[发明专利]一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及长间隙空气电弧等离子体温度的一种测量方法，属于热等离子体温度测量领域。

背景技术

空气电弧等离子体的温度较高，探针或热耦的热容量极限难以满足要求，且接触式探头会干扰被测量电弧的温度场，所以通常采用非接触式方法测量电弧等离子体温度。

目前，红外测温技术在非接触式测温领域得到了广泛应用。空气电弧等离子体辐射连续光谱，主要覆盖可见光区域，而红外热像仪的响应波长远远超出电弧等离子体辐射的波长范围，同时存在测温范围较小，动态性较差等不足，且电弧温度高、辐射能量大，可能损伤红外镜头。另外，通过诊断线光谱强度或宽度得到电弧温度的光谱仪，适合测量小尺寸的电弧等离子体温度，对于长达数米的空气开放电弧等离子体温度的测量，实现较困难。可见，采用红外热像仪和光谱仪测量长间隙空气电弧的等离子体温度，存在一定的缺陷。

随着光电技术、计算机技术和数字图像处理技术的发展，基于彩色CCD图像传感器的非接触式测温技术，由于CCD具有工作稳定可靠、图像清晰度高等优点，成为高温检测领域的研究热点，彩色CCD图像包含的色度信息和辐射测温原理是这种测温技术的重要基础。但是，由于CCD响应曲线受带宽的限制，且等离子体辐射信号在经过图像采集系统的各种变换之后，会引入误差，因此直接使用比色测温法有较大的测量误差，减小误差是该测温技术的主要难点之一。同时，彩色CCD图像是电弧三维辐射空间在二维CCD靶面上的投影(积分值)，是一种深度方向的累积效应，不能表征某个电弧横截面的光强分布，无法得到真正意义上的温度场。所以，需借助于数学转换方法，重建电弧等离子体温度场。

发明内容

为了克服电弧等离子体温度测量技术的上述缺陷，本发明的目的是为了提供一种测量长间隙空气电弧温度的方法，以得到空气电弧等离子体的温度分布。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案为：一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法基于空气电弧等离子体辐射的光谱诊断原理，由附加双窄带通滤光片并经过标定的彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，存储为数据无压缩的BMP格式，将电弧彩色位图文件在两个特征中心波长下响应的像素值校正为电弧辐射强度的原始数据，通过阿贝尔变换得到电弧径向光强分布，再应用光谱相对强度的比色方法，计算电弧等离子体投影温度分布或电弧等离子体温度径向分布，重建长间隙空气电弧等离子体的三维温度场。

本发明实现上述技术方案的方法为：

第一步，光学预处理

在用于拍摄长间隙空气电弧图像的彩色CCD高速图像采集系统的相机镜头前附加中性滤光片和两个特征中心波长的窄带滤光片，可消除电弧图像的饱和失真现象，并选取电弧等离子体辐射在第一波长λ1、第二波长λ2下的入射光透过，使存储的图像信号满足等离子体光谱诊断的要求。

第二步，标定彩色CCD图像采集系统通道参数

根据彩色CCD高速图像采集系统的光谱响应特性，利用标准辐射源对光学预处理过的采集系统在第一波长λ1、第二波长λ2下的通道参数进行标定。基本原理是，彩色CCD的响应值V与光谱辐射强度I之间满足：V＝KI^γ，通道参数K、γ分别为系统转换系数和伽马校正系数。已知标准辐射源在特定波长、不同温度下的I，测量响应值V，采用最小二乘法对这些数据进行拟合求取参数K和γ。

第三步，校正电弧等离子体辐射强度

采用经光学预处理的彩色CCD高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，存储为数据无压缩的BMP格式，读取电弧彩色位图文件中各点响应的红、蓝色像素值V，利用标定的通道参数K和γ，将其校正为电弧等离子体在第一波长λ1、第二波长λ2下的辐射强度I。

第四步，求取径向光强分布

对长间隙空气电弧图像沿轴向进行离散化处理，每个电弧横截面微段辐射的光谱强度满足柱对称分布，且电弧为光学薄的等离子体，此处的光学薄指电弧吸收辐射能量的程度远小于1，所以可借助于阿贝尔变换，将所测的投影光强转换为电弧径向光强分布。

第五步，计算电弧等离子体温度场

空气电弧等离子体辐射连续光谱的主要机制为轫致辐射，基于电弧轫致辐射谱强度与等离子体温度的关系，利用光谱相对强度的比色方法，根据电弧在第一波长λ1、第二波长λ2下校正后的辐射光强计算等离子体投影温度，或利用径向光强分布求取电弧等离子体的径向温度分布。

其中计算电弧等离子体投影温度T的表达式为：