一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的制作方法

本发明涉及金属光谱采集的，尤其涉及一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统。

背景技术：

1、近些年来，随着国内外尖端科技快速发展，温度测量无论是对于国防建设领域还是对于工业制造领域都有着极为重要的指导意义和研究价值，尤其在瞬态超高温测量方面，测温精度要求更为严苛，测温方法多种多样，多光谱法由于其精度较高且适用性强，被国内外专家广泛运用。

2、而现有光谱发射率与波长的函数关系一般都采用固定的假设数学模型，当实际光谱发射率与假设模型偏差较大时，最终测温结果也会产生较大误差，为此，我们提出一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统来解决上述提出的问题。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明目的是提供一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其通过建立更加准确的数学模型和算法，减小光谱发射率对整个测温过程的影响实现高精度的辐射温度测量，通过相关测温实验得出系统测温精度得到提升。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，包括：光学单元、分光单元和信号采集及处理单元；所述光学单元包括第一反射镜和望远物镜并负责采集目标光强信息；所述分光单元包括离轴抛物面镜、闪耀光栅和第二反射镜并负责将特征波长进行精细分离及提取；所述信号采集及处理单元包括光电探测器以及与其相关的放大电路并负责将采集到的光强信息转为电压信息输入高速采集卡中，再进行处理得到最终温度结果；其中，整个测温过程包括两次系统标定：特征波长与带宽标定及辐射照度e与电压v之间的函数标定。

5、作为本发明所述基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的一种优选方案，其中：所述特征波长与带宽标定是为了提取目标在特征波长下的辐射信息并采用光纤光谱仪，所述光纤光谱仪能够测量铜、铝、钨、镁、铁、镍、硅元素的温度。

6、作为本发明所述基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的一种优选方案，其中：所述辐射照度e与电压v之间的函数标定基于普朗克定律，测量目标辐射温度是通过测量目标的辐射出射度m再根据相关理论及算法计算得到；所述辐射出射度m代表目标在半球方向上发出的辐射通量，不能通过实际测量得出。

7、作为本发明所述基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的一种优选方案，其中：所述普朗克黑体辐射定律是单位面积黑体在半球方向发射的辐射出射度m(λ，t)是波长λ与黑体温度t的函数：

8、

9、其中，c1是第一辐射常数，c2是第二辐射常数，在实际测量温度时，上式右侧需增加光谱发射率ε，构造光谱发射率ε与特征波长λi的函数关系，通过测量各特征波长λi的辐射出射度值m(λi，t)，求解普朗克定律方程组得到辐射温度t。

10、作为本发明所述基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的一种优选方案，其中：所述光谱发射率与波长的函数关系采用的数学模型为：

11、

12、将该模型作为发射效率函数的基本模型。

13、作为本发明所述基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的一种优选方案，其中：通过所述普朗克辐射定律及发射效率函数，得到辐射温度的计算公式为：

14、

15、式中：a和b分别为目标的长和宽，r为物镜孔径，l为工作物距，f为物镜的焦距；辐射温度测量的系统误差u由ε，λ，a，b，r，l，f，e组成，误差传递公式：

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17、其中发射效率ε根据上述的拟合值与实测值之间的偏差评估系统发射率的精度。

18、作为本发明所述基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统的一种优选方案，其中：所述a，b，r均是通过游标卡尺测量得到，工作物距l通过激光测距仪测量得出，透镜的焦距f是通光具座测量得出，辐射照度e的误差则是由本身数据不确定度以及拟合曲线的偏差两部分组成，根据实际测量结果得出辐射温度的系统精度得到提升。

19、本发明的有益效果：本发明通过建立更加准确的数学模型和算法，减小光谱发射率对整个测温过程的影响实现高精度的辐射温度测量，通过相关测温实验得出系统测温精度得到提升。

技术特征：

1.一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于：所述特征波长与带宽标定是为了提取目标在特征波长下的辐射信息并采用光纤光谱仪，所述光纤光谱仪能够测量铜、铝、钨、镁、铁、镍、硅元素的温度。

3.根据权利要求1所述的基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于：所述辐射照度e与电压v之间的函数标定基于普朗克定律，测量目标辐射温度是通过测量目标的辐射出射度m再根据相关理论及算法计算得到；所述辐射出射度m代表目标在半球方向上发出的辐射通量，不能通过实际测量得出。

4.根据权利要求3所述的基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于：所述普朗克黑体辐射定律是单位面积黑体在半球方向发射的辐射出射度m(λ，t)是波长λ与黑体温度t的函数：

5.根据权利要求4所述的基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于：所述光谱发射率与波长的函数关系采用的数学模型为：

6.根据权利要求5所述的基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于：通过所述普朗克辐射定律及发射效率函数，得到辐射温度的计算公式为：

7.根据权利要求6所述的基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，其特征在于：所述a，b，r均是通过游标卡尺测量得到，工作物距l通过激光测距仪测量得出，透镜的焦距f是通光具座测量得出，辐射照度e的误差则是由本身数据不确定度以及拟合曲线的偏差两部分组成，根据实际测量结果得出辐射温度的系统精度得到提升。

技术总结
本发明公开了一种基于光谱光场成像的金属表面温度瞬态测量系统，包括：光学单元、分光单元和信号采集及处理单元；所述光学单元包括第一反射镜和望远物镜并负责采集目标光强信息；所述分光单元包括离轴抛物面镜、闪耀光栅和第二反射镜并负责将特征波长进行精细分离及提取；所述信号采集及处理单元包括光电探测器以及与其相关的放大电路并负责将采集到的光强信息转为电压信息输入高速采集卡中，再进行处理得到最终温度结果。本发明通过建立更加准确的数学模型和算法，减小光谱发射率对整个测温过程的影响实现高精度的辐射温度测量，通过相关测温实验得出系统测温精度得到提升。

技术研发人员：李舒,王丽丹,冯鑫,李磊,宋发勇
受保护的技术使用者：南京市计量监督检测院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15