基于粗精二级分光结构的非稳环境瞬态温度测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学精密测试领域，具体涉及一种基于粗精二级分光结构的非稳环境瞬态温度测量装置。
【背景技术】
[0002]在工业生产、医学治疗等许多领域，都涉及到温度的探测，而在许多场合下温度并非保持恒定，相反它正是随时间快速地变化，这种情况下的温度即瞬态温度。对瞬态温度的实时监测，是及时了解系统内部实时工作状态和各种参数相互作用的重要手段。
[0003]目前温度测量按照原理分类，可以分为接触式测温和非接触式测温两大类。
[0004]接触式测温方法主要是将热电偶、光纤等感温元件直接置于被测温度场或介质中来测量温度，这种方法不受火焰的黑度、热物性参数等因素的影响，具有使用方便，经济耐用等优点。但是，对于燃烧等具有瞬态脉冲特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场的测量手段，主要原因在于接触式测温装置的动态特性不够理想，在测量上有一定的时间滞后，难以及时反应出温度的快速变化，在对高温、高速等离子体测量中会产生导热滞后，难以及时反应出温度的快速变化，无法实现超快速的瞬态测温要求。
[0005]在非接触式测温方法中，光谱法是目前公认的测量辐射温度最准确有效的方法，因此近年来国内外的研究集中于对光谱法进行改进从而适应不同环境下的温度测量，如基于激光技术的光谱测温法和基于多路波长通道的光谱测温法。基于激光技术的光谱测温法包括可调谐二极管激光吸收光谱法、激光相关反斯托克斯-拉曼散射光谱测温法以及基于多普勒光谱学的相干成像光谱法等。可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)主要分为波长扫描直接吸收法和波长调制吸收法。波长扫描直接吸收法是通过扫描选定的吸收线，利用获得的吸收峰实现对吸收介质相关的测量；波长调制吸收法是基于锁相检测的原理，能够有效的抑制其他频段噪声对测量的影响。TDLAS法测温的主要缺点是在于测量灵敏度低，易受背景噪声的干扰，不能适应恶劣环境下对温度测试的要求。激光相关反斯托克斯-拉曼散射光谱测温法(CARS)是基于非线性光学四波混频的相干拉曼原理，它利用火焰中产生的某些气体(如C0，N0等)吸收激光的某些特征波长后会产生一种特征光谱，通过对该光谱的提取进行温度测量。但目前CARS法研究还只是起步阶段，其测量的准确性尚不能确定，有待深入研究，因此无法满足高精度测温的要求。基于多普勒光谱学的相干成像光谱法的原理是主要基于等离子体光谱线形状和与之作为光源通过干涉系统后得到的干涉条纹为一对傅里叶变换对为基础，根据光谱在高温下产生光谱展宽导致干涉条纹对比度下降这一物理特性，从而恢复所测等离子体温度场的分布情况。但是该方法的缺点在于，对外界振动、噪声等因素的抗干扰性很差，且外界温度的波动会使其引入很大的误差，因此该法同样无法适应恶劣环境下的温度测量。基于多路波长通道的光谱测温法包括双色法、三基色法等。双色法是基于固体热辐射的测温方法，其测量原理是通过测出火焰发射出的辐射光在某两个波长上的强度，然后利用辐射学建立的两个强度与温度的方程，小区一个代表辐射率的未知因子，计算出所要的温度。双色法通过感知测量对象(如火焰)自身的发光强度感知温度，实现非接触式测量，对光路要求低，测试简单。但双色法存在两个缺陷:1.对特征光谱的定位和提取分辨率不高，所提取到的两个工作波长范围较宽，大大影响测量精度；2.波长通道少，只设立两个波长通道提取两个工作波长，引入的强度与温度的方程过少，计算拟合精度过低，很难保证最终的测量精度。三基色法通过分析测量对象所辐射出的光谱的色彩图像来获取其温度，具体原理是:测量对象(如燃烧火焰)辐射出的光谱具有特定的色彩，这些色彩所对应的温度具有唯一性，因此只需要用准确的方法记录下具有这些色彩的图像，然后对这些图像进行分析，便可获得测量对象的温度及其分布。三基色测温法所需要的光路和光学元件较少，但在其工作时，必须提供可供热辐射光谱传播的通道，测试环境的一些恶劣因素，如烟熏、燃烧灰烬的影响等，会使这个通道产生局部污染而造成透射率均匀性减弱，这就降低了温度测量的精度。
[0006]除了以上所述双色法、三基色法之外，常见的基于多路波长通道的光谱测温法如翟洋等人提出了“多光谱瞬态测温计用于动力发射系统火焰测试”(2011年7月《应用光学》第32卷第4期)。其公开了一种瞬态测温装置，即多光谱瞬态测温计，将用于对准目标以及采集目标光谱信号的前置光学机构、用于分离提取多路特征光谱信号的光栅分光机构与用于处理特征光谱信号得到测温结果的信号处理系统集成于一体，利用反射式闪耀光栅与两块非对称安置的球面反射镜组成的不对称的C-T式光栅单色仪结构作为分光机构，对多个波长下的特征光谱进行提取，最终将光谱信号处理后输入计算机分析得到温度测试结果。这一装置的缺点在于:将起到探头作用的前置光学机构与光栅分光机构、信号处理系统所组成的精密测量部分集成装配在一起，在实际测量时，测试现场产生的振动将导致事先装调好的分光机构各光学元件的姿态、位置发生变化，影响特征光谱的精确提取；测试现场的电磁辐射、温度变化等不利因素将对信号处理系统的光电探测器件造成干扰，使其不能在一个稳定的状态下工作，给测量结果带来很大的偶然误差。该装置采用普通反射式闪耀光栅和两块球面镜来组成C-T式分光机构，缺点在于:反射式闪耀光栅的衍射效率只能达到75%左右，对目标光谱的能量利用率不够，会使得最终采集到的特征光谱信号过于微弱，增大对其探测的难度；另外，由于在利用球面反射镜进行准直、聚焦时存在较大的像差，导致了接收靶面上各特征光谱的弥散斑尺寸较大，若相邻两根特征光谱的波长相隔较近，其弥散斑的位置也会相应的相隔很近，甚至会出现不同特征光谱的弥散斑重合的情况，导致特征光谱无法被提取。当特征光谱的弥散斑尺寸较大时，用来提取特征光谱信号的光纤尺寸就得增加，相应地所提取到的光谱带宽就得增加，这样就造成了光谱分辨率的下降。另外，在该装置所采取的系统结构下，当入射光的光谱范围过宽时，经过光栅分光后，短波长的光与长波长的光之间的角度会很大，这样第二块球面反射镜所需的接收面尺寸就得很大。理论上可以通过增加第二块球面镜的口径来获得较大的接收面尺寸接收宽光谱范围的入射光，但考虑到大口径球面镜进行实际加工时的难度与成本，这样做可行性并不高。因此出于分光机构中第二块球面镜的尺寸限制，这种系统结构仅能对较窄的波长范围内的一些元素的特征谱线进行分离提取，这就限制了其测量对象的范围。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种基于粗精二级分光结构的非稳环境瞬态温度测量装置，对存在强电磁辐射、振动、温差变化快等恶劣因素的非稳定环境中的对象的特征光谱信号进行提取，进而实现对目标瞬态温度的测量。
[0008]实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于粗精二级分光结构的非稳环境瞬态温度测量装置，包括前置光学机构、传导光纤、分光机构和信号采集与处理模块，传导光纤一端与前置光学机构连接，另一端与分光机构连接，分光机构再与信号采集与处理模块连接;
所述前置光学机构包括准直物镜、分光镜和CCD，沿光轴依次设置准直物镜和分光镜，目标发射的光谱经准直物镜会聚后，进入分光镜，经分光镜分为反射光和透射光，反射光进入CCD，CCD的靶面等效地位于准直物镜的焦面处，利用它可以在测量时方便地观察并对准远处的目标，透射光进入传导光纤的一端，从传导光纤另一端射出，进入分光机构。
[0009]所述分光机构包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一二元光栅、第二二元光栅、第三二元光栅、第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜、第四离轴抛物面反射镜、第五离轴抛物面反射镜、第六离轴抛物面反射镜、第一接收靶面、第二接收靶面和第三接收靶面；共光轴依次设置传导光纤出射端、第一分光棱镜第二分光棱镜，从传导光纤出射端射出的光，经第一分光棱镜根据谱段不同，分为红外、可见光谱段的第一透射光和紫外光谱段的第一反射光，第一反射光射入第三离轴抛物面反射镜，经第三离轴抛物面反射镜准直后射入第二二元光栅，第二二元光栅将不同波长的光谱分开后射入第四离轴抛物面反射镜，经第四离轴抛物面反射镜聚焦，由第二接收靶面提取经第四离轴抛物面反射镜聚焦后的特征光谱信号；第一透射光射入第二分光棱镜，经第二分光棱镜根据谱