一种瞬态连续温度的单点测量系统的制作方法

1.本实用新型涉及光谱测温技术领域，尤其是一种瞬态连续温度的单点测量系统。


背景技术：

2.温度是最基本的物理量之一，进行温度测量是冶金、医疗、军事和科学研究等领域一个必要的实验环节。温度测量方式可分为接触式测量和非接触式测量，当被测目标所处环境恶劣、空间局促、无法布置接触式探测器等情况下，就需要采用非接触式温度测量方式。基于普朗克辐射理论的光学辐射测温方法是目前一种比较典型的非接触式测温方法，其具有实时监测、测量灵敏度和分辨率高、不干扰被测目标等优点，能够很好的实现对高温高压、狭窄与异形空间等恶劣环境下不可接触目标的温度测量，尤其在极端环境动态载荷下的高温测量，如材料的冲击温度、卸载温度、残余温度、炸药爆轰温度、火药燃烧温度等。
3.常用的基于普朗克辐射原理的光谱测温方法包括：基于滤光片和光电倍增管的光学高温计测量技术、基于光谱仪的单点温度测量技术以及基于滤光片和高速分幅相机的面温度测量技术，然而以上基于普朗克辐射原理的光谱测温技术，是无法实现纳秒甚至皮秒级的动态物理过程的连续温度测量能力。
4.因此，亟需一种适用于纳秒甚至皮秒级时间分辨物理过程测量的瞬态连续温度单点测量系统。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种瞬态连续温度的单点测量系统，该系统通过结合光谱分光成像系统和具有纳秒甚至皮秒时间分辨的条纹相机系统实现瞬态连续温度的单点测量。
6.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：一种瞬态连续温度的单点测量系统，所述系统包括：光谱分光成像系统、条纹相机和计算机，所述光谱分光成像系统和条纹相机沿待测目标的辐射光传输的方向依次设置，所述计算机连接条纹相机。
7.优选的，所述光谱分光成像系统包括：按光传输的方向依次设置的前置成像镜、小孔板、准直镜、分光器件和聚焦镜；所述前置成像镜、小孔板、准直镜同轴布置，小孔板的中心小孔位于轴线，且位于前置成像镜的焦点处；
8.所述条纹相机系统的光入射狭缝位于聚焦镜的焦点处。
9.优选的，所述前置成像镜、准直镜和聚焦镜为球面镜或者透镜组，所述透镜组具有消色差的功能。
10.优选的，所述小孔板的中心小孔的直径为10μm～500μm。
11.优选的，所述光谱分光成像系统适用波长为400nm～850nm。
12.优选的，所述分光器件为分光棱镜或者投射光栅。
13.优选的，所述条纹相机的时间分辨率为5ps～5ns。
14.本实用新型的有益效果是：本实用新型公开的瞬态连续温度的单点测量系统将光
谱分光成像系统和具有纳秒甚至皮秒时间分辨的条纹相机系统相结合，利用条纹相机系统的高时间分辨连续采集功能，将辐射光光谱信号转换成条纹相机系统输入的空间二维信号，实现了具有纳秒甚至皮秒级的动态物理过程的瞬态连续温度的单点测量。
附图说明
15.图1为实施例中瞬态连续温度的单点测量系统的结构示意图；
16.图中：1.待测目标 2.光谱分光成像系统 3.条纹相机 4.计算机 21.前置成像镜 22.小孔板 23.准直镜 24.分光棱镜 25.聚焦镜。
具体实施方式
17.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
18.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
19.作为一个实施例，如图1所示的瞬态连续温度的单点测量系统，该系统包括：光谱分光成像系统2、条纹相机3和计算机4，所述光谱分光成像系统2和条纹相机3沿待测目标的辐射光传输的方向依次设置，所述计算机4连接条纹相机3；上述光谱分光成像系统2接收待测目标1发出的辐射光并色散成像至条纹相机3的入射狭缝，条纹相机3通过设置采集时间和扫描速度得到包含时间轴和光谱轴的二维数字图像，并将图像传输至计算机4中；计算机4通过标定的条纹管相机探测器各像素对应的光谱和时间，通过所述数字图像获得待测目标1的单点随时间变化的瞬态连续温度。
20.作为一种实施例，所述光谱分光成像系统2包括：按光传输的方向依次设置的前置成像镜21、小孔板22、准直镜23、分光器件和聚焦镜25；所述前置成像镜21、小孔板22、准直镜23同轴布置，小孔板22的中心小孔位于轴线，且位于前置成像镜21的焦点处，所述条纹相机3的光入射狭缝位于聚焦镜25的焦点处，本实施例中设置分光器件为分光棱镜24。
21.目标点的辐射光经前置成像镜21聚焦到小孔板22的小孔处，通过小孔的辐射光经准直镜23调制成平行光后以一定角度入射到分光棱镜24进行色散分光，色散后的光经聚焦镜25聚焦到条纹相机系统3的入射狭缝上，通过条纹相机系统3实现超高时间分辨光谱探测得到具有光谱轴和时间轴的二维数字图像。
22.实施例中上述前置成像镜21、准直镜23和聚焦镜25可以为球面镜或者具有消色差的功能透镜组；上述小孔板22的中心小孔的直径为10μm～500μm，小孔板22的中心小孔孔径的大小影响光谱分光成像系统的光谱分辨率，根据需求选取；上述光谱分光成像系统2适用波长为400nm～850nm，因此条纹相机3的工作波长范围应该覆盖400nm～850nm；上述分光器件也可以为投射光栅；上述条纹相机的时间分辨率为5ps～5ns。
23.上述条纹相机3在使用前需要标定由条纹相机3获得的数字图像的每个像素对应的时间和光谱波长，并且通过标定获得每个像素的能量响应线性常数和灰度值，并结合普朗克算法计算相同时间的温度值，从而获得时间连续的温度值变化。
24.利用上述瞬态连续温度的单点测量系统进行温度测量的过程如下：
25.s1：根据实际需求预设条纹相机的时间分辨率，所述时间分辨率直接决定了瞬态连续温度单点测量方法及系统的时间分辨能力；
26.s2：标定条纹相机每个像素对应的时间和光谱波长；
27.s3：利用光谱分光成像系统对待测目标进行光谱成像，并利用条纹相机获取具有光谱和时间轴的二维数字图像；
28.s4：计算机根据标定条纹相机每个像素对应的时间和光谱波长，计算待测点的每个时刻的光谱强度灰度值和能量响应线性常数，进而计算每个时刻的温度值t，计算公式如下：
[0029][0030]
其中，其中λ表示波长，k为能量线性常数，a表示灰度值，i表示波长采样点位置，n为波长通道数，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数。


技术特征：
1.一种瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述系统包括：光谱分光成像系统、条纹相机和计算机，所述光谱分光成像系统和条纹相机沿待测目标的辐射光传输的方向依次设置，所述计算机连接条纹相机。2.根据权利要求1所述的瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述光谱分光成像系统包括：按光传输的方向依次设置的前置成像镜、小孔板、准直镜、分光器件和聚焦镜；所述前置成像镜、小孔板、准直镜同轴布置，小孔板的中心小孔位于轴线，且位于前置成像镜的焦点处；所述条纹相机的光入射狭缝位于聚焦镜的焦点处。3.根据权利要求2所述的瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述前置成像镜、准直镜和聚焦镜为球面镜或者透镜组，所述透镜组具有消色差的功能。4.根据权利要求2所述的瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述小孔板的中心小孔的直径为10μm～500μm。5.根据权利要求2所述的瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述光谱分光成像系统适用波长为400nm～850nm。6.根据权利要求2所述的瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述分光器件为分光棱镜或者投射光栅。7.根据权利要求1所述的瞬态连续温度的单点测量系统，其特征在于，所述条纹相机的时间分辨率为5ps～5ns。

技术总结
本实用新型公开了一种瞬态连续温度的单点测量方法及系统，该系统包括：光谱分光成像系统、条纹相机和计算机，所述光谱分光成像系统和条纹相机沿待测目标的辐射光传输的方向依次设置，所述计算机连接条纹相机，该系统利用光谱分光成像系统接收目标点发出的辐射光并色散成像至条纹相机的入射狭缝，条纹相机通过设置采集时间和扫描速度得到包含时间轴和光谱轴的二维数字图像传输至计算机；计算机通过标定的条纹相机探测器各像素对应的光谱和时间，通过已获取的数字图像的获得单点随时间变化的瞬态连续温度。本实用新型提供的方法及系统通过结合光谱分光成像系统和具有纳秒甚至皮秒时间分辨的条纹相机系统实现瞬态连续温度的单点测量。温度的单点测量。温度的单点测量。


技术研发人员：杜亮亮 孟立民 钱伟新 安然 叶雁 袁红
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院流体物理研究所
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/5/10