一种紫外双波长辐射测温方法技术

本发明专利技术公开了一种紫外双波长辐射测温方法，在未知物体的光谱发射率的情况下，应用双波长辐射测温，所述双波长在200nm至400nm范围，逼近测量高温物体的表面真实温度，并且近乎消除观测窗口被污染对测量造成的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种紫外双波长辐射测温方法
本专利技术属于温度测量领域，特别是涉及在高温和高能粒子蒸发(溅射)环境，表面发射率未知的条件下，对物体表面的真实温度进行测量，更特别的是涉及一种紫外双波长辐射测温方法。
技术介绍
辐射温度计通过探测被测物体表面的光辐射能量(或光通量)，依据物体表面的光辐射理论，获得被测物体表面的温度。物体表面的光辐射理论，建立在表面为理想黑体的假设之上，对于实际的物体，表面性质偏离黑体假设，为此人们引入物体光谱发射率，修正实际物体表面性质偏离黑体的程度。首先，光谱辐射温度计在黑体上校准，建立测量信号与黑体表面的光谱辐射度的关系，依据普朗克辐射定律，从光谱辐射温度计测量信号获取黑体表面的真实温度。其次，事先测量实际物体的在各个温度下的光谱发射率，在光谱辐射温度计的实际测量信号中，修正实际物体因光谱发射率引起的对理想黑体光谱辐射度的偏离效应，获取实际物体表面的真实温度。高温环境下，实际物体的光谱发射率难以被准确地测量，为了解决此类技术困难，通常采用比色法，即假设被测物的光谱发射率在光谱辐射温度计的工作光谱范围是常数。应用可在两个光谱下工作的光谱辐射温度计，分别测量物体表面对应两个光谱的辐射亮度，计算两个光谱辐射度的比值，此计算自动消除了光谱发射率(因为它们相等)，从比值中可以计算出表面的温度，这个方法称为比色测量法。被测物的光谱发射率在比色温度计的两个工作光谱上相等的假设，是比色法得到被测表面的真实温度的关键。然而，随着尖端技术的发展，被测体的温度显著地被提升，新材料光谱辐射特性与温度的关系复杂，即使温度相同，对应不同光谱的发射率也可能存在明显差异。此外，高温下物体表面原子蒸发，污染辐射温度计的观测窗口，严重地影响温度测量可靠性。
技术实现思路
本专利技术在于提供高温被测体表面发射率未知、实验中观测窗口被污染情况下，逼近测量物体表面真实温度的方法。本专利技术提供了一种紫外双波长辐射测温方法，测量物体表面对应第一波长λ1和第二波长λ2的辐射亮度，所述第一波长和第二波长分别位于在紫外光波段200nm至400nm之间。其中，对于表面温度T的实际物体，第一波长λ1的光谱辐射亮度为：第二波长λ2的光谱辐射亮度为：将第一波长和第二波长的光谱辐射亮度相比，即比色。假设对应波长λ1和λ2的表面发射率和近似相等，即：得：于紫外波段使用上式给出的色温Tc，更接近物体表面的真实温度T。本专利技术是在比色法的基础上的创新，即将比色法的双光谱均定义在紫外光波段，200nm至400nm之间。紫外光波段下，物体表面的光谱辐射度对发射率不敏感，应用比色测温方法，逼近测量物体表面的真实温度，同时消除窗口污染对测量造成的影响。与现有技术相比，本专利技术的显著效果为：(1)在未知光谱发射率的情况下，以更小的不确定度测量高温物体表面的真实温度；(2)测量结果对实验观测窗口的污染不敏感。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面对本专利技术的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对专利技术进行解释，而不作为对其范围的具体限定。根据普朗克辐射理论，某个表面温度为T的黑体，光谱辐射亮度是温度和波长的函数：其中，c1表示第一辐射系数，单位：Wm2；c2表示第二辐射常数，单位：mK；T表示黑体表面的真实温度(即热力学温度)，单位：K；L0λ表示波长λ下的黑体光谱辐射亮度，单位：Wm-2sr-1；λ表示黑体辐射的波长，单位：m。在紫外-可见光附近，λT<<c2，上式可采用维恩公式表示：对于非黑体的表面，实际的表面光谱辐射强度与相同温度的理想黑体的表面光谱辐射强度的比值，被定义为该非黑体表面的发射率ελ：对于实际物体，其表面发射率通常是表面温度、表面几何性质、光谱波长的函数。结合公式(2)和(3)，对于表面温度T的实际物体，波长λ1的光谱辐射亮度为：波长λ2的光谱辐射亮度为：将式(4)和(5)的光谱辐射亮度相比，并且假设对应波长λ1和λ2的表面发射率和近似相等，即：得：式中，Tc被称为色温。式(6)即为比色法测量物体表面温度的理论关系。色温是对物体表面真实温度的近似，只有在特定的条件下，即被测体为黑体或灰体，对应波长λ1和λ2的表面发射率和严格相等，即：色温Tc等于被测体表面的真实温度T。然而绝大多数被测物体的表面既非黑体，也不是真实的灰体，而且高温下，被测物表面发生相变、原子或离子蒸发，使得表面发射率与波长关系很不确定。使得对应波长λ1和λ2的表面发射率和明显地偏离近似相等的假设，双光谱比色法给出的色温Tc对真实表面温度的近似程度也恶化。根据式(4)和(5)，色温Tc偏离真实温度的程度可表示为：式中，△T＝Tc-T，T是被测体表面的真实温度。式(7)表明，即对应波长λ1和λ2的表面发射率和越偏离，比值越偏离1，色温Tc越偏离真实温度T。公式(7)也显示，色温Tc对真实温度T的偏离的程度，同时也是比色法测量光谱λ1和λ2的函数，在保持△λ不变的条件下，即使比值越偏离1，相应地缩短波长λ1和λ2，仍然可以抵消色温Tc偏离真实温度T的程度，即降低△T。因此，即使物体的光谱发射率有明显的差异，依然采用式(6)，则工作于紫外波段的比色法给出的色温，更接近物体表面的真实温度。这即是本专利技术的技术核心，在未知实际物体的光谱发射率情况下，工作于200nm至400nm波段的比色法(公式(6)计算色温Tc)，可以更逼近测量物体表面的真实温度。为了进一步验证本专利技术相对于近红外和可见光波段的比色法的效应，选择某个金属样本进行对比。1600K温度时，某金属表面的光谱发射率比值对于三种双光谱组合：近红外(980nm/830nm)、可见光(650nm/550nm)、紫外光(325nm/275nm)，比色法测量的色温与真实温度的偏差△T如表1所示：表1表面发射率色温与真实温度的偏差T(K)160016001600λ1(μm)0.9800.650.325λ2(μm)0.8300.550.275Tc(K)164516291615△T(K)19512560△T/T12％7.8％3.8％在近红外波段(980nm/830nm)，比色法给出的色温与物体表面的真实温度的偏差△T＝195K，相对偏差12％；在可见光波段(650nm/550nm)，色温与物体表面的真实温度的偏差△T＝125K，相对偏差7.8％；紫外波段(325nm/275nm)，色温与物体表面的真实温度的偏差△T＝60K，相对偏差3.8％。紫外波段比色法测量最接近物体表面的真实温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紫外双波长辐射测温方法，其特征在于：测量物体表面对应第一波长λ

【技术特征摘要】
1.一种紫外双波长辐射测温方法，其特征在于：测量物体表面对应第一波长λ1和第二波长λ2的辐射亮度，所述第一波长λ1和第二波长λ2分别位于紫外光波段200nm至400nm之间。


2.如权利要求1所述的紫外双波长辐射测温方法，其特征在于：对于表面温度T的实际物体，第一波长λ1的光谱辐射亮度为：



式中，c1表示第一辐射系数，单位：Wm2；c2表示第二辐射常数，单位：mK；T表示物体表面的真实温度，即热力学温度，单位：K；表示物体表面在波长λ1下的光谱辐射亮度，单位：Wm-2sr-1；λ1表示物体表面辐射的第一波长，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金涛，董伟，卢小丰，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11