专利名称：一种测量目标真实温度的辐射测温方法和仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用辐射进行测温的技术领域，特别涉及一种在不接触目标的情况下测量目标真实温度的方法和仪器。
背景技术：
热辐射温度计是通过测定目标辐射强度，来测定目标温度的温度计。它的理论基础是关于物体辐射强度和吸收本领关系的基尔霍夫(kirchhoff)定律(在局部热平衡时目标的吸收本领等于其发射率)，以及关于黑体辐射的普朗克(Planck)定律。辐射测温有很多优点(例如，它没有测量上限限制，不扰动被测目标的温度场和热平衡；它测量精度高，动态响应好等等)；已成为非接触测温的主要方法。目前世界各国已有很多型号的辐射温度计产品，并得到广发应用。各国高温计量基准和标准温度计都是辐射温度计(而且都是亮度温度计)。但是辐射温度计的最大缺点是，它测得的实际目标的温度不是目标的真实温度(简称真温)，而是目标的表观温度。目前表观温度主要包括亮度温度、辐射温度和比色温度(或称颜色温度，简称色温)三种。对应这三种表观温度可以引伸出三种基本的辐射测温方法和仪表；即亮度法测温仪表，全辐射测温仪表(简称辐射温度计)和比色法测温仪表。其中亮度法测温仪表是辐射测温中最重要、最普及的仪表。它在引入有效波长概念后，在理论上十分严格，已成了各国高温计量基准和标准仪表，并在计量量值传递和工业应用方面长期起主导作用。热辐射温度计在检定(校准)中，都是以黑体炉为依据，是对黑体进行分度处理的。但在测量实际目标(非黑体)温度时，得到的是目标的表观温度(亮度温度、辐射温度或比色温度)。要知道目标的真实温度，则要知道目标的发射率ε (λ.Τ)。目标的发射率不但是目标的温度和波长的函数，而且还与目标的材料性质、表面状态等因素有关。这样就对确定目标的真温带来较大困难和不确定性。近百年来，辐射测温的这一重大缺点一直困扰着测温界。20世纪80年代以后，多国科学家对多波长温度计进行了大量研究，企图通过应用多波长温度计等方法 测得实际目标的真温。从三波长温度计开始进一步研制六波长温度计，甚至35个波长的温度计[I]等均研制出来。但到目前为止，这些多波长温度计都不能测定目标的真实温度。本专利提出一种特定三波长辐射温度计，建立求真温数学模型，并通过高速迭代运算方法，实时测定目标的真实温度的方法和仪器。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的上述缺陷，即针对不能测定目标真实温度的问题，提出一种特定三波长辐射测温仪器以及利用该仪器进行测温的方法，建立求真温数学模型，并通过高速迭代运算方法，实时测定目标的真实温度。本发明提出的测量目标真实温度的辐射测温方法包括步骤1，通过三波长辐射测温仪获取三个波长对应的实测亮温Ts1、目标的近似真温T以及三个比色温度Tci，其中i的值为1、2和3，三个波长为等间隔；步骤2，根据实测亮温TSl、Ts2、Ts3以及近似真温T的数值，确定目标在三个波长下的发射率ελ1、ελ2、ε λ3;步骤3，根据步骤2计算出的目标在三个波长下的发射率值及近似真温T值，计算目标对应三个波长的比色温度Tc/、Tc/、Tc/;步骤4，根据步骤I中的实测比色温度与步骤3中计算出的比色温度，求得均方差之和Σ Λ T2 如下Σ AT2 = (Tc1-Tc1’)2+(Tc2-1V)2+(Tc3-Tc3’)2 ;步骤 5，令近似真温 Τ’ = Τ+1，并根据实测亮温TSl、Ts2, Ts3按照步骤2的方式计算出目标的三个波长的发射率ε λ/、ελ2'、ελ3';步骤6，按照步骤5计算得到的发射率ε λ/、ελ2'、ε λ3'及Τ’ = Τ+1的值，按照步骤3的方式计算出目标的三个比色温度值Tc/’、Tc2”、Tc/’;步骤7，根据计算比色温度Tc/’、Tc2”、Tc/’值与实测比色温度TCl、Tc2, Tc3，求得均方差之和为(Σ AT2) ’=(Tc1-Tc1 ”)2+(Tc2-Tc2”)2+(Tc3-Tc/)2 ;步骤 8，若(Σ Λ T2)，< ( Σ Λ T2)，则近似真温Τ’ = Τ+1比T更接近实际真温T真，则令近似真温τ” = Τ’ +1 = Τ+2，继续重复步骤5-7，直至均方差之和最小时，即认为找出实际真温值，若(Σ ΛΤ2)’> (Σ ΛΤ2)，则近似真温Τ’ =Τ+1已远离实际真温向反方向求实际真温值，即令Τ’ =Τ-1，继续按步骤5-7算出Σ Λ Τ2，直至均方差之和最小时，即找到实际真温值1^。本发明还提供一种测量目标真实温度的辐射测温仪器，该测温仪器为三波长测温仪器，其包括温度获取单元，用于获取三个波长对应的实测亮温Ts1、目标的近似真温T以及三个比色温度Tci，其中i的值为1、2和3，三个波长为等间隔；高速计算单元，其进一步包括第一单元，用于根据获取的实测亮温TSl、Ts2、Ts3以及近似真温T的数值，确定目标在三个波长下的发射率ελ1、ελ2、ε λ3;第二单元，根据第一单元计算出的目标在三个波长下的发射率值及近似真温T值，计算目标对应三个波长的比色温度Tc/、Tc2’、Tc3’ ；第三单元，根据实测比色温度与第二单元求·得的比色温度，求得均方差之和Σ AT2如下Σ AT2 =(Tc1-1V)2+(Tc2-1V)2+(Tc3-1V)2 ;第四单元，其令近似真温T’ = T+1，并根据实测亮温TSl、Ts2、Ts3按照第一单元的方式计算出目标的三个波长的发射率ε λ/、ε λ2'、ε λ3'；第五单元，按照第四单元计算得到的发射率ε λ1'、ε λ2'、ε λ3'及Τ’ = Τ+1的值，按照第二单元的方式计算出目标的比色温度值Tc/’、Tc2 ”、Tc/’;第六单元，根据计算比色温度Tc1”、Tc2”、Tc3”值与实测比色温度Tc1、Tc2、Tc3，求得均方差之和为(Σ AT2)’ = (Tc1-Tc广)2+(Tc2-Tc2”)2+(Tc3-Tc/)2 ;第七单元，若(Σ Δ T2), < ( Σ 八1'2)，则近似真温1'’=丁+1比T更接近实际真温1^，则令近似真温Τ” = Τ’ +1 = Τ+2，继续重复第四-六单元的处理过程，直至均方差之和最小时，即认为找出实际真温1^值，若(Σ AT2)’ > ( Σ ΛΤ2)，则近似真温Τ’ =Τ+1已远离实际真温 ^，向反方向求实际真温值，即令Τ’ =Τ-1，继续重复第四-六单元的处理过程算出Σ Δ Τ2，直至均方差之和最小时，即找到实际真温值
图1为本发明测量目标真实温度的辐射测温仪器结构图；图2为本发明测量目标真实温度的辐射测温方法的软件流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1为本发明测量目标真实温度的辐射测温仪器结构图。
本发明的测温仪器为特定波长的三波长(实为三个窄波段)温度计，三个特定波长按照以下原则进行选取(I)三个波长的间隔为等距，且间隔不宜太大。间隔太大影响本专利唯一假定的正确性(见后)。如在近红外区，以O.1 O. 3 μ m(微米)左右为宜。例如取A1 = O-Sym, λ 2 = O. 9 μ m, λ 3 =1. O μ m三个波长来测温。当然间隔也不宜太小，因间隔太小时波长间差异小，影响测量精度。(2)为了减少中间气体吸收对测量影响，上述三波长应避开空气中常见的水蒸气、CO2等气体分子吸收带。(3)为了提高测量精度，上述三波长应选择在常用光电元件光谱灵敏曲线中灵敏度较高的区域。例如上述选取O. 8 1. O之间三个波长，即选取常用硅光电管灵敏度较高的区域。(4)为了数据处理方便，目标光辐射强度变化范围(对应为目标温度范围)，应选择在光电元件线性区工作范围内。因此温度计的光电元件输出的光电流讯号比例于该波长时目标的辐射强度。(5)这台三波长温度计先用黑体炉分度；可分别得到三条亮度温度分度曲线(分别对应波长λ1、λ 2、λ 3三个波长)，及三条比色温度分度曲线(分别对应波长A1K λ2，波长A1K λ3，λ2比λ3);以及近似真温分度曲线R = f (T)(详见后(5)及(6)式)。当用这台三波长温度计测量目标温度时，可同时得到目标的三个亮度温度，三个比色温度及一个近似真温T，共7个参数。然后通过本发明提供的数学模型，按图2所示软件运算流程，迅速计算出目标的真实温度 *。其中原则(I)及(5)最为重要，它反应了本发明特点，其他三个原则与一般温度计相同。。参照图1，本发明测量目标真实温度的辐射测温仪器(下面简称测温仪)包括物镜(可调焦)1、带中心小孔的反射镜2、瞄准反射镜3、目标成像小透镜4、由电机M带动的调制盘5、测量光电管6、发光二极管LED7、控制用同步光电管8、观察用目镜9。测温仪的物镜I可调焦，将目标成像于带中心小孔的反射镜2上。由2反射的光经反射镜3再反射后，经目镜9成像供人眼观察瞄准用。反射镜2中心小孔的光透过反射镜2后，由目标成像小透镜4聚焦成像在测量光电管6上。因此中心小孔的直径决定测量点的直径；物镜I的焦距f除以中心小孔直径d，即f/d的数值为测温仪的重要指标，称为测温仪的距离系数。测温用的光线经过4后，需通过由调制电机M带动的调制盘。调制盘上装有三个窄带滤光片，分别让λρ λ2、λ 3三个波长的光分时通过调制盘，照射在测量光电管6上。调制盘上有一个小 孔，当安装在调制盘左侧的发光二极管LED的光透过小孔，短时间照射在同步用光电管8上。在调制盘每转动一周时产生一个同步脉冲信号，同步信号用于信号处理时区分三个测量波长的信号。测量光电管6的信号经前置放大器及A/D转换后，与同步信号共同输入到存储器。因存储器内事先(在用黑体炉分度测温仪时)已存储三个波长的三条亮度温度及三条比色温度的分度曲线及R = f (T)曲线(见后说明)；故通过存储器可迅速查找出对应三个波长的亮温Tsl、Ts2、Ts3及比色温度Tel、Tc2, Tc3及近似真温T的数值。将Tsl、Ts2、Ts3、τ" τ 、Td及T的数值输入到高速计算单元，按图2所示迭代运算软件流程，可快速计算出目标的真实温度的数值。采用现代快速计算技术，可以在一百毫秒内完成迭代运算，可以认为是实时测量真实温度。图1所示的测温仪的结构中，选通三个波长是通过调制盘5转动实现的。实际上选通三个波长还可以通过棱镜分光，以及析光镜等方法实现。实现选通三个波长的方法很多，它不影响本发明的实现与效果。当用黑体炉标定测温仪时，对应某波长的光电元件输出的光电流值Ιλ为L=kA M (入「)=k C1 V5 [ec/ l -1]'1(I)
式中Ιλ为对应波长λ测温仪的光电元件的光电流值；kA为对应波长λ测温仪的光电元件光电转换系数(波长确定后为常数)；Μ(λ.Τ)为普朗克公式，式中Cp C2分别为第一辐射常数和第二辐射常数；T为黑体炉温度；λ为波长。在大多数实用场合C2 >>λ Τ，用维恩公式可以足够精确地替代普朗克公式，则上述(I)式简化为
权利要求
1.ー种测量目标真实温度的辐射测温方法，该方法包括 步骤1，通过三波长辐射测温仪获取三个波长对应的实测亮温Ts1、目标的近似真温T以及三个比色温度Tci，其中i的值为1、2和3，三个波长为等间隔； 步骤2，根据实测亮温TSl、Ts2, Ts3以及近似真温T的数值，确定目标在三个波长下的发射率 e ai> e a2> e A3 ； 步骤3，根据步骤2计算出的目标在三个波长下的发射率值及近似真温T值，计算目标对应三个波长的比色温度Tc/、Tc/、Tc/ ； 步骤4，根据步骤I中的实测比色温度与步骤3中计算出的比色温度，求得均方差之和E A T2 如下E AT2 = (Tc1-Tc/ )2+(Tc2-Tc2，)2+(Tc3-Tc/ )2 ； 步骤5，令近似真温T’ = T+1，并根据实测亮温TSl、Ts2, Ts3按照步骤2的方式计算出目标的三个波长的发射率eAI' > ￡ X2'、eA/ ； 步骤6，按照步骤5计算得到的发射率ノ、e A3'及T’= T+1的值，按照步骤3的方式计算出目标的三个比色温度值Tc/’、Tc/’、Tc/’ ； 步骤7，根据计算的比色温度TCl”、Tc2”、Tc3”值与实测比色温度TCl、Tc2、Tc3，求得均方差之和为(E AT2)，= (Tc1-Tc1 ”)2+(Tc2-Tc2”)2+(Tc3-Tc/)2 ； 步骤8，若(E AT2)’< ( E AT2)，则近似真温T’ = T+1比T更接近实际真温T真，则令近似真温T”= T’+l = T+2，继续重复步骤5-7，直至均方差之和最小时，即认为找出实际真温T^t， 若(E AT2)’>(E A T2)，则近似真温T’ = T+1已远离实际真温T真，向反方向求实际真温值，即令T’ = T-1，继续按步骤5-7算出E AT2，直至均方差之和最小时，即找到实际真温值Tか
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在近红外区，三个波长之间的间隔范围在0.1 0. 3 u m0
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2，发射率eA1、e A2、e A3通过下式求得ら1 =バ^^)，其中，f分别为波长入1、入2、入3对应的目标发射率e M、e W、e U ;Im分别为波长h、A2,入3对应的目标光谱辐射强度所产生的光电流L(A1.T)分别为波长入1、入2、入3三条标定曲线，近似真温T对应的光电流。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤3，通过下式来计算目标对应三个波长的比色温度Tc/、Tc/、Tc/
5.一种测量目标真实温度的辐射测温仪器，该测温仪器为三波长测温仪器，其包括 温度获取单元，用于获取三个波长对应的实测亮温Ts1、目标的近似真温T以及三个比色温度Tci，其中i的值为1、2和3，三个波长为等间隔；高速计算单元，其进一步包括第一单元，用于根据获取的实测亮温TSl、Ts2, Ts3以及近似真温T的数值，确定目标在三个波长下的发射率ε λ1、ε λ2、ε λ3 ；第二单元，根据第一单元计算出的目标在三个波长下的发射率值及近似真温T值，计算目标对应三个波长的比色温度Tc/、Tc2 \ Tc/ ；第三单元，根据实测比色温度与第二单元求得的比色温度，求得均方差之和Σ Λ T2如下Σ ΔΤ2 = (Tc1-Tc/ )2+(Tc2-Tc2，)2+(Tc3-Tc/ )2 ；第四单元，其令近似真温T’ = Τ+1，并根据实测亮温TSl、Ts2、Ts3按照第一单元的方式计算出目标的三个波长的发射率ε λ/、ε λ 2' > ￡ λ3/ ；第五单元，按照第四单元计算得到的发射率ε λ/、ε λ2'、ε λ3'及Τ’ = Τ+1的值， 按照第二单元的方式计算出目标的比色温度值Tc/’、Tc2”、Tc/’ ；第六单元，根据计算比色温度Tc/’、Tc2", Tc/’值与实测比色温度TCl、Tc2, Tc3，求得均方差之和为(Σ ΔΤ2)’ = (Tc1-Tc1")2+ (Tc2-Tc2" )2+ (Tc3-Tc3")2 ；第七单元，若(Σ ΛΤ2)’< ( Σ Λ T2)，则近似真温Τ’= Τ+1比T更接近实际真温 ^， 则令近似真温T”= T’+l = T+2，继续重复第四-六单元的处理过程，直至均方差之和最小时，即认为找出实际真温T真值，若(Σ AT2)’ > ( Σ ΛΤ2)，则近似真温T’ = T+1已远离实际真温 *，向反方向求实际真温值，即令Τ’ = T-1，继续重复第四-六单元的处理过程算出Σ ΛΤ2，直至均方差之和最小时，即找到实际真温值6、根据权利要求5所述的测温仪器，其特征在于，在近红外区，三个波长之间的间隔范围在O.1 0.3 μ m。
6.根据权利要求6所述的测温仪器，其特征在于，在第一单元中，发射率ελ1、ελ2、ε Λ3通过下式求得q= _77^V其中，Ρ分别为波长λ1、λ2、λ 3对应的目标发射率 分别为波长λ1、λ2、λ 3对应的目标光谱福射强度所产生的光电流Ιλ 、 I 2 L35I(^1-T)分别为波长λρ λ2、λ3三条标定曲线，近似真温T对应的光电流。
7.根据权利要求6所述的测温仪器，其特征在于，第二计算单元通过下式来计算目标对应三个波长的比色温度Tc/、Tc/、Tc/
8.根据权利要求5-7任一项所述的测温仪器，其特征在于，该仪器进一步包括物镜、带中心小孔的反射镜、瞄准反射镜、目标成像小透镜、由电机M带动的调制盘、测量光电管、发光二极管LED、控制用同步光电管、观察用目镜。
9.根据权利要求8所述的测温仪器，其特征在于，其中测温仪的物镜可调焦，将目标成像于带中心小孔的反射镜上，由带中心小孔的反射镜反射的光经瞄准反射镜再反射后，经目镜成像供人眼观察瞄准用，带中心小孔的反射镜的中心小孔的光透过该反射镜后，经过目标成像小透镜后，通过由调制电机M带动的调制盘，调制盘上装有三个窄带滤光片，分别让λ P λ 2、λ 3三个波长的光分时通过调制盘，照射在测量光电管上，调制盘上有一个小孔， 当安装在调制盘左侧的发光二极管LED的光透过小孔时，短时间照射在同步用光电管上， 在调制盘每转动一周时产生一个同步脉冲信号，同步脉冲信号用于信号处理时区分三个测量波长的信号，测量光电管的信号经前置放大器及A/D转换后，与同步脉冲信号共同输入到存储器。
全文摘要
本发明公开了一种测量目标真实温度的辐射测温方法，包括通过三波长辐射测温仪获取三个波长对应的实测亮温Tsi、目标的近似真温T以及三个比色温度Tci，三个波长为等间隔；根据实测亮温Ts1、Ts2、Ts3以及近似真温T的数值，确定目标在三个波长下的发射率ελ１、ελ2、ελ3；根据计算出的目标在三个波长下的发射率值及近似真温T值，计算目标对应三个波长的比色温度Tci’；根据实测比色温度与计算比色温度，求得均方差之和∑ΔT2；利用改变(Δ＝1)后的近似真温的值进一步计算发射率以及比色温度值，进一步求得实测比色温度与该计算比色温度的均方差，比较两个均方差的大小，直至均方差之和最小时，即找到实际真温值T真。利用本发明的方法，可测得目标的真实温度。
文档编号G01J5/00GK103048050SQ201210417758
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年7月30日
发明者肖功弼, 张文生 申请人:中国科学院自动化研究所