一种基于比色的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基于比色的紫外双波长辐射测温方法，对具有高温表面的待测温物体进行测量；提供第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器，所述第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器分别对所述高温表面的辐射信号进行探测；所述第一紫外光探测器采集第一紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第二紫外光信号；所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间具有小于等100nm的波长差。本发明专利技术可以逼近表面真实温度，并且能够近乎消除观测窗口被污染给测量造成的影响。

A method of ultraviolet dual wavelength radiation temperature measurement based on Colorimetry

【技术实现步骤摘要】
一种基于比色的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粒子发射(辐射)环境下，对未知表面发射率的物体表面进行测量，更特别是涉及一种基于比色的紫外双波长辐射测温方法。
技术介绍
辐射温度计通过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，为此人们引入物体表面发射率，修正实际物体表面性质偏离黑体的程度。辐射温度计，通过校准探测器的光谱响应度、光学系统的光谱响应度和光通量，可以准确地测量黑体表面的热力学温度(以下各处称其为被测表面的真实温度)，这是辐射温度计的绝对测量模式；辐射温度计也可以通过在黑体上校准，建立测量信号与黑体表面辐射度的关系，在已知被测物体表面发射率的条件下，给出被测表面的真实温度。高温环境下，被测物表面的发射率难以被准确地测量，为了解决此类技术困难，一方面人们研制了高温表面发射率测量的实验装置；另一方面，在辐射测温理论的支持下，通过对表面发射率与温度间线性关系的假设，提出了“不依赖”发射率的双光谱和多光谱测量技术。这些技术，在一定的程度上，满足了测量高温物体表面温度的需求。然而，随着核技术、航天和航空技术的发展，被测体的温度显著地被提升，新材料的表面特性与温度的关系复杂，“不依赖”发射率的测量结果变得不可靠。例如，在辐射温度计的实际的使用中，核燃料的相变温度、航天空间无容器实验体和航天飞行器表面温度的测量都面临共同的技术困难，即高温、高粒子发射(辐射)环境，被测体表面的发射率未知，包括红外辐射温度计、双光谱和多光谱辐射温度计、光电辐射高温计在内的常规辐射温度计，对被测体表面真实温度的测量失效，不同方法测量结果显著地不一致。即使存在双波长，也两个波长之间也通常设红外信号，目前的信号探测多集中在红外和可见光范围，很少使用紫外光进行检测。另外，随着温度的增加，测量的不确定度显著地扩大，测量的温度示值与被测表面的真实温度可相差至几百开尔文。
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。本专利技术的技术方案是，在紫外波段下，显著地降低辐射测温对表面发射率的依赖性；其次，在紫外波段的窄带宽下，应用双波长比色测量，大幅度地消除窗口污染对测量造成的影响，并且进一步降低测量对表面发射率的依赖。本专利技术提供了一种基于比色的紫外双波长辐射测温方法，其中：对具有高温表面的待测温物体进行测量；提供第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器，所述第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器分别对所述高温表面的辐射信号进行探测；在第一组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第一紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第二紫外光信号；在第二组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第三紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第四紫外光信号；第一组中的第一紫外光信号和第二紫外光信号同比例地向紫外波段压缩以获得第二组的第三紫外光信号和第四紫外光信号；所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间波长差以及所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间波长差小于60nm。其中，所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间具有60nm的波长差。其中，所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间波长差50nm。其中，所述第一紫外光探测器和所述第二紫外光探测器分别连接到数据分析处理模块。其中，所述数据分析处理模块对所述第一紫外光探测器获得的第一紫外光信号、第三紫外光信号和所述第二紫外光探测器获得的第二紫外光信号、第四紫外光信号进行处处理和分析，所述第一紫外光信号和第二紫外光信号位于200nm-400nm之间。与现有技术相比，本专利技术的显著效果为：(1)显著地降低辐射测温对被测表面辐射率的依赖性，能够逼近测量未知表面发射率的高温被测体表面温度；(2)观测窗口因实验中高温环境，被测物表面的粒子蒸发污染，本专利技术的辐射测温数据对观测窗的透光性随实验过程的变化不敏感，逼近得到未知表面发射率和观测窗污染下的被测体表面真实温度。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，光谱辐射强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；Woλ表示波长λ下的黑体光谱辐射度，单位：Wm-2rad-1；λ表示黑体表面光辐射的波长，单位：m。在可见光附近，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和、表面几何性质、光谱波长的函数。对于表面温度T的实际物体，波长λ1的光谱强度为：波长λ2的光谱强度为：上述两式相比，得：式(6)即为双波长温度计(即双色温度计)的测量公式。双波长测温技术的宗旨是，在未知表面发射率的情况下，假设被测物体表面的发射率不随波长改变，即两个测量波长λ1和λ2上，被测体表面发射率ελ1和ελ2相等，式(6)中表面发射率的比值等于1，即没有发射率效应。双波长法测量的温度被记为色温Tc。实际应用中，如果被测体为黑体或灰体(被测体表面发射率等于常数)，上述假设成立，则双波长法测量的色温等于被测体表面的真实温度。然而实际情况是，被测物体表面既非黑体，也不是真实的灰体，而且很高的温度下，被测物表面发生相变、原子或离子发射，使得表面发射率与波长关系很不确定。对应于波长λ1和λ2的表面发射率ελ1和ελ2相等的假设不成立，那么双波长法测量的色温Tc偏离被测体表面的真实温度。根据式(6)，色温Tc偏离真实温度的程度为：式中，ΔT＝Tc-T，T是被测体表面的真实温度。式(7)表明，如果对应于两个波长λ1和λ2的表面发射率ελ1和ελ2相等，则ΔT等于零，即色温等于真实温度。在双色的波长固定的情况下，ελ1/ελ2的比值偏离1，则测量的色温偏离真实温度。结合上面的公式(7)，可以看出，在不改变Δλ的条件下，同时缩短双色的波长λ1和λ2，可压缩ΔT，因此测量的波长向紫外移动，可降低因为表面发射率不等给双波长温度计的测量带来的误差。从式(7)可以看出，温度测量误差ΔT与波长是平方关系，与发射率的比值是对数关系。因此，如果同时使得双波长向短波长方向，即紫外移动，对ΔT压缩的效应要显著地大于发射率比值改变扩大|ΔT|的效应。在超高温环境下，本专利技术为了获得被测物体的表面真实温度，在显示发射率比值ελ1/ελ2偏离1情况下，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于比色的紫外双波长辐射测温方法，其特征在于：/n对具有高温表面的待测温物体进行测量；提供第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器，所述第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器分别对所述高温表面的辐射信号进行探测；/n在第一组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第一紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第二紫外光信号；/n在第二组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第三紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第四紫外光信号；/n第一组中的第一紫外光信号和第二紫外光信号同比例地向紫外波段压缩以获得第二组的第三紫外光信号和第四紫外光信号；/n所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间波长差以及所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间波长差小于60nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于比色的紫外双波长辐射测温方法，其特征在于：
对具有高温表面的待测温物体进行测量；提供第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器，所述第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器分别对所述高温表面的辐射信号进行探测；
在第一组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第一紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第二紫外光信号；
在第二组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第三紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第四紫外光信号；
第一组中的第一紫外光信号和第二紫外光信号同比例地向紫外波段压缩以获得第二组的第三紫外光信号和第四紫外光信号；
所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间波长差以及所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间波长差小于60nm。


2.如权利要求1所述的基于...

【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