[发明专利]一种双波长辐射测温装置及方法

摘要

本发明公开了一种双波长辐射测温装置及方法，该装置包括用于将待测物体的辐射光束聚焦于半透半反分光系统的光学镜头，半透半反分光系统包括用于将辐射光束分成透射光束和反射光束的半透半反分光片，收透射光束和反射光束通过传感器接收并生成的光辐射测量信号，数据采集分析单元及误差评估系统根据光辐射测量信号计算待测物体的温度数值，并对温度数值误差预测评估。该方法包括以下步骤：松驰逼近，求解修正的双波长温度；单色概率逼近，求解单色概率平均温度；平均化，将修正的双波长温度和单色概率平均温度取平均值。本发明可以在未知晓发射率行为条件下实现灰体表面或非灰表面温度的高精度测量，并且基于所测温度可以方便进行误差评估预测。

主权项

1.一种双波长辐射测温方法，该测温方法基于双波长辐射测温装置进行，该测温装置包括光学镜头、半透半反分光系统、单色滤色片a、传感器a、数据采集分析单元及误差评估系统、传感器b和单色滤色片b；/n光学镜头用于将待测物体的辐射光束聚焦于半透半反分光系统，半透半反分光系统包括半透半反分光片，半透半反分光片用于将辐射光束分成透射光束和反射光束，单色滤色片a用于矫正透视光束色彩偏差，单色滤色片b用于矫正反射光束色彩偏差，传感器a用于接收透过单色滤色片a的透视光束并生成光辐射测量信号，传感器b用于接收透过单色滤色片b的反射光束并生成光辐射测量信号，数据采集分析单元及误差评估系统用于采集传感器a和传感器b生成的光辐射测量信号，然后根据光辐射测量信号计算待测物体的温度数值，并对温度数值误差进行预测评估；/n其特征在于，该测温方法包括以下步骤：/n步骤一、松驰逼近/n所述待测物体的辐射光束通过光学镜头和半透半反分光系统后分成透射光束和反射光束，透射光束通过单色滤色片a被传感器a接收，反射光束透过单色滤色片b后被传感器b接收，传感器a和传感器b生成的光辐射测量信号为：/n /n其中K_i是仪器常数，通过辐射定标确定，ε_i为待测物体的光谱发射率，ε_i的限定区间为[0.3,1]，λ_i是测量波长，C₁是第一辐射常数，C₂是第二辐射常数，T_true为未知的待测物体表面真实温度，i＝1,2，1、2表示两个波长下辐射测量通道；/n透射光束和反射光束的辐射强度可以表示为：/n /n将方程(2)变形为：/n /n当使用维恩近似并且待测物体的光谱发射率接近于1时，可以认为C₂/λ_iT_true＞＞lnε_i，因此将极小值项忽略，方程(3)表示为：/n /n其中，T_bt是最小二乘温度，T_bt是T_true的近似值；/n使用最小二乘方法可求得最小二乘温度T_bt，基于最小二乘温度T_bt，可反求波长λ_i处的光谱发射率：/n /n方程(5)中的波长λ_i处的光谱发射率ε_bti明显比待测物体的光谱发射率ε_i偏大，引入小于1的松弛因子R来使ε_bti逼近ε_i：/nε_i＝Rε_bti (6)/n将方程(6)代入方程(3)：/n /n其中，T_mbt是修正的双波长温度，T_mbt是T_true的近似值，并且T_mbt相对于T_bt更加接近T_true；/n使用最小二乘法可求得修正的双波长温度T_mbt，双波长温度T_mbt的误差公式为：/n /n经分析可得，方程(11)中松驰因子R的最佳值在限定区间[0.3,1]内，从概率角度，R取中值0.65可以使T_mbt较好地逼近T_true；/n步骤二、单色概率逼近/n待测物体表面的光谱发射率的限定区间为[0.3,1]，基于所测辐射强度I₁、波长λ₁和λ₂，使用方程(2)可求得T_true所在区间[T₁₁,T₁₂]，基于所测辐射强度I₂、波长λ₁和λ₂，使用方程(2)可求得T_true所在区间[T₂₁,T₂₂]，确定T_true所在区间为[T₂₁,T₁₂]，考虑测量温度温度T与T_true之差不能太大，从概率意义上单色概率平均温度T_ds位于两区间交集部分的中心时全局误差较小，即/n /nT_ds即为单色概率平均温度，使测量温度与限定区间[T₂₁,T₁₂]内的真实温度之差最小；/n步骤三、平均化/n将修正的双波长温度T_mbt和概率平均温度T_ds取平均值，求得测量温度T：/n /n通过数值模拟发现，方程(9)中的测量温度T可以较好地逼近真实温度T_true。/n