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多光谱辐射测温技术研究

作　者: 戴景民
导　师: 强锡富；褚载祥
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 多光谱测温辐射温度计高温测量一点定标法发射率黑体蒙特卡罗法
分类号: TH811.2
类　型: 博士论文
年　份: 1995年
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内容摘要

多光谱(多波长)辐射测温法(Multispectral Radiation Thermometry)是七十年代末才发展起来的可同时测量目标真实温度及材料光谱发射率的非接触测温方法,也可作为多参数动态热物性测试的重要仪器,用以测量试样的发射率、熔点、比热、热膨胀等。随着技术的发展以及航天、航空等工业的迫切要求,高温材料、复合材料及烧蚀材料的温度及热物性测试更为重要,而多光谱辐射测温正是解决上述问题的极有前途的方法。虽然世界上许多发达国家,如美国及欧共体等都已研制了六波长高温计并用以解决了一些实际问题,但在该领域中的研究工作尚缺乏系统性。在理论研究、仪器研制、光路设计及标定技术方面尚有许多问题有待解决。根据航天工业部质量司的实际需要及国际合作协议,本文在多光谱辐射测温技术领域内作了如下创新工作: 1.研制了棱镜分光无干涉滤光片式35波长高温计。八十年代以来,美国及欧共体研制成采用干涉滤光片限定工作波长及带宽的六波长高温计,而分光采用光导纤维。此类高温计光路能量损失大、稳定性差,且由于波长数少,而且工作波长固定,故使用灵活性也较差。针对上述缺点,研制成新型的棱镜分光35波长高温计、彻底拼弃了易老化、易受温度、湿度影响的干涉滤光片,并极大地提高了仪器的信噪比及可用软件实现波长的灵活选用。此多波长高温计也将发展为系列化无干涉滤光片(具有中国特色的)辐射温度计。 2.应用Monte-Carlo统计试验法分析了基于波长函数(PWF)的“一点定标法”的误差,给出了典型结论,为应用及推广此类先进的标定法作出了贡献。 3.对多光谱辐射测温理论作了系统研究,校验了现有的发射率与波长函数关系模型的局限性,并进一步提出了发射率模型的自动识别和自动筛选的方法。对已有的大量实验数据进行了计算,取得了理想的结果。 4.研制了国内第一套PWF全自动微机控制测量装置,为单波长及多波长辐射温度计的波长函数测定,以及“一点定标法”提供了可靠的手段。 5.研制成功了国内第一套实用型金属凝固点(Cu,Al及Zn)黑体炉,不仅为辐射温度计的精确定标及“一点标定法”提供了实验装置、而且也将提高光度及辐射度标准及ITS-90国际温标的复现及传递精度。

全文目录

第一章绪论  15-26
  1.1 辐射测温技术发展概述  15-19
  1.2 多光谱辐射测温技术研究现状  19-22
  1.3 存在问题和本文研究内容及意义  22-26
第二章多光谱辐射测温技术的理论研究  26-51
  2.1 多光谱辐射测温理论  26-35
    2.1.1 曲线拟合法  27-34
      2.1.1.1 最小二乘原理  27-28
      2.1.1.2 线性情况  28-31
      2.1.1.3 非线性情况  31-34
    2.1.2 求解方程法  34-35
  2.2 多光谱辐射测温理论中发射率模型假设的校验  35-40
    2.2.1 校验方法  36
    2.2.2 发射率数据的准备  36-38
    2.2.3 计算结果  38-40
    2.2.4 小结  40
  2.3 光谱发射率模型的判别和自动调整  40-50
    2.3.1 拟合曲线次数选择  40-43
    2.3.2 逐步拟合与模型自动识别与调整  43-50
      2.3.2.1 无回带过程约化的公式及其特性  44-46
      2.3.2.2 变量对回归平方和的贡献  46-48
      2.3.2.3 变量的剔除与选入准则  48
      2.3.2.4 计算结果  48-50
  2.4 小结  50-51
第三章三十五波长棱镜分光式辐射温度计研制  51-73
  3.1 典型仪器介绍  51-54
    3.1.1 滤光片阵列分光式多波长高温计  51-52
    3.1.2 光导纤维束分光式多波长高温计  52-53
    3.1.3 半反半透分光式多波长测温装置  53-54
  3.2 棱镜分光式多波长高温计设计  54-68
    3.2.1 光学系统设计  54-59
      3.2.1.1 取样系统  56
      3.2.1.2 分光系统  56-58
      3.2.1.3 多波长高温计光学系统设计  58-59
    3.2.2 电路系统设计  59-66
      3.2.2.1 系统组成框图  59-60
      3.2.2.2 方案选择  60-63
      3.2.2.3 指标核算  63-66
    3.2.3 软件设计  66-68
  3.3 棱镜分光式多波长高温计的性能测试  68-73
    3.3.1 杂光影响  69
    3.3.2 距离系数  69
    3.3.3 目标尺寸影响  69-70
    3.3.4 动态特性试验  70-73
第四章多光谱辐射温度计标定技术研究  73-96
  4.1 基于波长函数的辐射温度计的一点标定法  73-77
    4.1.1 一点定标法  73-74
    4.1.2 一点定标法误差的Monte—Corlo法估计  74-77
      4.1.2.1 误差源分析  74
      4.1.2.2 Monte—Carlo法估计  74-77
      4.1.2.3 小结  77
  4.2 辐射温度计波长函数自动测量装置的研制  77-87
    4.2.1 测量方法  78
    4.2.2 测量装置  78-81
      4.2.2.1 总体框图  78-79
      4.2.2.2 步进电机微步驱动装置研制  79-81
    4.2.3 测量实验及数据处理  81-83
      4.2.3.1 单色仪输出功率MOP的测量  81-82
      4.2.3.2 多波长高温计输出信号测量及其波长函数的求定  82-83
    4.2.4 误差分析  83-87
  4.3 多光谱辐射温度计的标定实验  87-92
    4.3.1 定点炉标定实验  87-89
    4.3.2 高温黑体炉标定实验及数据分析  89-92
  4.4 实用型金属凝固点黑体炉研制  92-96
第五章烧蚀材料真温及发射率的多光谱法测量  96-107
  5.1 引言  96-97
  5.2 地面模拟烧蚀系统  97-98
  5.3 烧蚀实验及数据分析  98-103
    5.3.1 烧蚀试验  98-100
    5.3.2 温度数据分析  100-103
  5.4 烧蚀实验  103-106
  5.5 小结  106-107
第六章结论与展望  107-112
  6.1 本文研究工作小结及创新点  107-109
  6.2 展望  109-112
附录A  112-115
参考文献  115-121
作者在攻读博士学位期间发表或己投寄待发表的与博士论文有关的文章  121-122

多光谱辐射测温技术研究

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