专利名称：自适应辐射测温技术的制作方法
技术领域：
本发明为一种辐射测温技术。
温度是人类生活、生产和科学技术领域需要知道的一个重要参数，因此，测量温度受到科技界和产业部门极大的重视。测量温度的方法大致分为接触和无接触两类。无接触测温以普朗克辐射理论为基础，广泛应用于工业、农业自至航天航空等高技术领域。由于受到被测体发射系数，光路上介质散射、吸收和发光，温度仪环境条件变化(温度、湿度等)多种因素的影响，致使辐射测温精度较差，很难测到辐射体表面的真实温度，成为当前辐射测温的难点和科技界主攻的方向。
本发明针对上述缺点，建立了一套自适应的辐射测温理论和技术。
本发明基本思想有两个一是将温度仪在现场所遇情况，包括被测体发射系数、光路介质散射、吸收和发光，被测体表面反射光，测量现场环境温度、湿度变化，光纤对接、弯曲、形变及所有偏离温度仪标定时的理想条件，统统用有效光电转换因子描述，因为这些变异必然体现在温度仪的光电信号发生了变化，即等效为有效光电转化因子的变化。这样处理的物理模型是将被测体看成黑体，让温度仪回到标定理想条件，现场偏离标定状况的一切变化统统用所谓有效光电转换因子等效。这些变化统统体现在温度仪的光电信号变化上。因此它是一个普适性很强的参数；二是用最小二乘法处理测量结果，根据测量数据，寻找被测体真实温度的最佳估计值及测量误差。
附
图1辐射测温示意图附图1说明1—被测辐射体，2—光学镜头，3—单芯长光纤，4—分色装置，5—光电器件，6—模拟处理电路，7—A/D转换，8—PC机或单片机，9—终端。
在现场测温时，温度仪的光学镜头(2)对准被测辐射体(1)。辐射体(1)的发射系数通常不为1，且与波长、它的温度及表面状况有关。辐射体(1)与光学镜头(2)之间的光路上，常出现水蒸汽、烟雾、粉尘等介质。光学镜头(2)采聚辐射体(1)的光信号经光纤(3)传至分色装置(4)。有些工作在环境不太恶劣的温度仪可以省去光纤(3)，通过光学镜头(2)的光信号直接射到分色装置(4)上。分色装置(4)可以是单个干涉滤色片或多根分叉光纤与干涉滤色片组成的系统或由光栅与棱镜组成。分色装置(4)只是单个干涉滤色片，该温度仪谓亮度温度仪；若分成两色叫比色温度仪；分色装置(4)出射光为三束三色以上(包括三色)称多色温度仪。分色装置(4)的出射光经光电器件(5)转换成电信号。光电器件(5)是单个光电器件或内调制光电管，或者是光敏线列或内调制光敏线列或者是光电阵列。由光电器件(5)输出的电信号经模拟电路(6)处理，然后由A/D(7)转换成数字信号进入PC机或单片机(8)计算，最后在终端(9)显示温度和输出信号。
本发明的原理是在普朗克公式和维恩公式的基础上进行了拓宽和实用化，使之更有普遍意义并便于最小二乘法处理数据。
所谓拓宽是指概念上扩展，经过简单运算，用有效光电转换因子ti和tj表示辐射公式1Ti-1T0=λiC2ln1ti---(1)]]>1T0-1Tij=lntitjC2(1λi-1λJ)---(i≠j)---(2)]]>T0是辐射体真实温度，Ti是波长λi下的亮度温度，Tij则是波长分别为λi和λj时的比色温度。
(1)式是具有普遍意义的亮度温度公式，(2)式是普遍意义下的比色温度公式。所谓普遍意义是指在现场测量辐射体的温度时，任何偏离标定条件的状况皆可用上述两式描述和计算，且适合于可见光以上各种波长。
为了能够使用最小二乘法，还必须将(1)式中的 和(2)式中的 展开成多项式ln1ti=α0+α1λi+α2λi2···αnλim---(3)]]>lntitj=α0′+α1′(1λi-1λj)+α2′(1λi-1λj)2···αm′(1λi-1λj)m(i≠j)---(4)]]> λj-λi→0∴α0′＝0因此(4)式得到简化。此外，该展开式收敛快，有利少取项数，在保证一定精度的基础上，减少最小二乘法计算量。
将(3)和(4)式分别代入(1)式和(2)式，稍加整理就可以变成标准形式yi=α0+α1xi+α2xi2+···αmxim+αm+1xim+1---(5)]]>其中α0，α1…αm为特定系数，Yi=1λiTi,xil=λil(l=0,1,···m),]]>xim+1=1λi,]]>αm+1=1T0]]>Yij=α1xij+α2xij2+···αmxijm+αm+1xijm+1---(6)]]>其中a1，a2…am为特定系数，xijl=(1λi-1λj)l,(l=1,···,m),]]>Yij=C2(1λi-1λj)Tij,]]>am+1=1T0,]]>xijm+1=C2(1λi-1λj).]]>利用(5)式和(6)式，只要等精度测量次数β≥m+2，就能得T0的最佳估计值。若β比m+2大很多，就能得到最好的最佳估计值T0，且有较小的误差。温度仪响应速度快，在很多情况下可以满足这个条件。
为了减少测温次数，提高测量速度，可以采用多于两色的辐射温度仪，以比色测温为基础，任选两色进行比色测温。选择比色的次数用排列组合算出。这时，只要等精度测量次数β与排列组合数之和比m大很多时，就可以得到真温的最佳估计值和算出测量误差。所以采用多色可以减少测量次数有利于提高测温速度。若排列组合数大于m+2，即一次测量就可以算出真实温度最佳估计值，达到实时测温的目的。
本发明与现有辐射测温技术比较，具有如下优点1.把测温现场与标定条件的偏离统统归结于有效光电转化因子的变化，使得辐射温度仪适应环境的能力大大提高，有利于该温度仪推广应用。
2.采用最小二乘法处理测试数据能求得辐射体真实温度的最佳估计值，解决了辐射测温长期以来难以测到真实温度的局面。
3.采用双比色自适应测温只选取少数展开项就可以得到 的良好近似。
权利要求
1.一种自适应辐射测温技术，采用有效光电转换因子这个参数和最小二乘法处理测温数据，能够得到复杂条件下被测辐射体真实温度的最佳估计值和测量误差；
2.权利要求1所说的测温技术，其特征在于用有效光电转换因子表示亮度温度和比色温度公式，具体形式是1Ti-1T0=λiC2ln1ti---(1)]]>1T0-1Tij=lntitjC2(1λi-1λJ)(i≠j)---(2)]]>ti和tj分别是波长λi和λj下的有效光电转换因子，T0是辐射体真实温度，Ti是波长λi下的亮度温度，Tij则是波长分别为λi和λj时的比色温度。ti和tj包括发射系数，光路介质的吸收、散射和发光，被测体表面反射光，测量现场环境温度、湿度变化，光纤对接、弯曲、形变及所有偏离温度仪标定条件的所有影响，是一个普适性很强的参数。(1)式和(2)式适合于可见光以上各波长。这样处理的物理模型是将被测体看成黑体，让温度仪回到标定条件，现场偏离于标定条件的一切变化，用有效光电转换因子统一描述。因为一切变化都会表现为温度仪的光电信号发生了变化。
3.权利要求1和权利要求2所说的测温技术，其特征在于展开式ln1ti=α0+α1λi+α2λi2···αnλim---(3)]]>lntitj=α0′+α1′(1λi-1λj)+α2′(1λi-1λj)2···αm′(1λi-1λj)m(i≠j)---(4)]]> λj-λi→0∴α0′＝0零次项消失，多项式收敛快。保证一定精度下少取展开项，有利于减少最小二乘法的计算量。
4.权利要求1和权利要求2所说的测温技术，其特征在于将亮度温度公式(1)和比色温度公式(2)改造成yi=α0+α1xi+α2xi2+···αmxim+αm+1xim+1---(5)]]>其中α0，α1…αm为特定系数，Yi=1λiTi,xil=λil(l=0,1,···m),]]>xim+1=1λi,αm+1=1T0]]>Yij=α1xij+α2xij2+···αmxijm+αm+1xijm+1(i≠j)---(6)]]>其中a1，a2…am为特定系数，xijl=(1λi-1λj)l,(l=1,···,m),]]>Yij=C2(1λi-1λj)Tij,]]>am+1=1T0,]]>xijm+1=C2(1λi-1λj).]]>(5)式和(6)式是标准的最小二乘法处理形式。只要等精度测量次数β≥m+2，就能得到最佳估计值T0。若β比m+2大很多，能得到最好的最佳估计值T0，且有较小的误差。
5.权利要求1和权利要求2所说的测温技术，其特征在于将比色测温推广到多色测温。以比色测温为基础，任选两色比色测温，组合数用排列组合计算。只需等精度测试次数β与排列组合数之和大于(4)式展开项m+2，即可算出真实温度的最佳估计值和测量误差。排列组合数大于m+2，一次测量就可以算出真实温度的最佳估计值和测量误差，达到实时测量真实温度的目的。
6.权利要求1所说的测温技术制造的测温仪由光学镜头(2)、分色装置(4)、光电器件(5)、模拟处理电路(6)、A/D转换(7)、PC机或单片机(8)和终端(9)共7部分组成。环境恶劣的测量现场，在光学镜头(2)和分色装置(4)之间加进单芯长光纤(3)。
7.权利要求6所说的温度仪，其特征在于分色装置是单个干涉滤色片，或多根分叉光纤与干涉滤色片构成的系统或光栅与棱镜组成，光电器件是单个光电器件或单个内调制光电管或光敏线列或内调制光敏线列或光电列阵。
全文摘要
本发明提出了一种自适应的辐射测温技术，通过用有效光电转换因子描述辐射测温公式和采用最小二乘法处理测温数据，可以测到复杂条件下各种温度被测辐射体的真实温度。发射系数，光路中间介质以及恶劣环境是造成辐射测温精度低的主要原因。自适应辐射测温技术能够消除这些影响测到辐射体表面的真实温度。
文档编号G01J5/60GK1470855SQ0213883
公开日2004年1月28日 申请日期2002年7月26日 优先权日2002年7月26日
发明者何民才 申请人:何民才