多光谱测温技术课程报告

我们毕业啦其实是答辩的标题地方多光谱测温技术报告人1哈工大自动检测与过程控制系统研究所学号2016/12/8辐射测温概述多波长辐射理论多波长高温计概况典型方案多波长高温计应用结论与展望CONTENTS2哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8辐射测温概述3哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8温度是确定物质状态的最重要参数之一4哈工大自动检测与过程控制系统研究所输电线路测温实验室温度监控冶金温度测量火箭羽焰温度测量2016/12/85哈工大自动检测与过程控制系统研究所12接触法：如利用热电阻和热电偶非接触法：以辐射测温法为主测温方法2016/12/8在仪器制造方面，辐射温度计的发展经历了以下几个阶段：隐丝式光学高温计阶段；用光电倍增管作为检测器的光电高温计阶段；以及用硅光电二极管作为检测器的光学测量及光电精密辐射测温阶段。6哈工大自动检测与过程控制系统研究所辐射测温2016/12/87哈工大自动检测与过程控制系统研究所由于光谱发射率的影响，辐射测温法无法测量到物体的真实温度，只是分别为亮度温度、颜色温度、辐射温度等。若想知道被测目标的真实温度，就需要对上述温度进行发射率修正，以往所采用的方法主要有6种：发射率修正法、逼近黑体法、辅助源法、偏振光法、反射信息法以及多光谱辐射测温法。“”2016/12/88哈工大自动检测与过程控制系统研究所发射率修正收集辐射反射法2016/12/89哈工大自动检测与过程控制系统研究所发射率修正特制试样法2016/12/810哈工大自动检测与过程控制系统研究所发射率修正辅助源法2016/12/811哈工大自动检测与过程控制系统研究所发射率修正Murray等偏振光辐射温度计2016/12/812哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射测温多光谱(多波长)辐射测温法(MultispectralRadiationThermometry)是七十年代末才发展起来的非接触测温方法，它可以同时测量目标的真实温度及材料光谱发射率。在高温材料、复合材料及烧蚀材料的温度及热物性测试方面极有前景的方法。多光谱测温法是在一个仪器中制成多个光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息，再对得到的数据处理而得到物体的温度和材料光谱发射率。2016/12/813哈工大自动检测与过程控制系统研究所与前述5种方法相比，该方法不需辅助设备和附加信息，对被测对象亦无特殊要求，因而特别适合于高温、甚高温目标的真温及材料发射率的同时测量。尽管其理论还不够完善，但在已有的应用实践中已表现出了极好的发展前景。“”2016/12/8多波长辐射理论14哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/815哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论1900年普朗克用量子理论的概念推导出了黑体辐射能量的热辐射定律(普朗克定律)，该定律描述了黑体辐射能量与其辐射波长和温度的关系，真空中其表达式如下：2016/12/8512(,)exp[c/()]1bcETT——黑体的光谱辐射力[W/(m2·μm)];λ——单色辐射波长，[K];c1——第一辐射常数，c1=2πhc02=3.741832·108[W·μm/m2];c2——第一辐射常数，c2=hc0/k=1.4388·10-4[μm·K](,)bET16哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论根据Planck定律可以得到不同温度下黑体的辐射力随波长变化的分布，如下图所示，辐射力随波长的增加先变大后变小，在某一波长处出现一个峰值，对于温度不同的物体，峰值波长的大小也有区别。2016/12/8512(,)exp[c/()]1bcETT17哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论对普朗克定律在全光谱波段内对波长进行积分就可以得到斯特藩-玻尔兹曼定律：2016/12/854102(T)exp[c/(T)]1bcEdT式中：σ——斯特藩-玻尔兹曼常数，σ=5.67·10-8[W/(m2·K4)]在一定条件下，上述黑体的光谱辐射力随波长分布可以近似为：551122()exp[/()]1exp[/()]bccETcTcT,18哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论此式即为1893年有维恩提出的维恩分布定律，根据维恩位移定律还可以求出辐射力峰值波长和温度的关系：λm·T=b式中λm——辐射力峰值波长，[μm];T——绝对温度，[K];b——常数，b=2897.8[μm·K]2016/12/8551122()exp[/()]1exp[/()]bccETcTcT,19哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论现有基于亮度温度的多光谱测温法的数学模型，如果多波长温度计有n个通道，则第i个通道测得的亮温Ti与目标真温T的关系为2016/12/8211ln(,)iiiTTTc在实际测量前，此种方法需要事先标定好各通道的亮温方程，标定亮温的过程不仅很费时间，而且又等于增加了一次误差积累过程，亮温标定的准确与否会直接影响目标真温及光谱发射率的计算结果。下面介绍一种在仪器标定方面既简便，目标真温及光谱发射率的计算结果又更精确的数学模型。20哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论如果多波长温度计有n个通道，则第i个通道的输出信号Vi可表示为：2016/12/8为了便于处理，将上式改写成下式，即用维恩公式来代替普朗克定律：521(,)(exp1)iiiiiVATcT52(,)expiiiiicVATT21哈工大自动检测与过程控制系统研究所多光谱辐射理论2016/12/8在多波长辐射测温学领域被普遍承认的一种假设是认为光谱发射率随波长的变化而变化，可表达如下：ε(λ)可以用含有(n-1)个可调参数的波长函数代替，对于n个不同波长下的辐射通量进行测量，因而可以解出(n-1)个可调参数以及目标真温T。目前一些著名的假设方程有：ln(,)Tab0ln(,)(2)miiiTamn01(,)Taa011(,)[1sin()]2Taa201(,)exp[()]Taa多波长高温计概况22哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/823哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8•1954年Pyatt首先制成三波长辐射温度计。•1964年Reynolds正式提出多波长测温的概念和理论。到70年代末兴起了多波长测温技术研究热。•1979年Cashdolar亦研制成三波长高温计，在0.8、0.9及1.0μm三种工作波长下测量火焰及爆炸粉尘的温度，测量上限为2000K。同时还可用更换滤光片方法形成4波长乃至6波长高温计。同年Svet等也研制成功了4波长高温计，用以测量物体表面的真温，测量范围为300~3000K。与此同时，Lyzenga制成了6波长高温计，采用硅光电二极管作为0.48~0.8μm波长范围内的检测元件，用以测量高压及冲击波后的物体真温，测量范围为4000~8000K，精度为2%。24哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8•1980年Gardner及Jones等研制成功了6波长高温计，工作波长为0.75~1.6μm，测温范围为1000~16000K，精度为1%，并与比色高温计作了比较。•1982年欧共体Babelot及美国Hoch等人继续研制多波长高温计，主要用于高温耐火材料热物性的快速动态测量，在5000K时分辨率为5K，并拟向10000K方向继续研究。•1986年欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人研制成功亚毫米级的6波长高温计，用于2000~5000K温区内真温测量；其测量精度为0.5%，发射率测量精度为1~5%。25哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8•1991年美国Cezairliyan等人制成了6波长高温计，用于铌、钨、钼等金属凝固点辐射温度的测量。同年，戴景民教授与Ruffino合作，研制成了棱镜分光式35波长高温计，并用于烧蚀材料的真温测量。典型方案26哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/827哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8滤光片阵列分光式多波长高温计Gardner等人于1980年研制了滤光片阵列分光式多波长高温计，其结构框图如图所示。28哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8光导纤维束分光式多波长高温计图为Hiernaut等人研制的6波长高温计的光学和电路部分示意图。29哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8半反半透分光式多波长测温装置此类仪器大都出现在早期，因为易在光机平台上组合得到，图8示出了Rodousky等人建造的快速紫外(可见光)六波长测温装置。30哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8上述三种典型仪器分别代表三种不同的分光方案，他们相互比较有以下的缺点：第二、三种仪器最后抵达探测器的能量(不考虑滤光片衰减)只是目标能量的n(通道数)分之一，这不利于提高仪器的信噪比；三种方案都要使用干涉滤光片，能量进一步衰减，另一方面，滤光片的引入，其透过率随温度、湿度及时间变化，造成仪器不稳定；大部分仪器尚属于实验装置，无法满足各种应用场合；现有仪器最多波长数为六个，适用性及可选择性比较差。“”31哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8棱镜分光式多波长高温计经过比较和分析，戴景民教授与Ruffino于1991年合作研制成功了用棱镜分光及应用硅光电二极管阵列接收光谱能量的微机化仪器方案，原理图如图所示。32哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8棱镜分光式多波长高温计经仔细计算与比较最后光学系统如图10所示。L1为主物镜，FS为视场光栏，L2为准直物镜，P为组合色散棱镜，L3为暗箱物镜，M1为平面反射镜，M2为可移动平面反射镜，DA为光电探测器阵列，G为分划板，L4为目镜。33哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8棱镜分光式多波长高温计该仪器有以下特点：能量损耗小，易于向低温发展；取消了传统仪器中的干涉滤光片，消除了因干涉滤光片老化，随温度、温度漂移造成的不稳定性；结构简单，易于产品化。仪器在当时已经小批量生产，且发展了系列仪表。Coppa和戴景民教授应用该仪器测量了脉冲加热下的仪器动态特性。多波长高温计应用34哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/811986年Hiernaut等人应用他们研制的6波长高温计对钨、钽、钼的熔点温度和光谱发射率进行了测量。实验中，应用脉冲加热法在瞬间把金属试样加热至熔点，采用多波长高温计及相配的快速数据采集系统进行测量和数据采集。1981年Gardner等人应用他们研制的6波长高温计测量了一系列金属表面的真温，采用非线性拟合技术拟合温度。所得结果与最短两个波长构成的比色温度计的测量结果做了比较。21993年戴景民教授应用棱镜分光式多波长高温计测量地面模拟烧蚀系统中烧蚀材料温度。在严重烧蚀、剥离和烟雾及粒子影响下，温度测量精度优于l%，发射率测量精度优于5%。335哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8结论与展望36哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/837哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8多波长高温计是一种新的测温仪器，需要有一个发展与完善的过程。特别在理论方面，它是采用假定的波长与发射率的函数关系，带有一定的盲目性，还需进一步研究各种材料发射率和波长之间函数曲线，找到一个适合所有材料或一类材料的函数模型，另外，对上面的理论还需要实验验证。多波长高温计在辐射真温测量中已显示出很大潜力，在高温、甚高温、特别是瞬变高温对象的真温测量中，多波长高温计是很有前途的仪器。“”谢谢大家！38哈工大自动检测与过程控制系统研究所2016/12/8