[发明专利]一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法

说明书

本发明涉及一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法，属于非接触测温领域。本发明的测量系统包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元；谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，主控处理单元包括主控芯片和A/D电路。该测量方法包括光谱摄取单元设计、光电转换单元设计、光学系统参数标定，标定光敏探测器阵列像元上的波长分布、测量系统的温度曲线标定和待测物体的多光谱温度测量。本发明具有电路结构简单，响应速度快，动态测试范围能力高，系统成本低的特点，采用多光谱测温技术，利用多个通道在不同温度段之间的比值反演温度，具有更高的测温精度。

技术领域

本发明属于光谱温度测量和非接触测温领域，具体涉及一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法。

背景技术

瞬态温度测量在工程中具有广泛的需求，例如在火箭发动机燃烧、航空发动机燃烧、弹药燃爆、煤粉及粉尘燃烧、激光加工等，通过瞬态温度变化的测量，分析燃烧规律和燃爆能量变化过程。在测温领域中，按照测温的手段可以分为接触式测温和非接触式测温。常规的接触式测温方法由于受温度传感器热惯性的影响，难以满足瞬态测温的需求，特别是在高温、爆炸等极端条件下，更难以通过接触式测温的方式获取瞬态燃爆过程中的温度变化全过程信息。与接触式测温方法相比，非接触式测温方法更能有效解决温度快速变化的测温问题，特别适合于高温、甚高温瞬变温度的测量。

目前常用的非接触测温方法有红外热成像测温、激光测温和多光谱测温等方法。红外热成像测温能测量温度分布，但由于受成像器件的响应时间限制，不能实现瞬态温度的测量；激光光谱测温对于常规物体是一种较好的测温手段，然而在辐射光强很强的环境下，激光信号会被掩盖，难以通过观察穿透物体的光束变化来推测物质的组成成分，因此其应用具有一定的局限性；相比于其他非接触式测温，多光谱测温依据普朗克辐射定律，通过辐射光强、多组波长即能推测出温度值，是一种简单、较好的测温手段。这种基于比色测温的思想发展起来的测温方式，与比色测温相比，多光谱测温具有更广泛的应用而不局限于灰体辐射物体的温度测量。但多光谱测温技术需要解决光谱分离及其信息处理等问题。可由于复杂的测温条件，目前还没有一种方法能够满足在所有场景的高速动态温度精确测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法，以通过光路和电路结构设计采集更丰富的光谱信息，并提高温度测量的准确性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统，该测量系统包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元；

所述光谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，各个组成部件顺次摆放，用于实现对光谱信息的分离；其中，望远系统摄取物体光线；孔径光阑控制视场角；准直系统将光线变成同心光束；色散系统用于将同心光束分解成多光谱；聚焦系统用于将色散系统分解后的光谱的不同波长的光线聚焦在不同的像面上；

所述光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，用于对辐射物体的离散化后的光谱进行光电转换；其中，光敏探测器阵列放置在像面上，用于对不同像面上的光谱强度进行光电流转换，输出的电流输入到放大电路中，由放大电路实现电流电压转换，以及信号放大；

所述主控处理单元包括主控芯片和A/D电路，A/D电路用于将电压信号进行模数转换，主控芯片用于根据电压实现温度的标定和测量。

进一步地，所述色散系统包括棱镜或光栅或两者的组合。

进一步地，所述放大电路为多级放大电路组成的高动态范围放大电路。

进一步地，所述光敏探测器阵列包括多个像元，每一个光敏探测器阵列像元上的光电二极管代表一个通道，需要匹配一个放大电路。