一种多光谱高温计无源温区的标定方法研究

目前,高温测量中,多光谱高温计具有高分辨率与高信噪比的优点,但无源温区(大于3 000℃)标定方法的发展却远滞后于多光谱高温计制造水平,并已严重影响高温计的测量精度和应用范围。为突破高温测量领域中无源温区标定方法的瓶颈,文章提出了一种多光谱高温计无源温区的标定方法。此方法利用已知温度点的多光谱高温计的输出电压U建立了一种基于幂函数的温度-电压(T-U)模型。在此基础上应用导数最小二乘法对模型参数求解,实现对无源温区的标定。理论和实测数据都验证了此方法的有效性与精度。在多光谱高温测量应用的光谱范围(0.4～1.1μm)内,对精度优于3‰,1%和3%的无源温区标定范围做出理论上的划分。

多光谱高温计有效波长标定方法研究

针对光纤式多光谱高温计波长标定中由于光纤耦合导致信号太弱而无法获得有效波长的问题,基于普朗克定律,充分结合不同标定温度点的标定值的比值,提出了一种由温度标定数据来确定有效波长的方法。相比于传统的有效波长标定方法,新方法避免了耗时复杂的波长标定过程可以快速获取有效波长。分别采用仿真和实验两种手段来验证新方法的可行性和有效性。仿真结果表明所提出的新方法可行并且具有一定的抗随机误差能力,所得有效波长计算的真温值与实际值的相对误差小于0.7%。实验结果表明提出的新方法能够得到各个通道的有效波长值,进一步验证了该方法的有效性。所提出的新方法也可应用于其他多光谱高温计,为多光谱高温计的研制和应用提供了理论基础。

两种多光谱高温计无源温区标定方法抗随机误差能力研究

两种多光谱高温计无源温区标定方法,即依据图形相似性原理的标定方法和依据高温计传递函数的标定方法。为验证两种方法的实用性,通过对黑体辐射出度加入不同大小的随机误差模拟不同测量精度的多光谱高温测量系统,对这两种方法的抗干扰能力进行了研究。实验结果证明,依据图形相似原理的标定方法具有强抗随机误差能力,适用于随机误差较大的测量系统。当随机误差很小时,其精度低于依据传递函数的标定方法,但当随机误差增加到一定范围,其精度远高于后者。基于高温计传递函数的标定方法虽在一定的随机误差范围内具有高的外推标定精度,但抗随机误差能力较弱,适用于随机误差小的测量系统。

用于固体火箭羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173K(900℃),不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700K)。为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173K以下羽焰真温的问题,研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法,并且创建了基于对数函数的900~1 173K温区的温度标定方法,从而拓宽了高温计的温度测量范围。针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量,实验结果验证了该高温计的有效性。

用于真空弧等离子体放电阴极温度场测量的多光谱高温计

阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数,对真空弧等离子体的形成、电极腐蚀预测、热传导以及离子源的寿命都有重要影响。真空弧离子源的阴极具有目标小,放电过程快等特点,其温度的测量,对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高,阴极表面温度的测量技术的欠缺,使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响,如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。这无疑给其温度场的测试研究带来困难。针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义,在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求,本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。该高温计采用单色高速CCD相机,主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温,设计了高温计的光学系统,该系统采用4孔径分光系统。将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。该研究设计的高温计可用于2000~6000 K的等离子体温度测量。并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试,测试过程中将研制的高温计,通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄,高温计完全拍摄到等离子体放电过程。利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。实验结果表明,设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息,测量的温度值低于放电电极的沸点温度,与等离子体放电过程中出现气化现象相符,说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。

基于最优化函数的多光谱高温计真温反演算法

未知发射率的制约使得多光谱高温计的数据处理成为一个难题.目前已有的一些解决方案是预先假设发射率与波长或发射率与温度之间存在某种特定的数学关系.但是,发射率假设模型与实际情况存在的偏差严重影响真实温度的反演结果.因此,本文的主要目的是研究不需要预先假设发射率模型的真温优化反演算法.提出了一种新的多光谱高温计的数据处理算法,即基于最优化函数(fmincon)的算法,它不需要预先假设发射率模型.该算法的核心思想是将多光谱高温计的数据处理问题转化为约束优化问题,然后通过fmincon函数求解.对一些典型的光谱发射率模型进行了仿真验证,结果表明该算法的精度和效率很好.火箭喷管温度实验结果表明,该算法的真实温度反演结果与理论设计温度吻合良好.因此,所提出的算法有望成为消除多光谱高温计未知发射率制约问题的真温反演算法.

神经多光谱辐射高温计的研制

研制成功一种新型的与发射率无关的多光谱辐射高温计。采用神经网络技术、棱镜分光技术,克服了以往需要假设发射率与波长函数关系以及光导纤维分光、干涉滤光片限定工作波长的缺点,可用于自动识别大多数工程材料的真温及光谱发射率。

脉冲加热材料热物性多光谱动态测量装置的研制

提出了一种将多光谱测温法和积分球反射法相结合的脉冲加热技术测量材料热物性的新方法 .基于积分球反射法 ,利用多光谱测温法获得材料在多个光谱下的辐射信息 ,可同时获得试样在多个光谱下的法向光谱发射率 .介绍了利用该方法的脉冲加热瞬态热物性测量装置的各组成部分及其工作原理 ,该装置能同时测量带状试样的比热、电阻率。

火工烟火药剂燃烧火焰多光谱辐射测温技术研究

为了准确测量火工烟火药剂的燃烧火焰温度,根据多光谱辐射测温技术的工作原理研制了多光谱高温计;基于二次测量的数据处理方法,得到了燃烧火焰的真实温度。以黑火药为例,采用多光谱高温计对其燃烧火焰的辐射能量进行了测定,应用二次测量法对测得的数据进行迭代计算,从而得到黑火药燃烧温度。实验表明,该多光谱高温计能够很好地应用于火工烟火药剂燃烧温度的测定,且具有高稳定性。为火工烟火药剂燃烧特性的研究奠定了基础。

一种测量金属熔点温度和法向光谱发射率的多光谱数据处理方法研究

金属熔点温度和法向光谱发射率数据是国际上对电流脉冲加热技术测量材料热物性参数的关键比对点。针对连续测量金属熔点附近温度的特点,提出了一种新的发射率假设模型,并在此基础上提出了一种新的多光谱高速高温计的数据处理方法。该方法只需使用多光谱高速高温计作为测量装置,通过处理两个不同时刻多光谱高速高温计的测量数据,由计算可同时获知两个时刻的真温及光谱发射率。经对国外的标准铌试样进行了测试,所得数据与国外同行的测量数据进行了比对,具有较好的一致性,实验结果表明,熔点真温计算值与生产者提供的值之差在±20K以内。

金属防热瓦温度及发射率的测量

为了解决金属防热瓦在连续加热过程中热边表面温度和发射率的测量问题，基于多光谱辐射测温的参考温度数学模型，提出了一种数据处理方法。该方法假设材料的光谱发射率在选定的光谱处与温度有近似相同的线性关系，通过处理2个不同温度点处的多光谱测量数据，从而得到防热瓦的真温及光谱发射率。采用多光谱辐射高温计测量了某种防热瓦在900～1300℃的温度范围内的辐射，并进行数据处理。实验结果表明：只要温度估计初值与真实情况的误差在士200℃以内，即可得到较好的计算温度值和计算发射率值，测量不确定度在2％以内。