本发明属于温度测量领域，特别是涉及在高温和高粒子发射(辐射)环境下，对未知表面发射率的物体表面进行测量，更特别是涉及一种基于比色的紫外双波长辐射测温方法。
背景技术：
：辐射温度计通过被测物体表面的光辐射能量(或光通量)，依据物体表面的光辐射理论，获得被测物体表面的温度。物体表面的光辐射理论，建立在表面为理想黑体的假设之上，对于实际的物体，表面性质偏离黑体假设，为此人们引入物体表面发射率，修正实际物体表面性质偏离黑体的程度。辐射温度计，通过校准探测器的光谱响应度、光学系统的光谱响应度和光通量，可以准确地测量黑体表面的热力学温度(以下各处称其为被测表面的真实温度)，这是辐射温度计的绝对测量模式；辐射温度计也可以通过在黑体上校准，建立测量信号与黑体表面辐射度的关系，在已知被测物体表面发射率的条件下，给出被测表面的真实温度。高温环境下，被测物表面的发射率难以被准确地测量，为了解决此类技术困难，一方面人们研制了高温表面发射率测量的实验装置；另一方面，在辐射测温理论的支持下，通过对表面发射率与温度间线性关系的假设，提出了“不依赖”发射率的双光谱和多光谱测量技术。这些技术，在一定的程度上，满足了测量高温物体表面温度的需求。然而，随着核技术、航天和航空技术的发展，被测体的温度显著地被提升，新材料的表面特性与温度的关系复杂，“不依赖”发射率的测量结果变得不可靠。例如，在辐射温度计的实际的使用中，核燃料的相变温度、航天空间无容器实验体和航天飞行器表面温度的测量都面临共同的技术困难，即高温、高粒子发射(辐射)环境，被测体表面的发射率未知，包括红外辐射温度计、双光谱和多光谱辐射温度计、光电辐射高温计在内的常规辐射温度计，对被测体表面真实温度的测量失效，不同方法测量结果显著地不一致。即使存在双波长，也两个波长之间也通常设红外信号，目前的信号探测多集中在红外和可见光范围，很少使用紫外光进行检测。另外，随着温度的增加，测量的不确定度显著地扩大，测量的温度示值与被测表面的真实温度可相差至几百开尔文。技术实现要素：本发明在于提供高温被测体表面发射率未知、实验中观测窗口被污染情况下，逼近测量物体表面真实温度的方法。本发明的技术方案是，在紫外波段下，显著地降低辐射测温对表面发射率的依赖性；其次，在紫外波段的窄带宽下，应用双波长比色测量，大幅度地消除窗口污染对测量造成的影响，并且进一步降低测量对表面发射率的依赖。本发明提供了一种基于比色的紫外双波长辐射测温方法，其中：对具有高温表面的待测温物体进行测量；提供第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器，所述第一紫外波长探测器和第二紫外波长探测器分别对所述高温表面的辐射信号进行探测；在第一组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第一紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第二紫外光信号；在第二组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第三紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第四紫外光信号；第一组中的第一紫外光信号和第二紫外光信号同比例地向紫外波段压缩以获得第二组的第三紫外光信号和第四紫外光信号；所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间波长差以及所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间波长差小于60nm。其中，所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间具有60nm的波长差。其中，所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间波长差50nm。其中，所述第一紫外光探测器和所述第二紫外光探测器分别连接到数据分析处理模块。其中，所述数据分析处理模块对所述第一紫外光探测器获得的第一紫外光信号、第三紫外光信号和所述第二紫外光探测器获得的第二紫外光信号、第四紫外光信号进行处处理和分析，所述第一紫外光信号和第二紫外光信号位于200nm-400nm之间。与现有技术相比，本发明的显著效果为：(1)显著地降低辐射测温对被测表面辐射率的依赖性，能够逼近测量未知表面发射率的高温被测体表面温度；(2)观测窗口因实验中高温环境，被测物表面的粒子蒸发污染，本发明的辐射测温数据对观测窗的透光性随实验过程的变化不敏感，逼近得到未知表面发射率和观测窗污染下的被测体表面真实温度。具体实施方式为了便于理解本发明，下面对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。根据普朗克辐射理论，某个表面温度为t的黑体，光谱辐射强度是温度和波长的函数：其中，c1表示第一辐射系数，单位：wm2；c2表示第二辐射常数，单位：mk；t表示黑体表面的真实温度(即热力学温度)，单位：k；woλ表示波长λ下的黑体光谱辐射度，单位：wm-2rad-1；λ表示黑体表面光辐射的波长，单位：m。在可见光附近，λt<<c2，上式可采用维恩公式表示：对于非黑体的表面，实际的表面光谱辐射强度与相同温度的理想黑体的表面光谱辐射强度的比值，被定义为该非黑体表面的发射率ελ：对于实际物体，其表面发射率通常是表面温度和、表面几何性质、光谱波长的函数。对于表面温度t的实际物体，波长λ1的光谱强度为：波长λ2的光谱强度为：上述两式相比，得：式(6)即为双波长温度计(即双色温度计)的测量公式。双波长测温技术的宗旨是，在未知表面发射率的情况下，假设被测物体表面的发射率不随波长改变，即两个测量波长λ1和λ2上，被测体表面发射率ελ1和ελ2相等，式(6)中表面发射率的比值等于1，即没有发射率效应。双波长法测量的温度被记为色温tc。实际应用中，如果被测体为黑体或灰体(被测体表面发射率等于常数)，上述假设成立，则双波长法测量的色温等于被测体表面的真实温度。然而实际情况是，被测物体表面既非黑体，也不是真实的灰体，而且很高的温度下，被测物表面发生相变、原子或离子发射，使得表面发射率与波长关系很不确定。对应于波长λ1和λ2的表面发射率ελ1和ελ2相等的假设不成立，那么双波长法测量的色温tc偏离被测体表面的真实温度。根据式(6)，色温tc偏离真实温度的程度为：式中，δt＝tc-t，t是被测体表面的真实温度。式(7)表明，如果对应于两个波长λ1和λ2的表面发射率ελ1和ελ2相等，则δt等于零，即色温等于真实温度。在双色的波长固定的情况下，ελ1/ελ2的比值偏离1，则测量的色温偏离真实温度。结合上面的公式(7)，可以看出，在不改变δλ的条件下，同时缩短双色的波长λ1和λ2，可压缩δt，因此测量的波长向紫外移动，可降低因为表面发射率不等给双波长温度计的测量带来的误差。从式(7)可以看出，温度测量误差δt与波长是平方关系，与发射率的比值是对数关系。因此，如果同时使得双波长向短波长方向，即紫外移动，对δt压缩的效应要显著地大于发射率比值改变扩大|δt|的效应。在超高温环境下，本发明为了获得被测物体的表面真实温度，在显示发射率比值ελ1/ελ2偏离1情况下，通过将双波长辐射测温法的双色波长向紫外波段压缩，抵消色温偏离真实温度的效应。本发明采用两个紫外光探测器，所述两个紫外光探测器包括第一紫外光探测器和第二紫外光探测器，所述第一紫外光探测器和所述第二紫外光光探测器具有在紫外波段的高响应和高灵敏度。在第一组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第一紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第二紫外光信号；在第二组信号采集阶段，所述第一紫外光探测器采集第三紫外光信号，所述第二紫外光探测器采集第四紫外光信号。所述第一紫外光探测器和所述第二紫外光探测器分别连接到数据分析处理模块，所述数据分析处理模块对所述第一紫外光探测器获得的第一紫外光信号、第三紫外光信号，以及所述第二紫外光探测器获得的第二紫外光信号、第四紫外光信号进行处处理和分析，所述第一至第四紫外光信号位于200nm-400nm之间，所述第一紫外光探测器和第二紫外光探测器进行同步探测，所述数据分析处理模块同时处理所述第一紫外光信号和第二紫外光信号，之后，同时处理所述第三紫外光信号和第四紫外光信号，以保证对待测物体表面的温度的准确测量，避免由于高温物体表面的温度波动导致第一紫外光信号和第二紫外光信号之间的差异导致测量温度的漂移，或者避免由于高温物体表面的温度波动导致第三紫外光信号和第四紫外光信号之间的差异导致测量温度的漂移；由于同时采集第一紫外光信号和第二紫外光信号，同时采集第三紫外光信号和第四紫外光信号，可实现对超高温环境的实时监控测量。优选具有同步计时器，所述同步计时器发出同步触发信号，所述同步触发信号对所述第一紫外光探测器和第二紫外光探测器进行控制，实现两个探测器之间的同步测量，同步获得所述第一紫外光信号和第二紫外光信号。第一紫外光信号和第二紫外光信号之间保持比例关系，进一步，在所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间具有预定的波长差值，在预定的波长范围内，由第一紫外光信号和第二紫外光信号可以获得较为准确的表面温度。在第二组测量阶段，所述同步计时器发出同步触发信号，所述同步触发信号对所述第一紫外光探测器和第二紫外光探测器进行控制，实现两个探测器之间的同步测量，同步获得所述第三紫外光信号和第四紫外光信号。第三紫外光信号和第四紫外光信号之间保持比例关系，进一步，在所述第三紫外光信号和第四紫外光信号之间具有预定的波长差值，在预定的波长范围内，由第三紫外光信号和第四紫外光信号可以获得较为准确的表面温度。为了进一步验证，不同波长探测条件下的温度测量数据，本发明采用了多个金属样本进行实验。具体可以选择某个金属作为样本，进行计算对比。1600k温度时，该金属表面对应于波长λ1＝0.65μm和λ2＝0.55μm的表面发射率分别是ελ1＝0.43和ελ2＝0.45。因此，色温必然偏离被测体表面真实温度。本发明尝试计算将多组λ1和λ2同比例地向紫外波段压缩20％、40％和50％，将ελ2增大20％和40％，比较色温偏离真实温度的程度。作为本发明的优选方式，在采集完第一组的第一紫外光信号和第二紫外光信号后，即第一组中第一紫外光信号为390nm，第二紫外光信号为330nm，将第一紫外光信号和第二紫外光信号的探测波长通比例地向紫外光波段压缩，此时，采集的第三紫外光信号为325nm，第四紫外光信号为275nm，第一紫外光信号和第二紫外光信号的波长差从60nm，压缩至第三紫外光信号与第四紫外光信号之间的50nm波长差。作为进一步的选择，可以在第一紫外光探测器和第二紫外光探测器的探头前方设置波长选择元件，所述波长选择元件能够限定特定波长的光进入到所述第一紫外光探测器和第二紫外光探测器中，例如，在进行第一组的第一紫外光信号和第二紫外光信号时，分别在光探测器前放置波长选择元件，优选在第一紫外光探测器前放置390nm选通，在第二紫外光探测器前放置330nm选通的波长选择元件，所述波长选择元件可以为滤光片、光子晶体或布拉格多层膜等光学元件。当进行第二组数据测量时，在进行第二组的第三紫外光信号和第四紫外光信号，分别在光探测器前放置波长选择元件，优选在第一紫外光探测器前放置325nm选通，在第二紫外光探测器前放置275nm选通的波长选择元件。所述波长选择元件可以为滤光片、光子晶体或布拉格多层膜等光学元件。表1a某个金属样本在1600k下，表面发射率ελ1/ελ2＝0.96，色温与真实温度的偏差t(k)1600160016001600160016001600ελ1/ελ20.960.960.960.960.960.960.96c2(μmk)14388143881438814388143881438814388λ1(μm)0.650.520.390.3250.7150.8450.975λ2(μm)0.550.440.330.2750.6050.7150.825tc(k)1629162316181615163216381645δt(k)29231815323845δt/t1.0181.0151.0111.0091.0201.0241.028表中计算数据显示，红外波段色温与真实温度的偏差最大，紫外波段偏差最小。红外波段的偏差比紫外的大3倍，第一紫外光信号390nm和第二紫外光信号330nm之间的差值为60nm时，可以看到δt相对于红外和可见光波段明显变小，进一步第三紫外光信号325nm和第四紫外光信号275nm的差值为50nm时，δt进一步改善。表1b某个金属样本在1600k下，表面发射率ελ1/ελ2＝0.83，色温与真实温度的偏差趋势与表1a一致，发射率比值偏离1的程度加大，色温与真实温度的差异被放大。红外波段的偏差比紫外的大3.2倍。第一紫外光信号390nm和第二紫外光信号330nm之间的差值为60nm时，可以看到δt相对于红外和可见光波段明显变小，进一步第三紫外光信号325nm和第四紫外光信号275nm的差值为50nm时，δt进一步改善。表1c某个金属样本在1600k下，表面发射率ελ1/ελ2＝0.72，色温与真实温度的偏差t(k)1600160016001600160016001600ελ1/ελ20.720.720.720.720.720.720.72c2(μmk)14388143881438814388143881438814388λ1(μm)0.650.520.390.3250.7150.8450.975λ2(μm)0.550.440.330.2750.6050.7150.825tc(k)1847179217401715187619372002δt(k)247192140115276337402δt/t1.1541.1201.0871.0721.1731.2111.251趋势与表1a和表1b一致，随着发射率比值进一步偏移1，色温与真实温度的差异被更加放大。红外波段的偏差比紫外的大3.5倍。第一紫外光信号390nm和第二紫外光信号330nm之间的差值为60nm时，可以看到δt相对于红外和可见光波段明显变小，进一步第三紫外光信号325nm和第四紫外光信号275nm的差值为50nm时，δt进一步改善。表2a某个金属样本在2100k下，表面发射率ελ1/ελ2＝0.96，色温与真实温度的偏差表中显示偏差趋势与表1a的相同。红外波段色温与真实温度的偏差最大，紫外波段偏差最小。红外波段的偏差比紫外的大3.1倍。随着被测体表面温度的上升，偏差的绝对值被放大。第一紫外光信号390nm和第二紫外光信号330nm之间的差值为60nm时，可以看到δt相对于红外和可见光波段明显变小，进一步第三紫外光信号325nm和第四紫外光信号275nm的差值为50nm时，δt进一步改善。表2b某个金属样本在2100k下，表面发射率ελ1/ελ2＝0.83，色温与真实温度的偏差t(k)2100210021002100210021002100ελ1/ελ20.830.830.830.830.830.830.83c2(μmk)14388143881438814388143881438814388λ1(μm)0.650.520.390.3250.7150.8450.975λ2(μm)0.550.440.330.2750.6050.7150.825tc(k)2321227322272205234523962450δt(k)221173127105245296350δt/t1.1051.0821.0611.0501.1171.1411.166表中显示偏差趋势与表1b的相同。红外波段色温与真实温度的偏差最大，紫外波段偏差最小。红外波段的偏差比紫外的大3.3倍。随着被测体表面温度的上升，偏差的绝对值被放大。第一紫外光信号390nm和第二紫外光信号330nm之间的差值为60nm时，可以看到δt相对于红外和可见光波段明显变小，进一步第三紫外光信号325nm和第四紫外光信号275nm的差值为50nm时，δt进一步改善。表2c某个金属样本在2100k下，表面发射率ελ1/ελ2＝0.72，色温与真实温度的偏差表中显示偏差趋势与表1c的相同。红外波段色温与真实温度的偏差最大，紫外波段偏差最小。红外波段的偏差比紫外的大3.7倍。随着被测体表面温度的上升，偏差的绝对值被放大。与表1c相比，红外波段与紫外波段偏差比值也被明显地放大。第一紫外光信号390nm和第二紫外光信号330nm之间的差值为60nm时，可以看到δt相对于红外和可见光波段明显变小，进一步第三紫外光信号325nm和第四紫外光信号275nm的差值为50nm时，δt进一步改善。与表1a至1c相比，表2a至2c的结果显示，随着温度的上升，双波长法测量的色温与真实温度的差异被拉大。表2c的数据显示，2100k、发射率的比值0.72时，红外波段测量相对偏差可达到36％，相同条件下，紫外波段的偏差小于10％。相比其它波段，在所有的情况下，紫外波段的色温与真实温度的差异都是最小的。因此，在未知被测表面发射率的情况下，紫外双波长辐射法测量所得色温与真实温度的差异最小，即使两个波长下实际的发射率相差30％，紫外双波长法测量的色温与真实温度的差异也小于10％。上述2100k时，发射率比值0.72，是比较极端的假设。真实情况下，紫外波段波长相差0.1μm下，表面发射率的差异将不会像假设的那样大。因此，采用紫外波段的双波长辐射计，测量的色温与被测表面的真实温度的偏差应明显地小于10％。通过上面实验验证，在采集完第一组的第一紫外光信号和第二紫外光信号后，即第一组中第一紫外光信号为390nm，第二紫外光信号为330nm，将第一紫外光信号和第二紫外光信号的探测波长通比例地向紫外光波段压缩，此时，采集第二组的第三紫外光信号和第四紫外光信号，其中，第三紫外光信号为325nm，第四紫外光信号为275nm，同组中两个紫外光信号之间波长差从60nm，压缩至50nm，测量的色温更接近于真实温度。在同时测量的两个紫外光信号中，所述第一紫外光信号和第二紫外光信号之间或第三紫外光信号和第四紫外光信号之间的波长差值小于等于60nm，优选为60nm，50nm或40nm。实验发现，所述第一紫外光信号和第二紫外光信号大于60nm后，δt将出现增加，为了实现对温度差值的有效控制，采用本发明的双紫外波长辐射测温时，需要将第一紫外光信号和第二紫外光信号的差值控制小于等于60nm的范围之内。式(7)显示，发射率的比值是上面所考虑情况的倒数，即ελ1/ελ2>1，对数计算的数值不变，仅变动符号，所以上述讨论的结论仍然适用于ελ1/ελ2>1的情况。商业的双波长辐射温度计的工作波段在红外和可见光波段。本发明指出，在紫外波段工作的双波长辐射温度计，可使得测量的色温与真实温度的差异显著地被缩小。对于观测窗口被粒子污染的情况，在双波段间距很窄的情况下，如波长差小于0.1μm，即第一紫外光和第二紫外光信号的波长差小于100nm，可认为被污染的窗口对两个波长的吸收、散射率相等。将吸收和散射效应用等效的吸收系数α表示。在等效吸收率相等的情况下，公式(6)显示，窗口污染效应对双波长法的测量无影响。本发明通过将双波长辐射测温的工作波长从红外或可见光波段等比例压缩至紫外波段，从而降低因为两个波长下，被测物体表面的发射率不等，引起的双波长辐射法测得的色温对真实温度偏离的程度；本发明通过控制同时测量的两束紫外光信号之间的波长差，比较双波长的测量信号，消除高温下粒子蒸发，观察窗口被污染对辐射测量造成的影响。本发明的紫外双波长辐射测温方法，适用于高温环境，被测物表面发射率未知，并且伴有被测物表面粒子蒸发污染观察窗口情况下，表面温度的测量。可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。当前第1页12