一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置及方法與流程

本發明涉及輻射溫度測量領域，尤其涉及一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置及方法。

背景技術：

輻射溫度的測量在能源動力、石油化工、航空航天等領域上有著廣泛的應用需求，例如電站爐膛內部測量溫度測量與控制、內燃機燃燒溫度診斷、燒蝕材料表面溫度測量、熱環境試驗中的結構試驗件溫度分布測量等。

傳統的熱電偶接觸式測溫手段，由于測溫范圍、響應速度和必須接觸測量等局限性，正在逐步被非接觸式且性能穩定的輻射測溫設備所取代。在高溫測量領域，非接觸輻射測溫技術具有獨特的技術優勢，是高溫測量選擇的先進技術之一。近些年來國內外相關研究機構已發展了多種輻射溫度方法與技術，但在工程應用中目前仍以紅外熱像儀、單色測溫儀、比色測溫儀等輻射測溫儀器作為主要的技術手段。

輻射測溫具有熱電偶接觸式測溫所不具備的技術優勢，但輻射測溫儀器應用于實際物體測溫的準確性依賴于實際物體表面發射率。發射率是重要的輻射熱物性參數之一，表征了材料表面的光譜輻射能力，發射率與材料成分、表面狀態、溫度、波長等因素復雜相關，發射率的準確測量一直是計量領域的難點問題，因此發射率的未知性與不確定性就成為了輻射溫度準確測量的關鍵障礙。為解決發射率給溫度測試帶來的影響，研究人員提出了基于特定發射率模型的比色測溫法、多光譜測溫法，通過構造發射率假設模型(灰體、線性、多項式等模型)，實現目標溫度的反演測量，最大程度地減小輻射溫度測量對于發射率準確數值的依賴。然而，發射率假設模型存在較大的不確定性，無法準確描述各類測量物體的發射率分布規律，發射率假設模型對于不同材料的適用性問題是輻射溫度測量中不可回避的重要問題，是上述方法應用的局限性。

因此，針對現有方法應用的局限性及上述關鍵難點問題，提出一種不依賴于發射率準確數值或發射率假設模型的輻射測溫方法，將是非常必要的。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是如何在不依賴于發射率準確數值或發射率假設模型的前提下，提供一種輻射測溫的裝置。

為此目的，本發明提出了一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置，包括：朝向待測物體的輻射測量設備和輔助光源；

所述輻射測量設備，用于在所述輔助光源關閉的狀態下測量所述待測物體輻射的第一輻射強度以及在所述輔助光源開啟的狀態下測量的第二輻射強度，其中，所述第二輻射強度為所述輔助光源發出的經待測物體反射的輻射強度和所述待測物體的輻射強度之和；

其中，所述待測物體的輻射溫度是根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度和所述輔助光源自身的輻射強度確定的。

優選的，所述輔助光源為調頻光源，所述調頻光源開啟或者關閉的頻率是按照預設規則調整的；

所述輻射測量設備的探測頻率與所述調頻光源的頻率相適應。

優選的，所述預設規則為根據所述待測物體的溫度變化頻率確定所述調頻光源的頻率。

優選的，所述輔助光源的光譜響應范圍部分或者全部與所述輻射測量設備的光譜響應范圍重合。

優選的，所述輔助光源設置在以所述待測物體為中心的半球表面。

另一方面，本發明實施例還提供了一種基于輔助光源的輻射溫度測量方法，包括：

利用朝向待測物體的輻射測量設備和輔助光源；

在所述輔助光源處于關閉狀態時，通過輻射測量設備測量待測物體輻射的第一輻射強度；

在所述輔助光源處于打開狀態時，通過輻射測量設備測量所述待測物體輻射的第二輻射強度；其中，所述第二輻射強度為所述輔助光源發出的經待測物體反射的輻射強度和所述待測物體的輻射強度之和；

根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度度和所述輔助光源自身的輻射強度確定所述待測物體的輻射溫度。

優選的，根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度度和所述輔助光源自身的輻射強度確定所述待測物體的輻射溫度，是通過以下公式進行計算的：

其中，T是待測物體的輻射溫度；ε是待測物體的發射率；I_b是在與物體表面相同溫度下的黑體輻射強度，是表面溫度T的單值函數；V₁是第一輻射強度；V₂是第二輻射強度；I_e是所述輔助光源自身的輻射強度。

優選的，所述輔助光源為調頻光源，所述調頻光源開啟或者關閉的頻率是按照預設規則調整的；

所述輻射測量設備的探測頻率與所述調頻光源的頻率相適應。

優選的，所述預設規則為根據所述待測物體的溫度變化頻率確定所述調頻光源的頻率。

優選的，所述輔助光源設置在以所述待測物體為中心的半球表面。

本發明實施例提供的一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置及方法，通過設置輔助光源，并分別在輔助光源關閉和開啟的狀態下測量待測物體的輻射強度，進而根據輔助光源的輻射強度以及待測物體在輔助光源關閉和開啟的狀態下的輻射強度，可以得到準確的待測物體的輻射強度。因此本發明實施例提供的技術方案可以實現待測物體表面溫度的非接觸測量，并使溫度的測量不依賴于發射率預先數據以及發射率假設模型，克服了現有測試輻射溫度方法中發射率數值不確定性以及發射率假設模型局限性給輻射測溫帶來的顯著影響，同時本發明所提供的輻射測溫方法具有非常好的精度、實際可行性以及推廣應用性。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中：

圖1為本發明實施例提供的一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置的結構示意圖；

圖2為本發明另一實施例提供的基于輔助光源的輻射溫度測量方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。

如圖1所示，為本發明實施例提供的一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置，所述裝置包括：朝向待測物體3的輻射測量設備1和輔助光源2；

所述輻射測量設備1，用于在所述輔助光源2關閉的狀態下測量所述待測物體3輻射的第一輻射強度以及在所述輔助光源2開啟的狀態下測量的第二輻射強度，其中，所述第二輻射強度為所述輔助光源2發出的經待測物體3反射的輻射強度和所述待測物體3的輻射強度之和；

其中，所述待測物體3的輻射溫度是根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度和所述輔助光源2自身的輻射強度確定的。

具體的，所述輻射測量設備1，用于測量待測物體3的有效輻射強度；需要說明的是，輻射測量設備1根據測量原理不同、測量光譜不同和空間分辨率的要求不同，可以選擇不同的輻射測量設備1。根據測量的原理不同，可以選擇光電、光熱等各種類型的輻射測量傳感器；根據所測量的光譜的不同，可以選擇可見光、近紅外、長波紅外響應等傳感器，不同的光譜可以適用于不同的測溫區間；根據測量的空間分辨率的要求，可以選擇不同的點、線、面陣測量傳感器。舉例來說，本發明實施例可以使用硅光電傳感器作為輻射測量設備1。

所述輔助光源2，用于照射待測物體3使所述輻射測量設備1獲取第二輻射強度，因此，輔助光源2是可以切換的，這里的切換是指輔助光源2可以在開啟和關閉兩種狀態下進行切換。光源切換的一個周期包括一個開啟和一個關閉兩種狀態。為了配合輻射測量設備1的使用，所述輔助光源2的選擇具有多樣性，包括：鹵素燈、石英燈、鎢帶燈及石墨加熱器等，在本實施例中，可以選擇鎢帶燈作為輔助光源2。鎢帶燈調制頻率可以設定為50HZ，即表示在1s時間內，光源開啟和關閉各50次。輻射測量設備1的采集頻率則可以設為100HZ，1s內采集100次，從而可以保證輔助光源2每次開啟和關閉時，待測物體3的輻射強度都能被探測到。優選的，輻射測量設備1與輔助光源同步工作。

進一步，為了輻射測量設備1可以探測到由輔助光源2發出的待測物體3反射的第二輻射強度，輔助光源2的光譜響應范圍應與輻射測量設備1的光譜響應范圍具有重合的區域。

需要解釋的是，在輔助光源2開啟的狀態下，輻射測量設備1測量待測物體3的有效輻射強度包括兩個部分，

1、待測物體3自發輻射的強度；

2、待測物體3反射來自于輔助光源2的輻射強度。

其中，當輔助光源2處于開啟狀態時，探測到的第二輻射強度表示為自發輻射強度與反射來自輔助光源2的輻射強度，所述反射來自輔助光源2的輻射強度為開啟的輔助光源2在待測物體3反射的輻射強度；當輔助光源2處于關閉狀態時，待測物體3反射來自輔助光源2的輻射強度為零。輔助光源2開啟時自身的輻射強度可以提前由輻射測量設備1測量，也可以根據輔助光源2的產品信息得到，例如，輔助光源2的出廠信息等。

對于輻射溫度的計算，待測物體3在輔助光源2的一個調制周期內(包括一個開啟和一個關閉兩種狀態)，輻射測量設備1所獲取的待測物體3的有效輻射強度可以表示為公式(1)：

其中：T是所求待測物體3的輻射溫度；ε是待測物體3的發射率；I_b是在與物體表面相同溫度下的黑體輻射強度，是表面溫度T的單值函數；V₁是在輔助光源閉合狀態時的物體表面有效調頻輻射強度，即第一輻射強度；V₂是在輔助調頻光源開啟狀態時的物體表面有效調頻輻射強度，即第二輻射強度；I_e是輔助光源2自身的輻射強度。

ε、T是未知量，I_b是表面溫度T的單值函數，為非獨立未知量，可以將其歸結為物體表面溫度T所決定的物理量，V₁、V₂、I_e是已知量。

上述公式所描述的方程組中包括2個表達式，且只有ε、T這兩個未知量，滿足方程數學封閉求解條件，可以通過上述方程組求解出待測物體3的溫度，即在輔助光源2的一個調制周期內，實現了待測物體3溫度的在線非接觸測量。

在所述實施例的基礎上，所述輔助光源2可以是以特定頻率調制的調頻光源。所述調頻光源的調制頻率是指開啟或者關閉的頻率，并可以按照預設規則調整。所述預設規則可以是根據所述待測物體3的溫度變化頻率的不同而改變，也可以按照不同的時間進行不同頻率的調制等等。舉例來說，當待測物體3溫度變化的頻率變大時，所述調頻光源的調制頻率就需要提高；可以當待測物體3溫度變化的頻率變小時，所述調頻光源的調制頻率就可以降低。其中較優的，為了能夠檢測到溫度的每次變化，輔助光源2的調制頻率大于等于溫度的變化頻率。

所述輻射測量設備1可以設置不同的探測頻率，以與所述調頻光源的頻率相適應，其中，可以是調頻光源調制頻率的偶數倍，即當輔助光源2的頻率為50HZ時，輻射測量設備1的頻率可以為100HZ,以滿足所述輻射測量設備1可以分別采集調頻光源在開啟和關閉狀態下的第一輻射強度和第二輻射強度。本發明使用輔助調頻光源的輻射測溫方法，通過輔助光源的頻率及輻射測量設備1的采集頻率設定，可以適用于穩態及瞬態條件下的待測物體3溫度的非接觸測量。

進一步的，所述輔助光源2可以放置在以所述待測物體3為中心的半球表面4。也就是說，輔助光源2應從半球空間照射待測物體3表面；特別的，所述輔助光源2為多個時應當均勻分布在半球表面4。

本發明實施例提供的一種基于輔助光源的輻射溫度測量裝置，通過設置輔助光源，并分別在輔助光源關閉和開啟的狀態下測量待測物體的輻射強度，進而根據輔助光源的輻射強度以及待測物體在輔助光源關閉和開啟的狀態下的輻射強度，可以得到準確的待測物體的輻射強度。因此本發明實施例提供的技術方案可以實現待測物體表面溫度的非接觸測量，并使溫度的測量不依賴于發射率預先數據以及發射率假設模型，克服了現有測試輻射溫度方法中發射率數值不確定性以及發射率假設模型局限性給輻射測溫帶來的顯著影響，同時本發明所提供的輻射測溫方法具有非常好的精度、實際可行性以及推廣應用性。

另一方面，如圖2所述，本發明實施例還提供了一種基于輔助光源的輻射溫度測量方法，該方法可以采用上述的輻射溫度測量裝置，該方法包括：利用朝向待測物體3的輻射測量設備1和輔助光源2；

具體的，包括以下步驟S1、S2和S3，步驟S1和步驟S2的先后順序不限；

S1：在輔助光源2處于關閉狀態時，通過輻射測量設備1測量輻射的第一輻射強度；

S2:在所述輔助光源2處于打開狀態時，通過輻射測量設備1測量所述待測物體3輻射的第二輻射強度；其中，所述第二輻射強度為所述輔助光源2發出的經待測物體3反射的輻射強度和所述待測物體3的輻射強度之和；

S3:根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度和所述輔助光源2自身的輻射強度確定所述待測物體3的輻射溫度。

其中較優的，步驟S3根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度度和所述輔助光源2自身的輻射強度確定所述待測物體3的輻射溫度，是通過以下公式(2)進行計算的：

其中，T是待測物體3的輻射溫度；ε是待測物體3的發射率；I_b是在與物體表面相同溫度下的黑體輻射強度，是表面溫度T的單值函數；V₁是第一輻射強度；V₂是第二輻射強度；I_e是所述輔助光源2自身的輻射強度。

優選的，所述輔助光源2為調頻光源，所述調頻光源開啟或者關閉的頻率是按照預設規則調整的；

所述輻射測量設備1的探測頻率與所述調頻光源的頻率相適應。

優選的，所述預設規則為根據所述待測物體3的溫度變化頻率確定所述調頻光源的頻率。

優選的，所述輔助光源2設置在以所述待測物體3為中心的半球表面。

對于與裝置對應的基于輔助光源2的輻射溫度測量方法，由于其與裝置實施例基本相似，達到的技術效果也與裝置實施例起到的效果相同，所以描述的比較簡單，相關之處參見裝置實施例的部分說明即可。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。術語“上”、“下”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而能夠理解的是，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應當理解，為了精簡本發明公開并幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如權利要求書所反映的那樣，發明方面在于少于前面公開的單個實施例的所有特征。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地并入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。本發明并不局限于任何單一的方面，也不局限于任何單一的實施例，也不局限于這些方面和/或實施例的任意組合和/或置換。而且，可以單獨使用本發明的每個方面和/或實施例或者與一個或更多其他方面和/或其實施例結合使用。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。