[发明专利]基于粗精二级分光结构的非稳环境瞬态温度测量装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测试领域，具体涉及一种基于粗精二级分光结构的非稳环境瞬态温度测量装置。

背景技术

在工业生产、医学治疗等许多领域，都涉及到温度的探测，而在许多场合下温度并非保持恒定，相反它正是随时间快速地变化，这种情况下的温度即瞬态温度。对瞬态温度的实时监测，是及时了解系统内部实时工作状态和各种参数相互作用的重要手段。

目前温度测量按照原理分类，可以分为接触式测温和非接触式测温两大类。

接触式测温方法主要是将热电偶、光纤等感温元件直接置于被测温度场或介质中来测量温度，这种方法不受火焰的黑度、热物性参数等因素的影响，具有使用方便，经济耐用等优点。但是，对于燃烧等具有瞬态脉冲特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场的测量手段，主要原因在于接触式测温装置的动态特性不够理想，在测量上有一定的时间滞后，难以及时反应出温度的快速变化，在对高温、高速等离子体测量中会产生导热滞后，难以及时反应出温度的快速变化，无法实现超快速的瞬态测温要求。

在非接触式测温方法中，光谱法是目前公认的测量辐射温度最准确有效的方法，因此近年来国内外的研究集中于对光谱法进行改进从而适应不同环境下的温度测量，如基于激光技术的光谱测温法和基于多路波长通道的光谱测温法。基于激光技术的光谱测温法包括可调谐二极管激光吸收光谱法、激光相关反斯托克斯-拉曼散射光谱测温法以及基于多普勒光谱学的相干成像光谱法等。可调谐二极管激光吸收光谱法（TDLAS）主要分为波长扫描直接吸收法和波长调制吸收法。波长扫描直接吸收法是通过扫描选定的吸收线，利用获得的吸收峰实现对吸收介质相关的测量；波长调制吸收法是基于锁相检测的原理，能够有效的抑制其他频段噪声对测量的影响。TDLAS法测温的主要缺点是在于测量灵敏度低，易受背景噪声的干扰，不能适应恶劣环境下对温度测试的要求。激光相关反斯托克斯-拉曼散射光谱测温法（CARS）是基于非线性光学四波混频的相干拉曼原理，它利用火焰中产生的某些气体（如CO,NO等）吸收激光的某些特征波长后会产生一种特征光谱，通过对该光谱的提取进行温度测量。但目前CARS法研究还只是起步阶段，其测量的准确性尚不能确定，有待深入研究，因此无法满足高精度测温的要求。基于多普勒光谱学的相干成像光谱法的原理是主要基于等离子体光谱线形状和与之作为光源通过干涉系统后得到的干涉条纹为一对傅里叶变换对为基础，根据光谱在高温下产生光谱展宽导致干涉条纹对比度下降这一物理特性，从而恢复所测等离子体温度场的分布情况。但是该方法的缺点在于，对外界振动、噪声等因素的抗干扰性很差，且外界温度的波动会使其引入很大的误差，因此该法同样无法适应恶劣环境下的温度测量。基于多路波长通道的光谱测温法包括双色法、三基色法等。双色法是基于固体热辐射的测温方法，其测量原理是通过测出火焰发射出的辐射光在某两个波长上的强度，然后利用辐射学建立的两个强度与温度的方程，小区一个代表辐射率的未知因子，计算出所要的温度。双色法通过感知测量对象（如火焰）自身的发光强度感知温度，实现非接触式测量，对光路要求低，测试简单。但双色法存在两个缺陷：1.对特征光谱的定位和提取分辨率不高，所提取到的两个工作波长范围较宽，大大影响测量精度；2.波长通道少，只设立两个波长通道提取两个工作波长，引入的强度与温度的方程过少，计算拟合精度过低，很难保证最终的测量精度。三基色法通过分析测量对象所辐射出的光谱的色彩图像来获取其温度，具体原理是：测量对象（如燃烧火焰）辐射出的光谱具有特定的色彩，这些色彩所对应的温度具有唯一性，因此只需要用准确的方法记录下具有这些色彩的图像，然后对这些图像进行分析，便可获得测量对象的温度及其分布。三基色测温法所需要的光路和光学元件较少，但在其工作时，必须提供可供热辐射光谱传播的通道，测试环境的一些恶劣因素，如烟熏、燃烧灰烬的影响等，会使这个通道产生局部污染而造成透射率均匀性减弱，这就降低了温度测量的精度。