专利名称：一种基于物体发射光谱的温度测量方法
技术领域：
本发明属于温度测量技术领域，涉及一种物体的温度测量方法，尤其适用于激光 制造与再制造过程中高温物体温度的测量。
背景技术：
温度作为激光制造及其再制造过程中一个重要参数，在熔池、晶粒的控制以及材 料的力学性能等方面都有着极其重要的作用。目前激光制造过程中温度的测量方式分为接 触式测温和非接触式测温两种。热电偶作为目前接触式测温的主要方式，但是其具有如下 几个缺点首先，此方法有着一定的滞后性，只能实现温度的间断测量；其次，热电偶插入 的位置及深度由经验判断，因此有一定的随机性；再者，对一块金属材料不间断重复热处理 时，无法及时更换热电偶；最后热电偶价格昂贵，且消耗迅速。非接触测温则以辐射测温为主。目前的辐射测温主要有亮度法、辐射法、比色法、 多波长法等，下面分别介绍各种方法以及与本发明的区别。1、亮度法与辐射法用人的眼睛或光电倍增管为接受器件，在特定波长下比较标准 光谱线与被测光谱线是否相等或成比例，从而判定温度(例如中科院环境光学与技术重点 实验室刘志明等人的《基于傅里叶变换红外光谱的热辐射体温度遥测新方法研究》以及河 北理工大学王丰等人的《红外测温技术在高温液体连续测温系统中的应用》等)。但是该方 法极容易受到环境影响，误差很大。同时该方法计算过程非常复杂，无法进一步推广。2、比色法(双色法)是通过选定两个特定通道，求其光强的比值从而达到消除环 境影响以及发射率的目的。目前该方法研究非常成熟，主要用于测量锅炉炉膛火焰的温度 (例如北京理工大学李少辉等人的《图像比色法在炉膛火焰温度场实时监测的研究》，中 科院沈阳自动化研究所的姜淑娟等人的《利用图像比色法进行激光熔池温度场实时检测的 研究》以及华中科技大学姜志伟等人的《基于图像处理的火焰温度及辐射率图像检测法》 等)。但是，该方法仍有一定缺陷，主要来源于(1)比色法在选定相比的两个波长时其选取 原则与数据处理原则相冲突；(2)该方法成立的条件是待测物体的发射率不随波长的变化 而改变(即物体为绝对灰体或者近似为灰体)，故而在实际情况中有一定的使用限制；(3) 若介于测量仪与被测物体之间的介质对双波长中的一个有强烈的吸收时，则此方法无法使 用。3、多波长(多光谱)测温法是目前研究阶段较为主流的一种方法。该方法是通过 假定发射率模型，将其带入到光谱强度与温度的关系中，然后利用多通道光谱仪采集的待 测物体的光谱信号，最后逐步回归得到发射率及温度(例如哈尔滨工业大学戴景民、孙晓 刚等人的《多波长法金属防热瓦表面温度及发射率的测量》、《多光谱测温法建模方法的研 究》，西北工业大学曾学军等人的《材料表面温度的多光谱测量技术研究》以及中国科技技 术大学程晓舫等人的《基于辐射的温度测量方程的构造研究》)。此方法同样也有一定的误 差，主要来源于(1)假定的发射率模型只是在一定范围内才能近似符合真实情况，而且该 模型并不是适合所有事物，有一定的局限性；(2)此方法也是接受绝对光强，故容易受到环境影响，而且当改变工作场地后需要重新对其进行调试。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于物体发射光谱的温度测 量方法，合理选用光强、波长与温度关系作为数据处理依据，减小物体的发射率对测量结果 的影响，采集较多的数据测量点信息以提高抗干扰能力，不受被测物体材料的影响，从而提 高温度测量的准确性和普适性。为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案一种基于物体发射光谱的温度测量方法，包括如下步骤(1)利用光谱仪采集某温度下的待测物体发出的连续光谱并对该连续光谱进行滤 波和平滑处理；(2)根据50 150nm光谱宽度范围内的光谱数据获得1η(Ε(λ，Τ) · λ 5)关于+
的变化曲线并采用线性拟合方法求出该变化曲线的斜率Α，再根据方程A = -G2/T获得待测物体温度Τ;其中，Ε( λ，Τ)为光谱强度，λ为辐射波长，T为物体温度， C2 = 1. 43879 X 10-2m/K为第二辐射常数。所述光谱强度与辐射波长均为光谱仪中测得的结 热辐射测温的基本原理基于黑体辐射定律，即温度为T的黑体发出的光谱与T有 一定的关系，其光谱强度由普朗克公式给出 对于一般物体，上式则转换为如下所示 式中ε (λ,Τ)为物体的光谱发射率，其值是物体温度和辐射光谱波长的函数。入 为辐射波长，T为物体温度，c为真空中光速，h = 6. 6261 X IO-34J · s为普朗克常数，k = 1. 3807 X IO-23J · K-1为波尔兹曼常数。在实际测量中，当物体的(λ · Τ) << 1时，即可用维恩公式代替普朗克公式，如 下所示 式中C1 = 3. 7415 X IO-16W · m2 为第一辐射常数，C2 = 1. 43879 X 10_2m/K 为第二辐 射常数。由于上式中温度与光谱发射率交错在一起，因此在无法准确知道发射率的情况下， 温度测量一定存在很大的误差。对上式移项并取以e为底对数后可得 式(4)中，包含发射率项被单独移动到等式的尾部，与波长分开，减少了温度测量 的误差；而在50 150nm波长宽度范围内，包含发射率项In ε ( λ，T)与In (Ε ( λ，Τ) · λ 5)
值相比很小，可以忽略；因此，由式⑷可以看出方程左面1η(Ε(λ，Τ) · λ5)与+呈线性关
Λ
系，且其斜率为温度倒数的C2倍。这样，只需通过光谱仪测得一定波长宽度范围内的多个测量点的波长及其光强值，就可得到方程斜率，即可求得物体温度T。进一步，本技术方案尤其适合于激光制造与再制造过程中的测温，待测物体温度 范围在1400 1900°C。对于较低温度，可以通过采用不同波段测量范围的光谱仪测得。本发明通过光谱仪采集得到的连续光谱需要进行滤波和平滑处理，本发明采用的 滤波处理是通过使用MATLAB设置滤波参数，将原始光谱中的高频噪声去掉。其他常规的滤 波方法，亦可以取得效果。本发明所述的平滑处理，是采用最小二乘法对过滤掉高频噪声后 的光谱信号进行拟合，不同的拟合方法得到的结果只要和原始光谱形状基本吻合即可满足 要求。进一步，为了保证测量准确，上述步骤2)优选根据80 120nm(更优选IOOnm)光
谱宽度范围内的光谱数据获得1η(Ε(λ，Τ) ·λ5)关于+的变化曲线并采用线性拟合方法求
Λ
出该变化曲线的斜率Α，进而获得物体温度Τ。本发明步骤(2)在确定光谱宽度范围后，对于在连续光谱上具体光谱区段的选择 没有特别要求，但应尽量避免选择左右两端的光谱数据。本发明为了更加简单地求出物体的温度，合理地选用了光谱强度与温度关系作为 数据的处理依据；考虑到测量中物体的发射率对测量结果的影响，对该方程进行了移项求 对数的数学处理，最终将发射率移到关于光谱强度与波长的线性方程的尾部，如此便可以 使发射率对方程斜率的影响大大降低(方程的斜率即为温度的倒数)；同时本发明由于收 集了较多的数据测量点信息，故而对于某个或几个由于介质的选择吸收而畸变的测量点有 较强的抗干扰能力，从而提高温度测量的准确性和普适性。比较而言Α)相比于亮度法和辐射法测温，本发明由于采用光谱仪作为接收元件，并根据本 方法应用领域的实际情况，采用光谱强度与温度的物理关系对测得数据进行计算求解，故 而较之传统的亮度法与辐射法有较高的测量精度且测量过程简单。B)较之目前成熟的比色法测温，本发明具有更好的普适性和准确性。首先，由于本 发明很大程度上减小了发射率变化对测量结果的影响，因而无需考虑比色法中，在选定相 比的两个波段时，其波段的选择与数据处理原则相冲突的问题，也无需考虑待测物体是否 为灰体或近似为灰体；其次由于本发明所选取的测量点分布范围相比广、数目多，因此对某 些由于受到环境选择性吸收而畸变的测量点有着很强的抗干扰性。C)相对于多波长测温法，本发明通过对光谱强度与温度关系的物理关系移项以及 取对数处理，极大地减小了发射率不确定性对线性方程斜率的影响，也无需选择性地考虑 材料，进而提高了温度测量的准确性和普适性。
图1是实施例1的实验装置结构示意图；图2是实施例1的原始光谱分布图；图3是实施例1中一个样本光谱经过滤波和平滑处理后的效果图；图4是实施例1中全部样本光谱经过滤波和平滑处理后的效果图；图5 (a)、图5 (b)、图5 (c)分别是三个样本光谱的In (Ε ( λ，Τ) · λ 5)与|的线性关系图，其中5(a)表示1630°C的物体样本，5(b)表示1700°C的物体样本，5 (c)表示1870°C的 物体样本。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做一个详细的说明，但本发明的保护范围 不限于此。实施例1 本实施例采用的实验装置如图1所示，其中，加热部分采用7KW大功率C02激光器 3作为加热源，以普通45#钢作为被测材料。测量过程中为了得到平稳的温度上升曲线，防 止温度上升过快，将激光器的输出功率设定为750W，并持续照射同一点。采用光纤光谱仪 1采集光谱，其采集波段为400nm 950nm。为防止加热过程中烟气对光谱强度的影响，在 被测材料旁安置了抽烟系统5。实验中采用热电偶7与红外温度测量仪4相结合，利用热 电偶对红外温度测量仪补充验证办法获得真实温度以检验光谱仪测量系统的精确度即在 光谱仪的另一侧装配一个支架，将一台德国Metis红外温度测量仪4固定其上，使红外温度 测量仪4的测量点与激光加热点(熔池6)以及光谱仪的光纤探测器2的测量点重合，与此 同时，在激光加热点的背面相同点深埋入一个热电偶7，测量开始时结合热电偶温度上升曲 线，从红外温度测量仪波动曲线中得出激光加热点的真实温度。本实验采用计算机8进行 数据处理。实验过程如下根据红外温度测量仪上的读数选取11个温度测量值，分别记录各自的光谱强度 和温度，这样共获取11个样本光谱，温度变化范围从1530°C到1900°C。光谱的波长范围 从400至950nm，对应的原始光谱如图2所示；由于受到外界环境的影响，图2中各光谱分 布曲线混杂着背景噪声以及高频噪声，因此为了更加准确地得到测量，必须对其进行去噪 平滑处理，本实施例采用MATLAB滤波函数对光谱样本数据进行滤波，滤波后再用高阶高斯 曲线对其拟合，效果如图3所示，采用此种方法平滑处理，可得到很好的处理效果，图4是 11个光谱样本数据平滑后的效果图。为了能够更加直观地从等式(4)两面看出1η(Ε(λ，
Τ) ·λ5)与+的线性关系，使用MATLAB的可视性，对等式(4)作图，得到图5 ；由图5可以直 Λ
观地看出1η(Ε(λ，Τ) · λ5)与+之间存在着线性关系，且其斜率为负值，事实上也是，在选 取的辐射波长范围内(600 700nm)线性相关系数值均在90%以上，故而有着很好的线性 相关性，采用MATLAB中cftool工具箱对11个光谱样本的In (Ε ( λ，Τ) · λ 5)关于+的变化
A
曲线(选取的辐射波长范围为600 700nm)进行线性拟合(最小二乘法拟合)求得拟合 斜率，通过该斜率即可求出物体温度。测量结果及测量误差如下表1所示表 1 上表反映了试验中温度测量的误差，可以看出实验的的误差范围在-40-60°C之 间，百分比小于3%，而实际生产实践中对温度的误差的要求为5%以内，由此可以看出本 方法可以满足实际需要。
权利要求
一种基于物体发射光谱的温度测量方法，包括如下步骤(1)利用光谱仪采集某温度下的待测物体发出的连续光谱并对该连续光谱进行滤波和平滑处理；(2)根据50～150nm光谱宽度范围内的光谱数据获得ln(E(λ，T)·λ5)关于的变化曲线并采用线性拟合方法求出该变化曲线的斜率A，再根据方程 <mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>c</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>T</mi></mfrac> </mrow>获得待测物体温度T；其中，E(λ，T)为光谱强度，λ为辐射波长，T为待测物体温度，c2＝1.43879×10 2m/K为第二辐射常数。FDA0000023406750000011.tif
2.根据权利要求1所述的基于物体发射光谱的温度测量方法，其特征在于所述步骤2)中，根据80 120nm光谱宽度范围内的光谱数据获得1η(Ε(λ，Τ) · λ5)关于+的变化Λ曲线并采用线性拟合方法求出该变化曲线的斜率Α，进而获得待测物体温度Τ。
3.根据权利要求1所述的基于物体发射光谱的温度测量方法，其特征在于所述步骤2)中，根据IOOnm光谱宽度范围内的光谱数据获得1η(Ε(λ，Τ) · λ5)关于+的变化曲线并Λ采用线性拟合方法求出该变化曲线的斜率Α，进而获得待测物体温度Τ。
4.根据权利要求1所述的基于物体发射光谱的温度测量方法，其特征在于所述待测 物体的温度在1400°C 1900°C。
全文摘要
本发明公开了一种基于物体发射光谱的温度测量方法，包括如下步骤(1)利用光谱仪采集某温度下的待测物体发出的连续光谱并对该连续光谱进行滤波和平滑处理；(2)根据50～150nm光谱宽度范围内的光谱数据获得ln(E(λ，T)·λ5)关于的变化曲线并采用线性拟合方法求出该变化曲线的斜率A，再根据方程获得待测物体温度T；其中，E(λ，T)为光谱强度，λ为辐射波长，T为物体温度，c2＝1.43879×10-2m/K为第二辐射常数。本发明提高了温度测量的准确性和普适性。
文档编号G01J3/28GK101907492SQ20101022911
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者姚建华, 苗建明 申请人:浙江工业大学