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一种双波长辐射测温装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术，尤其涉及一种无需进行比色求解而适用于具有非灰体特征物体表面温度测量的装置及方法。

背景技术

在石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃、电厂等工业生产领域，基于辐射测量的测温仪器具有巨大的市场需求和广阔的应用前景。在这些应用领域，传统的热电偶接触式测温手段，由于测量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被更低价、性能更稳定的非接触光学测温设备所取代。多波长测温信噪比低，发射率行为难以确定，温度反演稳定性差，单色测温在未知发射率条件下测量误差可能较大。基于双波长辐射测量的比色测温方法具有二者的优点，但仅局限在灰体表面温度的测量。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种无需进行比色求解而适用于具有非灰体特征物体表面温度测量的装置及方法，以克服多波长测温、单色测温和比色测温方法应用的局限性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种双波长辐射测温装置，其特征在于：包括光学镜头、半透半反分光系统、单色滤色片a、传感器a、数据采集分析单元及误差评估系统、传感器b和单色滤色片b；

光学镜头用于将待测物体的辐射光束聚焦于半透半反分光系统，半透半反分光系统包括半透半反分光片，半透半反分光片用于将辐射光束分成透射光束和反射光束，单色滤色片a用于矫正透视光束色彩偏差，单色滤色片b用于矫正反射光束色彩偏差，传感器a用于接收透过单色滤色片a的透视光束并生成光辐射测量信号，传感器b用于接收透过单色滤色片b的反射光束并生成光辐射测量信号，数据采集分析单元及误差评估系统用于采集传感器a和传感器b生成的光辐射测量信号，然后根据光辐射测量信号计算待测物体的温度数值，并对温度数值误差进行预测评估。

进一步的，所述半透半反分光系统还包括用于准直透射光束和反射光束的准直器。

根据上述双波长辐射测温装置的双波长辐射测温方法，包括以下步骤：

步骤1、松驰逼近

所述待测物体的辐射光束通过光学镜头和半透半反分光系统后分成透射光束和反射光束，透射光束通过单色滤色片a被传感器a接收，反射光束透过单色滤色片b后被传感器b接收，传感器a和传感器b生成的光辐射测量信号为：

其中Ki是仪器常数，通过辐射定标确定，εi为待测物体的光谱发射率，εi的限定区间为[0.3,1]，λi是测量波长，C1是第一辐射常数，C2是第二辐射常数，Ttrue为未知的待测物体表面真实温度，i＝1,2，1、2表示两个波长下辐射测量通道；

透射光束和反射光束的辐射强度可以表示为：

将方程(2)变形为：

当使用维恩近似并且待测物体的光谱发射率接近于1时，可以认为C2/λiTtrue＞＞lnεi，因此将极小值项忽略，方程(3)表示为：

其中，Tbt是最小二乘温度，Tbt是Ttrue的近似值；

使用最小二乘方法可求得最小二乘温度Tbt，基于最小二乘温度Tbt，可反求波长λi处的光谱发射率：

εbti＝Iiλi5(exp(C2/(λiTbt))-1)/C1 (5)

方程(5)中的波长λi处的光谱发射率εbti明显比待测物体的光谱发射率εi偏大，引入小于1的松弛因子R来使εbti逼近εi：

εi＝Rεbti (6)

将方程(6)代入方程(3)：

其中，Tmbt是修正的双波长温度，Tmbt是Ttrue的近似值，并且Tmbt相对于Tbt更加接近Ttrue；

使用最小二乘法可求得修正的双波长温度Tmbt，双波长温度Tmbt的误差公式为：

经分析可得，方程(11)中松驰因子R的最佳值在限定区间[0.3,1]内，从概率角度，R取中值0.65可以使Tmbt较好地逼近Ttrue；

步骤二、单色概率逼近

待测物体表面的光谱发射率的限定区间为[0.3,1]，基于所测辐射强度I1、波长λ1和λ2，使用方程(2)可求得Ttrue所在区间[T11,T12]，基于所测辐射强度I2、波长λ1和λ2，使用方程(2)可求得Ttrue所在区间[T21,T22]，确定Ttrue所在区间为[T21,T12]，考虑测量温度温度T与Ttrue之差不能太大，从概率意义上单色概率平均温度Tds位于两区间交集部分的中心时全局误差较小，即

Tds即为单色概率平均温度，使测量温度与限定区间[T21,T12]内的真实温度之差最小；

步骤三、平均化

将修正的双波长温度Tmbt和概率平均温度Tds取平均值，求得测量温度T：

通过数值模拟发现，方程(9)中的测量温度T可以较好地逼近真实温度Ttrue。

进一步的，所述ε1变化步长为0.1，而ε2变化步长为0.01。

有益效果：本发明可以在未知晓发射率行为条件下实现灰体表面或非灰表面温度的高精度测量，并且基于所测温度可以方便进行误差评估预测。本发明引入了发射率收缩区间，通常条件下可取为[0.3,1]，这意味着本发明适用于发射率大于0.3以上的辐射温度测量，对于极低发射率条件下的温度测量需进一步处理。同时，收缩的发射率区间变小，测温误差会减小。

附图说明

图1为本发明双波长辐射测温装置的结构示意图；

图2单色逼近示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的一种双波长辐射测温装置，包括光学镜头、半透半反分光系统、单色滤色片a、传感器a、数据采集分析单元及误差评估系统、传感器b和单色滤色片b。

光学镜头用于将待测物体的辐射光束聚焦于半透半反分光系统。半透半反分光系统包括半透半反分光片和准直器，半透半反分光片用于将辐射光束分成透射光束和反射光束，准直器用于准直透射光束和反射光束。单色滤色片a用于矫正透视光束色彩偏差，单色滤色片b用于矫正反射光束色彩偏差。传感器a用于接收透过单色滤色片a的透视光束并生成光辐射测量信号，传感器b用于接收透过单色滤色片b的反射光束并生成光辐射测量信号，数据采集分析单元及误差评估系统用于采集传感器a和传感器b生成的光辐射测量信号，然后根据光辐射测量信号计算待测物体的温度数值，并对温度数值误差进行预测评估。

根据上述双波长辐射测温装置的双波长辐射测温方法，包括以下步骤：

步骤1、松驰逼近

所述待测物体的辐射光束通过光学镜头和半透半反分光系统后分成透射光束和反射光束，透射光束通过单色滤色片a被传感器a接收，反射光束透过单色滤色片b后被传感器b接收，传感器a和传感器b生成的光辐射测量信号为：

其中Ki是仪器常数，通过辐射定标确定，εi为待测物体的光谱发射率，εi的限定区间为[0.3,1]，λi是测量波长，C1是第一辐射常数，C2是第二辐射常数，Ttrue为未知的待测物体表面真实温度，i＝1,2，i＝1,2表示两个波长下辐射测量通道，ε1变化步长为0.1，而ε2变化步长为0.01；

透射光束和反射光束的辐射强度可以表示为：

将方程(2)变形为：

当使用维恩近似并且待测物体的光谱发射率接近于1时，可以认为C2/λiTtrue＞＞lnεi，因此将极小值项忽略，方程(3)表示为：

其中，Tbt是最小二乘温度，Tbt是Ttrue的近似值；

使用最小二乘方法可求得最小二乘温度Tbt，基于最小二乘温度Tbt，可反求波长λi处的光谱发射率：

εbti＝Iiλi5(exp(C2/(λiTbt))-1)/C1 (5)

方程(5)中的波长λi处的光谱发射率εbti明显比待测物体的光谱发射率εi偏大，引入小于1的松弛因子R来使εbti逼近εi：

εi＝Rεbti (6)

将方程(6)代入方程(3)：

其中，Tmbt是修正的双波长温度，Tmbt是Ttrue的近似值，并且Tmbt相对于Tbt更加接近Ttrue；

使用最小二乘法可求得修正的双波长温度Tmbt，双波长温度Tmbt的误差公式为：

经分析可得，方程(11)中松驰因子R的最佳值在限定区间[0.3,1]内，从概率角度，R取中值0.65可以使Tmbt较好地逼近Ttrue；

步骤二、单色概率逼近

待测物体表面的光谱发射率的限定区间为[0.3,1]，基于所测辐射强度I1、波长λ1和λ2，使用方程(2)可求得Ttrue所在区间[T11,T12]，基于所测辐射强度I2、波长λ1和λ2，使用方程(2)可求得Ttrue所在区间[T21,T22]，如图2所示，可以确定Ttrue所在区间为[T21,T12]，考虑测量温度温度T与Ttrue之差不能太大，从概率意义上单色概率平均温度Tds位于两区间交集部分的中心时全局误差较小，即

Tds即为单色概率平均温度，使测量温度与限定区间[T21,T12]内的真实温度之差最小；

步骤三、平均化

将修正的双波长温度Tmbt和概率平均温度Tds取平均值，求得测量温度T：

通过数值模拟发现，方程(9)中的测量温度T可以较好地逼近真实温度Ttrue。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。