基于多光谱拟合的瞬态温度场测量系统研究

发布时间：2017-08-24 03:07

  本文关键词：基于多光谱拟合的瞬态温度场测量系统研究

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【摘要】：在国防、航空航天、科学研究等领域,对于瞬态物理场的温度测量一般具有高温(几千甚至上万度)、温度变化快、环境恶劣(存在强电磁干扰、振动等不稳定因素)以及对测温精度要求高等特征,目前常用的一些接触式和非接触式测温方法无法同时满足这样的测温需求。而多光谱测温法具有非接触测温法的普遍优点,能够实现瞬态高温测量,并且能够高精度的同时获得目标光谱发射率与温度。因此本文旨在研发一种基于多光谱拟合的瞬态温度场测量系统,来解决相关领域在非稳定环境下高温测量的高精度、快速响应的技术难题。针对非稳定测量环境存在强电磁辐射、振动等不稳定因素,会给系统精密测试部分带来严重干扰的问题,提出了利用传导光纤连接远工作距采样系统与装置精密测试部分实现二者物理分离的设计方案。通过对远工作距采样系统及传导光纤的参数进行合理设计,实现目标光谱信号的高效传输,使得系统的精密测试部分能够在远离测试现场的稳定环境下分析测算目标温度,解决了非稳定环境下的测温难题。针对瞬态性测温需求,系统采用高速响应的光电倍增管作为探测器,结合高速响应转换电路与高采样频率的数据采集卡对目标特征光谱信号实时采集,提高系统测量速度,使系统能够满足瞬态温度测量需求。针对高精度的测温需求问题,一方面利用抛物面代替球面作为系统分光机构的准直镜与聚焦镜,减小了特征光谱的弥散斑尺寸,提高了对特征谱线的提取精度；一方面利用标准辐射源对系统的光强传递特性函数进行标定,降低了系统测量误差。从而保证了系统的测温精度。通过波长标定实验验证了系统特征光谱中心波长的提取精度优于1 nm；通过对光谱辐射照度标准灯的测温实验验证了系统相对测量精度为2.21%。
【关键词】：多光谱 非稳定环境 瞬态温度测量
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH811
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 绪论7-17
• 1.1 研究背景与意义7-8
• 1.2 国内外研究现状8-15
• 1.2.1 接触式测温法8-9
• 1.2.2 非接触式测温法9-15
• 1.3 本文研究内容15-17
• 2 系统测量原理与温度数学模型17-25
• 2.1 辐射度量学基本概念17-19
• 2.2 辐射学基本定律19-21
• 2.2.1 普朗克黑体辐射定律19-20
• 2.2.2 维恩位移定律20
• 2.2.3 斯忒潘-玻尔兹曼定律20-21
• 2.2.4 距离平方反比定律21
• 2.3 基于多光谱拟合的瞬态温度场测量系统的数学模型21-24
• 2.3.1 温度数学模型21-23
• 2.3.2 光谱发射率的算法模型23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 基于多光谱拟合的瞬态温度场测量装置的系统设计25-49
• 3.1 系统基本结构及技术要求25-28
• 3.1.1 系统的基本结构25-26
• 3.1.2 系统的技术要求26-27
• 3.1.3 系统工作波长的确定与设计27-28
• 3.2 基于多光谱拟合的瞬态温度测量装置的光学设计28-40
• 3.2.1 远工作距采样系统设计28-30
• 3.2.2 传导光纤的设计30-31
• 3.2.3 特征波长精细分离及提取系统的设计31-40
• 3.3 系统结构设计40-45
• 3.3.1 远工作距采样系统结构设计41-42
• 3.3.2 特征光谱精细分离与提取系统结构设计42-45
• 3.4 信号采集与处理系统设计45-47
• 3.4.1 光电探测器的选择45-46
• 3.4.2 电流-电压转换电路46-47
• 3.4.3 高速数据采集卡47
• 3.5 基于多光谱拟合的瞬态温度场测量系统的性能47-48
• 3.5.1 测温系统工作机制47-48
• 3.5.2 测温系统的性能48
• 3.6 本章小结48-49
• 4 系统波长带宽与光强传递特性函数标定49-72
• 4.1 接收靶面特征光谱中心波长及带宽的标定49-56
• 4.2 系统光强传递函数f(V)的标定56-71
• 4.2.1 标定原理56-59
• 4.2.2 标定方法59-61
• 4.2.3 标定过程61-62
• 4.2.4 标定结果62-71
• 4.3 本章小结71-72
• 5 原理性验证实验72-78
• 5.1 基于多光谱拟合的瞬态温度场测量系统测温实验72-75
• 5.2 比色法测温实验比对75
• 5.3 系统误差分析75-77
• 5.4 本章小结77-78
• 6 总结78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-83

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