学模型,提出了一种基于遗传算法的新的数据处理方法。该方法对火焰发射率与波长的关系依次进行了三点直线拟合,并通过遗传算法进行了优化,从而得到了发光火焰的温度和发射率。采用多波长高温计测量了某种固体推进剂燃烧火焰的自辐射光谱,并进行了数据处理。计算结果表明:火焰温度计算值与理论值之差在±100K以内;这种基于遗传算法的新的数据处理方法是测量发光火焰温度的一种可行性方法。     

错位光纤干涉激光谱结合BP神经网络的温度传感研究

在分析不同温度时单模错位光纤干涉光谱对应波长的条件下,搭建三层BP神经网络模型对温度传感进行研究,解决了常规光纤测温系统复杂和精度不高的问题。对建立的网络模型参数进行探讨,将采集的激光波长与对应的温度数据,经BP神经网络训练,对比得到最佳网络结构,达到在训练完成的网络输入层输入激光波长值时,便可在输出层得到对应的温度预测值。结果证明,实验输出的预测温度值与实际温度值之间表现出明显的相关性,即预测值能够逼近实测值。温度校正和预测相关系数分别达到0.999 61和0.979 27,校正标准误差与预测标准误差分别为0.017 5和0.144 0,得到预测集的平均相对误差为0.17%,剩余预测误差RPD可达到5.258 3,RPD大于3.0,说明定标效果良好,所建模型可用于实际的检测。另外,将该算法用于了带校正的双耦合结构单模错位光纤测温系统中,结果表明BP神经网络方法能够较好的处理错位光纤测温系统中激光光谱数据和温度之间的非线性关系,预测温度值与实测温度值之间的相关度为0.996 58,得到预测温度值与实际温度值之间平均相对误差为0.63%,从而提高了光纤测温传感器的精度和稳定性,同时也验证了该算法在光纤传感上的可行性,也为错位光纤的压力、曲率等其他物理量传感的精确测量提供了新思路。     

可同时测量真温及光谱发射率的8波长高温计

基于提出的新的多光谱测温法的数据处理方法 ,研制了一种可以自动识别目标真温及光谱发射率的新型多波长高温计。其光路系统采用棱镜分光技术 ,克服了以往用光导纤维分光、干涉滤光片限定工作波长的缺点 ;数据采集系统采用 SA6 8D2 2模块 ,可以实现数据的无线传输。基于提出的新的发射率假设模型 ,使得此多波长高温计可用于大多数工程材料的目标真温及光谱发射率的测量