多波长可视化测温系统标定的实验研究

　　1　引　言

　　通过光学系统产生的单色光图像和CCD光电响应信号具有明确的关系[1,2]。这种关系使得利用燃烧系统的光学辐射信号进行温度场测量成为可行。对于这种光学测量系统的准确标定,检测系统实际测量的准确性至关重要。杭州电子工业学院徐江荣等[3]对同一滤光片下的两台CCD相机进行了标定,得到了CCD信号与辐射量之间的关系;华中科技大学贾涛等[4]利用彩色CCD在不同快门速度下所对应的温度对系统的三基色分量进行了标定,并且以红色分量为基准,对绿蓝分量进行了修正,得到了三基色各自的温度修正系数及快门速度与温度的对应关系。上述方法的优点在于设备简单易于调整及控制,后期处理方便。但因标定和测量是针对CCD相机本身进行的,将受到CCD本身特性的限制,不利于单色波波长和带宽的选择及测温范围的调整。

　　近期中国科学院工程热物理研究所研制了一种基于光学原理的燃烧火焰/温度场测量装置。它由工业内窥镜、分光系统、CCD相机、图像采集卡、数据采集与处理系统组成。该测量装置的特点是在CCD相机前采用分光系统,将目标图像分成3个波长的大小相同的单色图像,成像于同一CCD靶面。CCD相机前分光将有效避免CCD相机本身特性对单色波波长及带宽的限制,可根据测量需要灵活选择所需波长及带宽。对本系统结构加以改进,可选择2到4个波长(甚至更多),有利于提高测温精度及扩大测量范围。用黑体炉作辐射热源对系统进行标定,将经CCD光电转换后得到的灰度图像进行预处理,建立火焰辐射温度与CCD输出辐射热图像的灰度值之间的关系,标定结果通过适当的拟合得到理想的拟合曲线。

　　2　火焰检测系统的测温和标定原理

　　图像比色法是属于多波长可视化测温的一种实时方法,其原理是:对被测量的目标图像,通过光路系统将所传递的光束分成两个以上中心波长不同的光束,每个光束具有一定带宽并形成一幅自己的灰度图像。通过比较不同图像的亮度值与烟灰粒子光谱辐射强度的关系,得到温度场与烟灰粒子的浓度分布。为推导比色法温度测量的关系式,引入视在温度Ta,即与某一温度T下的实际物体的辐射强度相同的黑体的温度。基于辐射定律,实际物体的单色辐射率ελ可以表示为

式中:K为单位火焰厚度的吸收系数;L为沿光轴方向上的火焰几何厚度;α表征了烟灰辐射率与波长之间的相关程度,它与光的波长、炭粒大小和炭粒折射特性有关,燃料类型对α也有影响,在可见光范围内,1·39为首选值,适用于大多数燃料[6]。将式(3)代入式(2)得到:

　　计算出火焰的真实温度。将火焰的真实温度代入式(4)即可计算出近似表征烟灰浓度的KL值。在基于比色法测温原理设计的火焰检测系统中,由辐射热源发出的光,通过光学系统的分光、滤光之后,光谱辐照度经CCD光电转换后成为电荷量信号,由驱动电路输出视频信号,经图像系统8位A/D转换后,由计算机获得数字信号,通过图像构建程序,得到不同波长下单色光的灰度图像。辐射图像产生的光辐射经光学系统后在计算机上产生的图像以灰度的形式存储,从计算机内读出的灰度和火焰本身发射的辐射强度有明确的关系,即在波长λ1、λ2下的火焰视在温度Ta1、Ta2与测量获得的灰度图像的灰度的关系。这个关系是实现比色法温度测量的基础,需要在实际测量前通过标定获得。以上关系可借助黑体炉