波长积分双色法及其测温精度分析

发布时间：2022-01-03 08:31

　　现代彩色高速高分辨率相机内部配置了广谱的红、绿、蓝拜尔滤镜,既可获得丰富的火焰图像信息,也可以根据所得彩色火焰图片,基于火焰中碳烟的辐射,利用双色法计算火焰的温度。本文比较系统地阐述了波长积分双色法的基本原理,介绍了图片像素值插值方法,成像系统光学响应系数测定、黑体表征温度标定,以及火焰温度和碳烟KL因子分布的计算过程。本文利用彩色CMOS高速相机和波长积分双色法测量了蜡烛火焰温度,以热电偶测温结果为基准,发现高速相机内部的散粒噪声会使测温结果产生约3%的误差,采用基于原始单色灰度值的线性插值算法可使最大相对误差率绝对值降低约1.5%。与厂商通用的光学响应系数相比,采用本文自测的光学响应系数来计算,能够使最大相对误差率绝对值降低约3.3%。与定波长双色法相比,波长积分双色法的最大相对误差率绝对值降低约5.1%.最终本文波长积分双色法在所研究范围内的最大相对误差率绝对值约为3.1%。除蜡烛火焰外,本文方法适用于其他含碳烟火焰。 

【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：12 页

【部分图文】：

图１感光芯片上的拜尔滤镜及其信号转换??

虹。??２试验系统??中“中心轴线”指烛芯位置的垂直线，ｒ为距中心轴??线的径向距离。另外，本文选用直径否＝０．２５?ｍｍ的??凡型热电偶丝测量烛芯截面上的火焰温度，利用高??精度三维移动台将热电偶丝以１?ｍｍ／ｓ的速度水平??扫过火焰，使用高速采集卡记录热电偶信号（采集频??率１０?Ｈｚ）。本文分别在蜡烛烛芯顶端以上距离／／＝５??ｍｍ、１０?ｍｍ、１５?ｍｍ的三个高度上，利用热电偶沿??火焰横截面的径向测量，将经辐射修正后的热电偶??温度作为火焰温度基准值。??Ｚ??图２蜡烛火焰测温试验系统??Ｆｉｇ．?２?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｌａｔｆｏｒｍ?ｆｏｒ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ??ｏｆ?ｃａｎｄｌｅ?ｆｌａｍｅ??Ｊｉ—５?ｍ?ｍ??中心轴线??０．０?？ｒ??图３某单帧蜡烛火焰图像??Ｆｉｇ．?３?Ｓｉｎｇｌｅ?ｓｈｏｔ?ｃａｎｄｌｅ?ｆｌａｍｅ?ｉｍａｇｅ??３波长积分双色法的测温过程??３．１相机拍摄参数设置、像素值的读取和插值处理??３．１．１増益值??本文搭建了研究波长积分法测温的试验系统，??如图２所示。采用Ｐｈａｎｔｏｍ?ｖ７．３型ＣＭＯＳ彩色高速??相机拍摄蜡烛火焰，该相机芯片的感光波段为可见??光范围．曝光时间设为１．６?ｍｓ，采样频率为６０?ｆｐｓ，??相机光圈ｆ／２．８，分辨率设为５１２ｘ５１２，蜡烛烛芯高??度保持为５?ｍｍ。某单帧蜡烛火焰如图３所示，图??当用镜头盖遮住高速相机镜头时，在高速相机??控制程序中设置不同的増益值（Ｇａｉｎ），所拍摄得到??的背景图片的噪声如图４所示，可见背景噪声基本??随增益值线性增大，拍摄过程中须取最小

扫过火焰，使用高速采集卡记录热电偶信号（采集频??率１０?Ｈｚ）。本文分别在蜡烛烛芯顶端以上距离／／＝５??ｍｍ、１０?ｍｍ、１５?ｍｍ的三个高度上，利用热电偶沿??火焰横截面的径向测量，将经辐射修正后的热电偶??温度作为火焰温度基准值。??Ｚ??图２蜡烛火焰测温试验系统??Ｆｉｇ．?２?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｌａｔｆｏｒｍ?ｆｏｒ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ??ｏｆ?ｃａｎｄｌｅ?ｆｌａｍｅ??Ｊｉ—５?ｍ?ｍ??中心轴线??０．０?？ｒ??图３某单帧蜡烛火焰图像??Ｆｉｇ．?３?Ｓｉｎｇｌｅ?ｓｈｏｔ?ｃａｎｄｌｅ?ｆｌａｍｅ?ｉｍａｇｅ??３波长积分双色法的测温过程??３．１相机拍摄参数设置、像素值的读取和插值处理??３．１．１増益值??本文搭建了研究波长积分法测温的试验系统，??如图２所示。采用Ｐｈａｎｔｏｍ?ｖ７．３型ＣＭＯＳ彩色高速??相机拍摄蜡烛火焰，该相机芯片的感光波段为可见??光范围．曝光时间设为１．６?ｍｓ，采样频率为６０?ｆｐｓ，??相机光圈ｆ／２．８，分辨率设为５１２ｘ５１２，蜡烛烛芯高??度保持为５?ｍｍ。某单帧蜡烛火焰如图３所示，图??当用镜头盖遮住高速相机镜头时，在高速相机??控制程序中设置不同的増益值（Ｇａｉｎ），所拍摄得到??的背景图片的噪声如图４所示，可见背景噪声基本??随增益值线性增大，拍摄过程中须取最小增益值，以??尽可能消除背景噪声的影响。本文选择该ＣＭＯＳ相??机的最小增益值（Ｇａｉｎ＝０．１）。??

【参考文献】：
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本文编号：3565946