[发明专利]一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法

权利要求书

1.一种基于比色测温的金属材料表面温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过对不同温度的黑体炉使用双波比色红外热像仪进行测量，拟合出两个波长下热像仪测量值的比值和两个波长下黑体炉辐射强度之间的关系；

(2)在不同的烘烤温度下使用双波比色红外热像仪对金属样品进行测量，计算各个烘烤温度下金属样品的发射率，拟合出金属样品表面温度与发射率的关系；

(3)在对金属目标实际测温时，利用双波比色红外热像仪测得的图像灰度值，计算两个波长下热像仪测得的辐射强度的比值，通过该比值计算出金属目标表面的真实温度；

在所述步骤(1)中，包括以下步骤：

(a)来自真空高温炉内部的辐射首先通过红外窗口，然后进入分光器，分光器由一块分束镜和两块单波长滤光片组成，分束镜使辐射一部分发生反射，一部分发生透射，透射辐射和反射辐射分别通过中心波长为λ₁和λ₂的单波长滤光片，并且两块滤光片中心波长相近，红外热像仪同时测量这两部分波长不同的辐射，红外热像仪的控制软件中将两部分波长不同的辐射分别显示在两个灰度图上，并且各占预览窗口的一半；

(b)将黑体炉放入真空高温炉内部，将黑体炉作为待测目标，使用双波比色红外热像仪对目标进行测量，根据热像仪图片灰度值计算出热像仪测量到波长为λ₁的辐射强度为L₁，波长为λ₂的辐射强度为L₂，L₁和L₂可以表示为：

L₁＝[W(λ₁,T)×h₁×k₁×τ₁+S₁]×R₁ (1)

L₂＝[W(λ₂,T)×h₂×k₂×τ₂×(1-r)+S₂]×R₂ (2)

其中，h₁和h₂分别表示大气对红外辐射的衰减；k₁和k₂分别表示分束镜的透过率和反射率；r表示反光镜对辐射的损耗；τ₁和τ₂分别表示中心波长为λ₁和λ₂的单波长滤光片的透过率；S₁和S₂是热像仪的自身辐射；R₁和R₂是热像仪的响应系数；W(λ,T)表示温度为T，波长为λ的黑体发出的辐射强度，可以用普朗克公式计算：

(c)L₁和L₂之比可以表示为式(4)：

用a表示R₁×h₁×k₁×τ₁，b表示R₁×S₁，c表示R₂×h₂×k₂×τ₂×(1-r)，且c不为零，d表示R₂×S₂，那么式(4)可以写为：

即：

(d)当黑体炉温度已知时，式(6)中W(λ₁,T)和W(λ₂,T)可以通过式(3)算出，L₁和L₂可以通过热像仪图像灰度值算出，用y表示用x₁表示W(λ₁,T)，用x₂表示且c不为零，式(6)可以表示为：

(e)依次将黑体炉设定为多个温度，记录热像仪图像的灰度值，得到一组y和对应的x₁和x₂，拟合得到和的值，即可得到λ₁、λ₂波长下热像仪测量值L₁和L₂的比值和λ₁、λ₂波长下黑体炉辐射强度W(λ₁,T)、W(λ₂,T)之间的关系，如式(8)所示：

在所述步骤(2)中，包括以下步骤：

(f)移去真空高温炉内部的黑体炉，将金属样品固定，在真空高温炉烘烤状态时使用双波比色红外热像仪对金属样品进行测量时，类似式(8)可得：

其中，L₁和L₂分别表示在金属样品表面温度为T时热像仪测量到的中心波长为λ₁和λ₂的辐射值，L₁和L₂可以通过热像仪图像的灰度值求出，M(λ₁,T)和M(λ₂,T)表示从真空高温炉内部发出且通过真空高温炉红外窗口向外传播的中心波长为λ₁和λ₂的辐射值；

(g)M(λ₁,T)由以下三部分组成：

1)由金属样品发出的中心波长为λ₁的辐射M₁(λ₁,T)：

M₁(λ₁,T)＝ε₁×W(λ₁,T) (10)

其中，ε₁表示温度为T的金属样品在λ₁波长下的发射率；W(λ₁,T)表示温度为T的黑体在λ₁波长下的辐射强度，可以由式(3)算出；

2)由真空高温炉内壁发出的，经过金属样品反射后的中心波长为λ₁的辐射M₂(λ₁,T)：

M₂(λ₁,T)＝ε_r1×W(λ₁,T_r)×(1-ε₁) (11)

其中，T_r表示真空高温炉内壁的温度，真空高温炉内壁温度由水冷装置控制，T_r的大小可以根据实际情况设置；ε_r1表示温度为T_r的真空高温炉内壁在λ₁波长下的发射率，真空高温炉内壁的发射率可以认为是1，即ε_r1＝1；W(λ₁,T_r)表示温度为T_r的黑体在λ₁波长下的辐射强度，可以由式(3)算出；

3)由金属样品发出的，经过真空高温炉内壁和金属样品多次反射后的中心波长为λ₁的辐射M₃(λ₁,T)：

M(λ₁,T)就是上述三部分之和，即：

因为ε_r1＝1，且ε₁＜1，所以当辐射在金属样品和真空高温炉内壁之间反射多次，即n较大时，M₃(λ₁,T)可以忽略不计，所以式(13)可以写为：

M(λ₁,T)＝ε₁×W(λ₁,T)+(1-ε₁)×W(λ₁,T_r) (14)

(h)M(λ₂,T)与M(λ₁,T)的计算方式相同，所以M(λ₂,T)可以表示为：

M(λ₂,T)＝ε₂×W(λ₂,T)+(1-ε₂)×W(λ₂,T_r) (15)

其中，ε₂表示温度为T的金属样品在λ₂波长下的发射率；W(λ₂,T)表示温度为T的黑体在λ₂波长下的辐射强度，可以通过式(3)算出；W(λ₂,T_r)表示温度为T_r的黑体在λ₂波长下的辐射强度，可以通过式(3)算出；

(i)当两个波长λ₁和λ₂相近时，同一温度且表面状态相同的金属样品的发射率可以认为近似相等，并且只与温度有关，即ε₁＝ε₂＝ε。分别用W₁和W₂表示W(λ₁,T)和W(λ₂,T)，用W_r1和W_r2表示W(λ₁,T_r)和W(λ₂,T_r)，式(9)可以表示为：

(j)在真空高温炉烘烤状态下，金属样品的真实表面温度T可以通过安装在其表面的热电偶测得，真空高温炉内壁温度T_r通过水冷装置控制，将温度和波长代入式(3)，W₁、W₁、W_r1、W_r2的值均可算出；L₁和L₂可以通过预览窗口两个灰度图上待测点的灰度值求出，此时式(16)中仅有发射率ε这一个未知量，此时金属样品在烘烤温度T下的发射率ε即可求出；

(k)在多个不同的烘烤温度下计算金属样品的发射率，得到一组金属样品表面温度T与对应的发射率ε，使用式(17)所示的函数模型拟合出金属样品表面温度T与对应的发射率ε的函数关系：

拟合结果用式(18)表示：

ε＝f(T) (18)

在所述步骤(3)中，包括以下步骤：

(l)在对金属目标进行实际测温过程中，式(16)依然成立，将式(18)带入到式(16)中，通过热像仪图像的灰度值可以计算出L₁和L₂，此时式(16)等号右侧仅有金属目标表面温度T这一个未知量，将代入式(16)即可求出金属目标表面温度T。