激光制造中双光谱测温法发射率的补偿优化

为进一步提高温度测量精度,以激光照射下普通钢的熔池为研究对象,通过对发射率模型的合理假设,实现了双光谱测温系统的补偿优化。测量结果显示,针对普通钢的温度测量时,发射率采用指数模型可以取得很好的测量效果,测量误差在4%以内。同时,在同一种测量条件下将优化后的测温法与传统的比色法测温进行精度比较,证实与比色法相比该方法的误差显著减少。通过对数据处理的误差做定量分析,得出其误差在13~25 ℃之间。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。     

发射率限定辐射测温原理

辐射测温技术随着辐射测量传感器技术的进步而不断进步,已经由单波长测温发展到多波长和多波段测温,由点温测量发展到二维甚至三维温度场测量。但是在辐射测温更精确反演方面,却很难克服因发射率未知性而引起的模型构建误差。发射率行为难以确定并极大地影响了测温精度,急需发展一种具有通用性,不受发射率具体行为限制,具有较高稳定性的辐射测温方法。双波长测温适用于发射率具有灰体行为的物体温度测量,一系列的发射率补偿算法和波长选择方法均未能很好地实现通用性测量,往往直接单色测量可能误差比比色法更小。多波长测温得到广泛应用,但并不是波长越多越好,发射率模型仍然具有较大局限性。提出了发射率直接限定算法和发射率松驰限定算法来反演温度。在发射率限定条件相同时,这两种方法是等价的。发射率松驰限定算法基于最小二乘算法和松驰因子进行真温求解。推导了松驰限定法的误差传递公式,发现在保证测量信号强度的前提下,λT越小温度误差越小;发射率行为对温度相对误差具有重要影响,在相同的λT条件下,发射率随波长变化越大,在限定区间上覆盖越均匀,测量误差越小。但从直接限定算法可以看出所测波长数越多,测量误差越小。两种方法均可以看出,减少限定区间长度也可以显著地提高测量精度。     

氧气顶炉口火焰温度多光谱分析

采用多波长分析方法测量氧气顶回转炉口火焰温度的研究。在该方法中,采用USB4000型光纤光谱仪测量火焰在可见光波长范围内的火焰辐射光谱,结合Levenberg-Marquardt最优化算法,得到火焰温度和单色辐射率变化规律。本文还提出了采用小波神经网络处理多光谱测温数据,该方法可以取消发射率与波长之间的假设模型,是一种获得目标真温及发射率行之有效的方法。网络中隐含层的神经元是由S函数和Morlet小波函数的乘积组合构成,在逼近火焰温度中具有良好的表现。     

连铸坯表面发射率的测量研究

铸坯表面发射率是影响铸坯表面温度测量的一项重要的物理参数。利用辐射能比较测量发射率的方法,研制了一套高温铸坯发射率测量装置,其主要由加热系统、角度旋转系统、温度检测系统、真空控制系统以及背景辐射屏蔽系统等5部分组成。利用该装置测量了GCr15钢在不同角度、不同温度及不同氧化程度下的表面发射率。研究表明:角度增加对发射率的影响具有先增大后减小的变化规律;发射率会随着氧化程度的加深而变大,并且发射率极值点所对应的角度逐渐减小;随着温度的增加,发射率会随之增大,但是当温度超过1000℃后,其对发射率的影响较小。当温度为1000℃以上时,深度氧化的GCr15钢发射率的最大不确定度为0.0205。     

高温物体比辐射率及温度测量系统

本文介绍了一种利用激光作为光源,利用遮蔽板作为标准噪声辐射源,并以８０３１ 单片机为核心实现测量静止及慢速运动的高温物体的比辐射率及温度系统。该系统主要由光学发射与接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。文中还详细介绍了该系统的工作原理与基本结构,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法,分析了各量的测量精度对比辐射率及温度测量精度的影响     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

基于波段带宽的谱段测温的优化测量分析

基于窄波段内普适性的线性发射率模型,采用具有Gauss分布的传感器设计,将三波长(单色)辐射温度测量拓展到三波段(谱段)辐射温度测量,提出了使测量具有最佳温度分辨精度的优化准则。讨论优化测量的主要方式是通过改变Gauss分布的半宽度,实现从单色测量到谱段测量的逐渐递进,因而优化分析从传统的分析波长选择上,过渡到分析波段带宽的选择上。对于特定的辐射情形,依据优化准则,数值模拟结果给出了最佳温度分辨精度的波段带宽(即Gauss分布半宽度)分布。最优半宽度的分析表明,单色辐射测量往往并非是最优测量,文章的分析将给辐射优化测量提供重要的理论指导。     

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。     

多光谱真温快速反演方法

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍,它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度,人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。基于这样的背景,Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论,如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、高温目标的热性能测量、真实温度动态测量等。2005年,孙晓刚提出了二次测量法,二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种,其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题,并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度,但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解,这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。提出了新的多光谱真温快速反演方法,理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组,在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤,这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模,从而节省大量计算时间和软件资源。首先进行了0.400～1.100波段的仿真实验,实验中分别对六种发射率模型...     

一种实时测温系统的反射辐射的抑制与水冷遮蔽板的优化设计

基于Kirchhoff定律,利用半导体激光器及钽酸锂热释电探测器设计了一种实用化的实时测温系统。在介绍系统测温原理的基础上,着重分析了反射辐射对该系统测温精度的影响。提出了利用水冷遮蔽板抑制反射辐射对该系统测温精度影响的方法,对水冷遮蔽板进行了优化设计。分析表明,采用优化设计的水冷遮蔽板之后,在要求的测温范围400～1200℃内,反射辐射对该系统测温精度的影响可以忽略不计。     

Parametric plate-bridge dynamic filter model of violin radiativity

A hybrid, deterministic-statistical, parametric "dynamic filter" model of the violin's radiativity profile [characterized by an averaged-over-sphere, mean-square radiativity (R(ω)(2))] is developed based on the premise that acoustic radiation depends on (1) how strongly it vibrates [characterized by the averaged-over-corpus, mean-square mobility (Y(ω)(2))] and (2) how effectively these vibrations are turned into sound, characterized by the radiation efficiency, which is proportional to (R(ω)(2))/(Y(ω)(2)). Two plate mode frequencies were used to compute 1st corpus bending mode frequencies using empirical trend lines; these corpus bending modes in turn drive cavity volume flows to excite the two lowest cavity modes A0 and A1. All widely-separated, strongly-radiating corpus and cavity modes in the low frequency deterministic region are then parameterized in a dual-Helmholtz resonator model. Mid-high frequency statistical regions are parameterized with the aid of a distributed-excitation statistical mobility function (no bridge) to help extract bridge filter effects associated with (a) bridge rocking mode frequency changes and (b) bridge-corpus interactions from 14-violin-average, excited-via-bridge (Y(ω)(2)) and (R(ω)(2)). Deterministic-statistical regions are rejoined at ~630 Hz in a mobility-radiativity "trough" where all violin quality classes had a common radiativity. Simulations indicate that typical plate tuning has a significantly weaker effect on radiativity profile trends than bridge tuning.     

用热释电探测器实现比色测温

用钽酸锂热释电探测器实现的火焰温度实时测量系统 ,主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。其中 ,光学接收系统主要包括光学接收镜头、调制盘、截止滤光片、窄带干涉滤光片、聚焦透镜及光电转换系统等 ;信号放大与处理系统主要包括前置放大电路、选频放大电路、采样保持电路、模数转换电路及 80 3 1单片机等 ;显示系统主要包括数字显示器、打印机及接口电路等。介绍了该系统的工作原理与基本结构 ,讨论了其中的技术难点及相应的解决方法 ,分析了各量的测量精度对温度测量精度的影响。     

一种高准确度、高可靠的红外光电时刻测量系统

针对靶场试验对测量仪器的准确度及可靠性的特殊要求,开发了一种基于嵌入式PC/104模块和大规模可编程逻辑器件CPLD的红外光电时刻测量系统.介绍了该系统的组成、测量原理及其实现途径.靶场实验结果表明,该系统设计环境适应能力强,能可靠地工作在－35～45℃的环境下;测量准确度高,测时误差小于30 μs.     

用于温差发生器的高精度温度测量与控制系统设计

讨论了用于温差发生器的高精度温度测量与控制的设计与实现。采用PT100铂电阻作为温度传感器,详细推导了非平衡电桥测量非线性的校正公式,采用24位的Σ-Δ型的模数转换器AD7714保证了0.005℃的温度测量分辨率。控温电路采用线性化电流方式,算法上对积分分离PID算法做出改良,并与不完全微分PID算法结合形成一种优化PID算法,能快速、精确的把温差稳定到目标值,控温精度达到0.01℃。     

一种基于BOTDA与FBG传感的共线温度测试技术

根据大型结构全尺度分布式高精度温度测量要求,组合应用布里渊时域分析(BOTDA)技术和光纤布拉格光栅(FBG)温度传感技术,设计了一种由BOTDA分析仪、FBG解调仪、共线传感探头和光开关组成的温度传感测试系统。实验测试证明,该系统具备大范围分布式温度测量与局部高精度温度测量功能,而且实现了BOTDA测温技术与FBG温度传感技术的有效互补,解决了测量范围和测量精度的矛盾问题,并且具有良好的温度重复性,达到了预期的设计要求。该共线测试技术方案在大规模结构温度监测中具有广阔的应用前景。     

基于平行平板的折射率高精度非接触测量

常用的测量折射率的方法如偏向角法、自准直法、临界角法、 V棱镜法等,这些方法通常需特制三棱镜与待测件。待测样品不一致且过程复杂,测试定标周期长,难于自动化。为了保证待测材料的完整及实现自动化测量,进行了基于平行平板的折射率非接触测量的尝试。运用该方法进行折射率的测量,不需特制三棱镜并且待测件与待测样品一致。分析表明,通过选择合适的测量角度,该方法旋转角度精度为a=0.003（即10）,导轨精度为L=0.000 8 mm,平行平板厚度测量精度为d=0.001 mm。     

一种带温度补偿的数字倾斜角测量系统

提出了一种带温度补偿的数字倾斜角测量系统,阐述了系统组成、温度补偿原理和软件设计,采用电子倾角器、A/D转换器、单片机、温度传感器实现了在宽工作温度范围内的倾斜角测量,消除了环境温度变化引起的偏差.系统通过实验验证,达到了较高的测量准确度,并在某项目的水平倾斜角测量系统中得到应用.     

光纤分布式测温系统中基于迭代法的高准确度温度解调算法

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯-斯托克斯双光路比值的温度解调算法,该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差,尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境,实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式,测量了相应的光纤参量,并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证,在0~90℃温度范围,5 km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.