[发明专利]一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学图像处理、温度场无损检测技术等领域，其主要涉及一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法。

背景技术

温度的精确测量与控制在机械、化工、能源、冶金、航空、航天等领域显得十分重要。目前，被广泛采用的用于温度测量的方法大致可分为两大类，一类是接触式测温，一类是非接触式测温。前者的典型代表是热电偶，这类方法需要测温元件和被测对象直接接触，容易干扰被测场本身的温度分布状态，且温度太高或腐蚀性介质对测温元件的性能和寿命会产生不利影响，故仅适合于低温(约T<2000℃)、非腐蚀性介质等普通应用领域。后者的典型代表是红外热像仪，这类方法无需测温元件与被测对象直接接触，故具有不干扰待测场的优点，且能测量较高温度(约T<4000℃)。但红外热像仪的测量结果容易受到以下因素的影响：自身的参数设定正确与否(如：灵敏度、发射率等)、外界环境状态(如：环境中水蒸气、二氧化碳及微粒粉尘含量大小，目标距离的远近等)、探测器性能退化、制冷器性能及制冷介质纯度等，故存在较大误差，且只适合于直线温度和平面温度的测量，不能用于三维温度场的测量。

近年来，随着CCD等光电探测器件的飞速发展，结合光谱测量及光学层析形成的发射光谱层析(Emission Spectral Tomography，简称EST)引起了人们的极大关注，它具有非接触式测温的所有优点。相比于红外热像仪测温，该方法测量温度范围更大(约T>4000℃)，精度更高，且能实现三维温度场测量。但因存在几个关键技术问题尚未解决，目前仍很难在测试条件有限(如：含有遮挡物、观察角有限、被测场不稳定)的复杂工业环境中应用。找到一种可用于实际工况，复杂条件下三维温度场的测量方法，且建立相应的实验装置显得日益迫切。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明结合光谱分析理论和原子物理理论，提出了一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，可用于高温三维测量的正交双波长发射光谱相对强度法，包括硬件设备和软件处理算法，降低了实验系统的复杂性；仅需90°范围内的数据即可重建，更适合于测试条件有限(如：含有遮挡物、观察角有限、被测场不稳定)的实际工业环境；给出了具体实施例和测量结果，为航空航天、激波风洞等特殊领域的高温三维测量奠定了理论和实验基础。

(二)技术方案

一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，包括装置硬件部分和测量方法两大块；其中，所述的可用于高温三维测量的装置的硬件部分包括：数据采集模块、数值模拟模块、数据存储和显示模块三大部分；其中数据采集模块负责采集三维待测场的发射光谱图像，数值模拟模块负责对采集到的图像信息进行预处理并三维重建，数据存储和显示模块负责对外输出重建后的数据和图像；其特点是：所述的数据采集模块是本装置的核心部分，主要由三维待测场、两个衰减片、两个分光镜、四个滤光片、四个CCD和图像采集卡组成；为避免环境光或其他因素对测试结果的影响，所有光学元件都被密封在一个精密机械加工的套筒中，并将内壁镀上膜层；其中，斜面上镀分光膜，四个直角通光表面镀宽带多层增透膜，从而提高测量精度。

优选的，所述的衰减片(2-2和2-8)均采用相同厂家、相同型号的中性衰减片，根据三维待测场的温度高低选择衰减比例；

优选的，所述的两个分光镜(2-3和2-9)均采用相同厂家、相同型号的半反射半透射型分光镜；

优选的，所述的四个滤光片(2-4，2-6，2-10和2-12)均采用相同厂家的窄带滤光片，但中心波长不一致；其中，滤光片(2-4和2-10)的中心波长为λ₁，滤光片(2-6和2-12)的中心波长为λ₂；

优选的，所述的四个CCD(2-5，2-7，2-11和2-13)均采用相同厂家、相同型号的面阵CCD，为方便叙述，分别记为CCD1，CCD2，CCD3和CCD4；

优选的，所述的采集卡(2-14)为四路图像采集卡。

进一步的，所述的CCD1(2-5)和CCD3(2-11)构成一组对应于中心波长λ₁的正交光路，夹角为90°；CCD2(2-7)和CCD4(2-13)构成一组对应于中心波长λ₂的正交光路，夹角为90°。

进一步的，所述的数值模拟模块是本装置处理算法的部分，在测量精度要求不高，且待测场温度的情况下，则选择经典的三维重建算法；在测量精度要求高，且待测场不稳定，对实时性要求较高时，则采取多目标优化三维重建算法，同时满足几个优化条件。