[实用新型]基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置

说明书

本实用新型公开了一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置，属于辐射法测温技术领域，装置包括沿测量对象的辐射光波的光轴依次设置的透镜组、分束镜和彩色CCD；辐射光波被所述分束镜分成两束后，其中一束透射进入彩色CCD，另一束被反射进入光谱测量模块；彩色CCD用于记录测量对象的彩色图像，光谱测量模块用于测量测量对象的光谱特性；彩色CCD和光谱测量模块均与计算机通讯连接，计算机对所述彩色CCD的测温常数进行自标定，并计算测量对象的温度分布。可实现系统的自标定，装置简单，测温准确性高，应用场景广泛，易推广。

技术领域

本实用新型涉及辐射法测温技术领域，具体地说，涉及一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置。

背景技术

不同燃料燃烧产生的火焰其辐射光谱不同，根据火焰辐射光谱的不同特点，火焰可分为发光火焰和透明火焰两大类。发光火焰内部含有烟粒或固体粒子，火焰辐射处的是0～∞的连续光谱，在可见光谱区内有辐射；透明火焰的辐射光谱多在红外区段，并呈带状或线状辐射。

鉴于火焰发光机理不一，且发射的光谱具有多样性，火焰温度的测量方法亦是多种多样。依据感温元件是否接触火焰对象，火焰温度的测量方法可以分为接触法和非接触法两大类。接触法测温主要有热电偶、热电阻和光纤测温等；非接触式温度传感器不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场，动态响应特性也相对较好，适用于高温条件下的温度测量，其测温上限不受感温元件的耐温程度限制。非接触式温度传感器主要有声波测温、辐射法测温、激光干涉法测温以及光谱法测温等。

辐射法测温法具有测量精度高、非接触、实时连续测量，且可以测高温的优势。在热辐射波长范围400nm到750nm之间，以及温度范围3000K以下，普朗克辐射定律可由维恩辐射定律取代：

其中，I_bλ(T)为火焰单色辐射能(w/m³)，λ为波长(m)，T为温度(K)，ε(λ,T)是火焰发射率(无量纲量)。C₁＝3.741844xl0^-16(W·m²)，C₂＝0.01438833(W·m²)。

如果在两个波长λ₁和λ₂下同时测得同一点发出的单色辐射能和则由两者比值可得该点的温度：

在火焰辐射的灰性假设意义下：

有ε(λ₁,T)＝ε(λ₂,T)＝ε_T，故可得双色测温公式：

此即为比色测温法基本公式。

彩色CCD相机是以CCD图像传感芯片为核心部件，将其光敏元件上所获得的光强信号转换为电信号，并通过一系列处理电路后输出RGB三基色信号。也就是说彩色CCD对发光火焰成像后，令λ_R、λ_G、λ_B分别为R、G、B三通道光谱响应曲线峰值对应的波长，则彩色图像卡采集到的信号就包含了λ_R、λ_G、λ_B对应3个波长下的强度值，任取其中两个波长下的强度值，代入比色测温公式即可以计算出温度T。实际上，由于CCD器件本身的特性，加上信号的光/电转换和A/D转换以及拍摄条件的不同，使得实测温度T与真实温度差别较大。为了增加系统的测量精度，一般利用黑体炉对测温系统进行标定。但是实际测量对象复杂多变，辐射特性与黑体炉有一定的差异，即使用黑体炉进行标定，测量偏差仍较大。

实用新型内容

本实用新型的目的为提供一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置，实现彩色CCD测温系统的自标定，同时提高彩色CCD测温系统的测量精度。