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     

基于多目标极值优化法的多光谱真温反演

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相同,但反演速度大幅增大。借助火箭尾焰的真实测量数据,利用MMO法实现了火箭尾焰真温和光谱发射率的反演。     

多目标普朗克极小值优化法的多光谱真温反演研究

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数,通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁,从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。采用普朗克公式,光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程,这个方程中包含有真温、亮度温度和光谱发射率。对于N个光谱通道可以构成N个方程,这N个方程中也包含一个真温、N个亮度温度和N个光谱发射率,其中亮度温度是已知量,真温和光谱发射率是未知量。由于方程组是欠定的,理论上存在着大量的解。为了求解这个方程组常需要假设光谱发射率与波长和温度之间的数学模型,使方程组未知数的个数降为N个,实现真温的求解。当光谱发射率与波长或温度之间的规律被正确获得后,多光谱辐射测温法才能反演出正确的真温。通过对上述较为常用两种光谱发射率模型的分析可知,这两种方法的基本思想都是试图找到光谱发射率与波长或温度之间的函数关系,确立光谱发射率与波长或温度之间数学模型。用含有波长或温度的表达式代替光谱发射率,实现方程的求解。由于光谱发射率具有一定的不确定性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。光谱发射率与波长或温度之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能获得的,而且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。为了解决多光谱高温计在实际测量中存在的问题,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。为此,将优化的思想引入到了多光谱求解过程中,将多光谱真温的求解问题转化为多目标普朗克极小值优化(MMP)问题,从而不再需要建立光谱发射率与波长或温度之间的数学模型,降低了系统的复杂性与难度。该方法以普朗克公式和光谱发射率之间的等式约束条件为基础,构造了六个目标函数,实现了真温的求解。新方法在反演精度上得到了较大幅度的提高,仿真数据的误差都小于1%。借助于以往的真实测量数据,利用多目标普朗克极小值优化法实现了真温的反演。     

基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法

基于二次测量的多光谱辐射测温反演算法由于无需事先假设发射率模型而受到广泛关注,但需要较长的迭代时间,并且需要设定合适初始温度和发射率范围。为此提出了基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法。将二次测量法中发射率连续迭代转变为发射率偏差约束后迭代,拟合了光谱发射率偏差和温度偏差之间的函数关系,依据此函数关系确定每次迭代所产生的发射率偏差,从而迅速减小发射率搜索范围,提高计算效率。针对四种光谱发射率模型的仿真结果表明,与二次测量法相比,新算法无需设定温度初值范围,在保证反演精度的前提下,运算效率提高60%以上。     

基于发射率温差模型的多光谱辐射测温理论研究

对于辐射测温数据的处理过程实质就是要解决光谱发射率与真温之间的关系。如果假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率模型不符,则会造成较大的测温误差。因此,如何减少光谱发射率和真温对测量模型的依赖程度进而使算法具有一定的通用性,是该领域亟待解决的主要问题之一。提出的算法无需预先假定的发射率与波长之间的模型关系即可找出求解出光谱发射率和真温。通过仿真和实验验证结果表明,使用该算法可以求解出一个相对合理的光谱发射率和满足一定精度要求的真温。算法简单、可靠、具有一定的通用性,适合光谱发射率和真温的测量。     

多光谱高温计有效波长标定方法研究

针对光纤式多光谱高温计波长标定中由于光纤耦合导致信号太弱而无法获得有效波长的问题,基于普朗克定律,充分结合不同标定温度点的标定值的比值,提出了一种由温度标定数据来确定有效波长的方法。相比于传统的有效波长标定方法,新方法避免了耗时复杂的波长标定过程可以快速获取有效波长。分别采用仿真和实验两种手段来验证新方法的可行性和有效性。仿真结果表明所提出的新方法可行并且具有一定的抗随机误差能力,所得有效波长计算的真温值与实际值的相对误差小于0.7%。实验结果表明提出的新方法能够得到各个通道的有效波长值,进一步验证了该方法的有效性。所提出的新方法也可应用于其他多光谱高温计,为多光谱高温计的研制和应用提供了理论基础。     

一种红外光谱发射率测量装置的研制

研制了一种利用对称双光路比对法测量材料表面光谱发射率的装置,该装置采用多光谱辐射测温技术测量材料表面温度,解决了不规则材料表面温度难以精确测定的问题,实现了材料表面半球发射率和表面温度的同时测定。     

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。     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制

研制了一种可用于大型爆炸现场的、测量爆炸火焰真温的多目标多光谱温度计.此温度计在爆炸的瞬间,同时对棱镜分光后的多个光谱带下的爆炸火焰辐射能量进行采集,利用二次测量法得出爆炸火焰的真温及发射率.在光路中采用了光纤远传技术和光纤耦合技术,极大程度上解决了仪器核心部分的防震、防爆、防电磁干扰的问题.采用高速采集和多级放大解决了爆炸时间短、温度变化剧烈、信号难于采集的问题,同时采用无线远传的结构保证了工作人员的安全.     

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。     

Measuring normal spectral emissivities of niobium by a pulse-heating technique: 1000 K to the melting point

The normal spectral emissivity of niobium strip specimen is measured using a new pulse-heating reflectometric technique. The hemispherical spectral reflectivity of the surface of a strip tangent to an integrating sphere is determined by a high-speed lock-in technique. At the same time, the radiance temperature of the strip is measured by the multi-wavelength high-speed pyrometer from approximately 1000K to the melting point. Details of the measurement method and of the related calibration techniques are reported. Results of the normal spectral emissivity of niobium at 633, 753, 827, and 905 nm from room temperature to its melting point are presented. The accuracy of spectral emissivities is estimated better than 5%.     

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。     

Quantitative study of the temperature dependence of normal LWIR apparent emissivity

In a previous work, a method of measurement of apparent emissivity in situ was implemented. This approach has the decisive advantage of being suitable for any commercial infrared systems. It was tested successfully to characterize the normal LWIR apparent emissivity of an aluminium nitride plate in the temperature range [40–550 °C]. Apparent emissivity exhibits a tight temperature dependence. By using the classical model of apparent emissivity and taking into account the spectral emissivity of aluminium nitride ceramic and the spectral response of the IR sensor, we modelled our apparent emissivity measurement with 5% of accuracy and with dispersion better than 1% within the overall temperature range. The effect on the apparent emissivity of both the detection window and the temperature dependence of the spectral emissivity are highlighted.     

Simple method for calculating the local effective emissivity of the blackbody cavity as a temperature sensor

A blackbody cavity is used as a temperature sensor for measuring the average temperature of the molten liquid. Due to the deviation of fabrication and installation, the detector usually receives the radiation from the different regions of the measuring cavity, so the local effective emissivity distribution is an important parameter to evaluate the measuring temperature discrepancy of a blackbody cavity sensor. We introduced the net-radiation method into the finite element method and extended it to calculate the local effective emissivity of blackbody cavities. It was applied to three typical cavities, and the calculated results are in very well agreement with those in references. This method is simple, easy to use, replicable, and very suitable to evaluate and design a novel cavity.     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。     

荧光余辉光纤测温中的数据处理

根据荧光光纤温度传感器的理论基础和现状,针对荧光余辉时间常数提出了两种数据处理方法,并对这两种数据处理方法进行了建模和分析,以便在不同情况下选用不同的方案。     

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。     

Experimental study of the relationships between the spectral emissivity of brass and the temperature in the oxidizing environment

Effect of surface oxidization on the spectral emissivity of brass is studied over the temperature range from 800 to 1070 K at the wavelength of 1.5 μm. The temperature of brass surface is measured by averaging the two R-type platinum–rhodium thermocouples. The radiant energy emitted by the brass surface is received by an InGaAs photodiode detector. Two kinds of relationships between the spectral emissivity and the temperature are investigated in the oxidizing environment at the elevated temperature. One is the variation of spectral emissivity with the heating-duration time at the given temperature. The other is the variation of spectral emissivity with the temperature at the given heating-duration time. The interference effect of radiation coming from the brass surface and coming from the oxidization film is discussed when the oxidation film on the surface is grown. The resonant structures of spectral emissivity are observed during the whole heating period, in particular at the early stage of heating duration. The analytic formula of spectral emissivity versus the temperature is derived at the heating-duration time of 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270 and 300 min, respectively. The conclusion is obtained that coefficients of analytic expressions between the spectral emissivity and the temperature are different from each other for the experimental results obtained at the different heating-duration time, though the polynomial functional form is suitable to fit all the measurements obtained in the present work.