[发明专利]一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置及其测量方法，特别是涉及一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量装置及测量方法。

背景技术

在金属冶金连铸结晶过程、连铸高温钢坯表面、冶金炉、火炮发射、航空及火箭发动机、强激光解离大气产生的等离子体等场合的高温测试中，瞬态温度（温度范围在800-2000摄氏度，温度变化在5-10us）是一个非常重要的参数之一，对于结晶体结晶过程温度场研究，钢铁冶炼温度监控，钢坯表面温度场的分析，火炮的温度监控，发动机的温度场分析等有着十分重要的意义。

目前对于低温或是缓慢变化的温度场（温度在1000摄氏度以内，几个毫秒到几十秒响应时间）一般采用接触式的测量，如热电偶、热电阻、温敏光纤，专利号为201010279035.5的一种光纤光栅单端测温传感器，专利号为200820020538.9的一种高温光纤光栅温度传感器。

辐射式测温方法是以普朗克的黑体热辐射定律为基础的，实际物体往往是非黑体，因此，引入了辐射温度、亮度温度和颜色温度等表观温度的概念，基于以上三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。比色测温法的优点：(1)大多数物体的颜色温度比亮度温度和辐射温度更接近真实温度。(2)比色法测温受被测物体光谱发射率影响小，针对被测物体的辐射特性，以及中间吸收介质的光谱吸收特性，合理选择两个工作波段，可以大大减小因被测体光谱发射率变化以及中间介质吸收的影响而引起的误差。比色温度计尤其适用于测量发射率较低的表面光亮的物体温度，或者在光路上存在着尘埃、烟雾等中性吸收介质的场所。

光纤光栅高温测量技术，FBG光纤光栅是一种窄带光纤滤波，通过光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，从而导致一定波长发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，一般一个FBG光纤光栅同时具有温敏和压敏特性，可以用来直接测量高温温度，如专利申请号为200810048991.5基于光纤光栅传感的陶瓷窑炉温度检测方法，申请号为200910228048.7光纤光栅测温系统及多点测温方法，申请号为200710038145.0光纤光栅高温传感系统。

文献(《光电工程》38(4): 1-6,2011)提出了一种不依赖于CCD光谱特性及其三基色代表性波长的改进比色测温方法，利用三基色RGB中两两基色与温度的关系得到三个温度解，最后利用三个温度解之间的相关性进行优化，得出最优温度解，其平均误差1.09%，而传统的比色测温的平均误差为 2.25%。

中国专利号200610083893.6介绍了一种利用比色测量高温温度场、火焰图像的装置和检测方法，通过聚光光学元件接收红外辐射到光纤阵列，一支输入到图像处理单元，一支输入到比色测温系统，在比色测温中通过Y型分光器分为两支路，分别通过两个不同波长的滤波片，然后通过探测器进行比色测温计算。

中国专利200610047731.7介绍了一种金属粉末激光成型过程中温度场检测方法及其装置，通过将两种波长的滤光片分时交替的位于光路中，通过红外摄像机采集光强图像，根据灰度图像做比色测温，得到其温度场。

中国专利200910077464.1介绍了一种三CCD温度场测量装置及方法，光学镜头采集辐射能，再通过分光镜组，分成三路，在每一路信号后放置滤波片，然后进入三路光谱非相关的CCD图像，在利用数据处理单元进行比色测温。

由于一般的RGB滤色阵列三个颜色通道的波段响应是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，所以其光谱响应特性是固定的，而无法自主选择合适的三波段，实现优化测量。

针对这个缺点中国专利200910077462.2介绍了一种彩色CCD的辐射温度场测量装置及其方法。该装置在光学镜头的前面加了一个具有两种单峰透过率的滤色片，先对物体的辐射能进行两个带通滤波。经过光学镜头聚焦后于彩色CCD面阵传感器的焦平面，并成像，然后通过对RGB通道的任意两通道进行比色测温。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种检测更精准的多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量装置及测量方法。

本发明的一种多FBG光纤光栅比色瞬态温度测量装置，包括高温光学镜头、传输光纤和设置在控制室内的高速浮点DSP处理器、串联在传输光纤上的多个分光器、以及在单个分光器上直接熔接的FBG光纤光栅、以及与所述分光器相对应的探测器和与所述探测器相对应的信号调理电路。

所述高温光学镜头用于拾取高温物体表面的热辐射红外光。