多波长法金属防热瓦表面温度及发射率的测量

第34卷第8期 光电工程 V ol.34, No.8 2007年8月 Opto-Electronic Engineering Aug, 2007 文章编号：1003-501X(2007)08-0059-04

多波长法金属防热瓦表面温度及发射率的测量

萧 鹏，孙晓刚，戴景民

( 哈尔滨工业大学 自动化测试与控制系，黑龙江 哈尔滨 150001 )

摘要：为了解决金属防热瓦在连续加热过程中热边温度和发射率的测量问题，在基于辐射测温的参考温度数学模型的连续测量法中采用了一种新的发射率假设模型，并在此基础上提出了多波长数据处理方法。该方法假设材料的光谱发射率在选定的光谱处与温度有近似相同的线性关系，通过处理两个不同温度点处的多光谱测量数据以得到防热瓦真温及光谱发射率。使用多波长高速高温计测量了某种防热瓦在900~1300℃的温度范围内的辐射，并进行了数据处理。实验结果表明，只要温度估计初值与真实情况的误差在±200℃以内，即可得到较好的计算温度值和计算发射率值，测量不确定度在2%以内，说明此方法是测量金属防热瓦表面温度及发射率的可行方法。

关键词：金属热防护系统；多波长测温法；多波长高温计；辐射率测量

中图分类号：TB942 文献标志码：A

Temperature and spectral emissivity measurement of the metallic thermal

protection blanket based on multi-wavelength thermometry

XIAO Peng，SUN Xiao-gang，DAI Jing-min

( Department of Automation Measurement & Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China )

Abstract : Based on the reference temperature model of multi-spectral thermometry, a kind of data processing method was introduced to solve the measurement problem of the metallic thermal protection blanket hot side temperature and emissivity in continuously heating course. A new emissivity assumption was presented in this paper. Based on the new assumption, a new data processing method of the multispectral radiation thermometer was introduced. The method was to assume that the temperature and emissivity had approximate identical linear relation in the spectrum. By processing the measured data of the multispectral pyrometer at two different times, the true temperature and spectral emissivity could be simultaneously calculated. The radiation of the metallic thermal protection blanket at 900~1300℃ was measured by using a multispectral pyrometer. The results show that so long as the difference between the initial temperature value and the measured target temperature is within ±200℃, the calculated values of the true temperature and spectral emissivity are in good agreement with that of the measured targets. The total uncertainty is less than 2％. The above-mentioned method is a practical method for the metallic thermal protection blanket temperature and emissivity measurement.

Key words: metallic thermal protection system; multi-wavelength thermometry; multi-wavelength pyrometer; emissivity measurement

引 言

重复使用的航天飞行器再入大气层时经受剧烈的气动加热，必需采用热防护系统对飞行器的机体加以保护。从目前热防护系统的发展趋势来看，作为被动热防护方案的可重复使用的金属热防护系统，防热瓦与传统的航天飞机的陶瓷瓦的热防护系统相比已经显示出强劲的优势，并且随着新型金属合金、复合材料

收稿日期：2006-08-29；收到修改稿日期：2007-04-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60377037)

作者简介：萧 鹏(1972-) ，男(汉族) ，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，主要研究工作是辐射测量和材料热物性测试。

E -mail : [email protected]

60 光电工程 第34卷第8期 的不断出现，金属热防护系统将是各种类型航天飞行器大面积防热的主要选择[1]。可重复使用航天器金属热防护系统设计的关键性技术问题是材料问题，因为材料的发射率、热导率和比热等热物性数据是衡量材料能否适应具体热过程工作需要的数据依据，也是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数，所以测试材料的高温热物理性能对热防护系统的设计评价具有重要的意义。

文中使用多波长高速高温计即可通过实验手段对金属防热瓦在5~1.013×105Pa 的环境压力下的热边温度和表面发射率进行测量。以往多波长高速高温计的数据处理时常常假设光谱发射率的对数与波长成线性关系，而当被测目标的真实情形与假设模型不符就会导致目标真温及光谱发射率的计算结果出现相当大的偏差。针对这个问题，在基于参考模型的连续测量法基础上，提出了一种新的发射率假设模型。依据此模型对多个波长下测得的电压信号进行了数据处理，得到了防热瓦上表面材料的温度和发射率值。 1 测量方法

多波长测温法是利用多个波长下的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物体的真实温度及光谱发射率。由普朗克定律可知，对于有n 个通道的多波长温度计来说，可以得到n 个方程，却包含(n +1)个未知量，即目标真温T 和n 个光谱发射率ε(λi , T ) 。因此，必须假设光谱发射率与波长之间存在着某种函数关系，否则方程组无解。在多波长辐射测温领域常假设光谱发射率随波长的变化而变化[2]，其中一个常用的假设方程如下式所示：

ln ε(λ, T ) =a +b λ (1)

基于上述假设方程，可通过最小二乘法计算出目标真温及光谱发射率[2]。当被测目标光谱发射率随波长变化的真实情形与假设方程相符时，通过计算得到的真温及发射率数据相当精确；但当二者不相符时，得到的计算结果偏差相当大[3]。当对某种未知材料进行测量时，事先并不知道此种材料的光谱发射率与波长之间属于哪种函数关系，因此采用任何形式的假设方程进行多光谱温度计的数据处理都是盲目的、不科学的。鉴于上述原因，认为应该仔细研究各种被测材料的内在特性，努力找出他们之间的共性才是解决问题的关键。通过分析，材料的光谱发射率随温度的变化而变化是客观存在的，同时受到处理非线性问题时常常要分段线性化的启发，考虑到在0.7~1.0μm 很窄的波段范围内以及2ms 为一个测量周期进行连续的测量，假设材料的光谱发射率在所选定的波长处与温度有近似相同的线性关系，如下式所示：

εi =εi 0[1+k (T −T 0)] (2)

式中：εi 0是波长为λi 、温度为T 0时的光谱发射率；T 0为某个初始温度。

对于实际物体来说，上述假设在一定温区，一定波长范围内是普遍成立的。此处提出的算法原理如下： 1) 通过第1个温度处各测量通道的输出值以及第1个温度的估计值，由计算获知第1个温度处的各光谱发射率的估计值。

2) 使第1个温度处通过计算获得的各光谱发射率的估计值在某一范围内变化。

3) 通过假设方程式(2)可获知第2个温度处各光谱发射率的计算值。

4) 对于第2个温度处不同组的光谱发射率，可以计算出不同组的各波长下的真实温度。当其中某一组各波长下的真实温度的方差最小时，即为所求的第2个温度处的真实温度。因为只有当假设方程式(2)与被测目标的真实情形相接近或一致时，各波长下真实温度的计算值才会趋近于同一数值。

5) 进而可获知第2个温度处各光谱发射率，第1个温度处各光谱发射率以及第1个温度处的真实温度。其算法详细介绍如下：如果多波长高速温度计有n 个通道，则第i 个通道的输出信号V i 可表示为

c V i =A i εi λi −5exp(−2，i =1, 2, …, n (3) λi T

式中：A i 是只与波长有关而与温度无关的检定常数，它与该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透过率、几何尺寸及第一辐射常数有关。在某定点黑体参考温度T R 下，第i 个通道的输出信号V i R 为

c V i R =A i λi −5exp(−2，此时εi =1. 0 (4) λi T R

2007年8月 萧 鹏 等：多波长法金属防热瓦表面温度及发射率的测量 61

由式(3)和式(4)可得： V i c c =εi exp(−2exp(−2 (5) V i R λi T λi T R

记V i 1为第1个温度下、第i 个通道的输出信号，T 0为第1个温度的估计值，则第1个温度下、第i 个波长处发射率的估计值εi 0为

εi 0=V i 1c c exp(−2exp(−2 (6) V i R λi T 0λi T R

选择ε >0，η >0，M >0，εi 1∈(εi 0−ε, εi 0+ε) ，k ∈(−η, η) ，T ∈(T 0−M , T 0+M ) ，则第2个温度T 处的发射率模型为

εi =εi 1[1+k (T −T 0)] (7)

由于对不同的i 可求出不同的T ，故用T i 2表示第2个温度下λi 处的计算温度值，则由式(5)可得：

εi V i R −11λi T i 2=[T R +c 2ln(V i 2)] (8)

式中：V i 2为第2个温度下，第i 个通道的输出信号。由式(7)和式(8)可得：

ε[1+k (T i 2−T 0)]V i R −11λi T i 2={+ln(i (9) T R c 2V i 2

式(9)是关于T i 2的方程，可通过迭代法求解。此算法建立的准则是T il 的方差极小化，即：

min F =∑∑[T il −E (T l )]2 (10) l =1i =12n

1n

式中E (T l ) =∑T il 。为了验证方程(2)比方程(1)在一定温区，一定波长范围内是有更好的适用性，对于不n i =1

同种材料进行了大量的仿真实验，文献[4]介绍了对于被测温度点在1526.85℃和1726.85℃时，得到其温度计算值对于A~F六种情形的相对误差范围分别为0.1%~1.04% 和0.26%~1.31%；对于A~F各种被测目标，采用方程(2)其发射率计算值随波长变化的情况与真实情况相符，说明该方法比方程(1)可以更好地辨识如A~F情形的各种目标。

2 测量装置

测量装置主要有高温石墨平板炉、四波长高温计以及

其它一些辅助机械部件。图1是测试装置的整体框图。

2.1 高温石墨平板炉

高温石墨平板炉主要有真空系统、加热系统及冷却系

统等组成。真空系统包括真空容器、真空泵和真空测量装

置。其设计可降低在加热过程中试样与周围的空气发生化

学反应，其真空度最大可达到10-3Pa [5]。真空泵包括一台

主泵和一个前级泵。真空测量装置选用的是复合真空计。

一个热偶规管和一个电离规管分别通过真空室顶部的两个

锥形口与真空室相连，其中的热偶规管在真空室的真空度

高于10-1Pa 时工作，当真空度低于10-1Pa 时，真空计自动

切换到电离测量，测量范围的下限可以达到10-5Pa 。加热

2.2 多波长高速高温计

多波长高速高温计是实验的关键测量设备，其的光学系统设计是保证仪器质量和其本征特性的最关键问题之一。实质上它是一个精心设计的辐射能通道，确保高速高温计能准确地从被测物面上所指定的面积上取出充满指定立体角的辐射能量，然后传送到探测器指定面元。试样在多个波长下的辐射信息是通过专门设计的多波长高速高温计测量来实现的，图2给出了自行研制的四波长高温计光路图[6]。高温计探测器图1 测量装置整体框图 Fig.1 Functional diagram of the complete system

系统采用平板型石墨加热器，其最高加热温度可达到1600℃，冷却系统采用水冷夹层结构。

62 光电工程 第34卷第8期 选用硅光电二极管阵列，工作波长范围为0.4~1.1µm，在其中选取了4个波长作为工作波长。为了实现快速测量，探测器工作于光导模式，前置级的响应时间可以达到0.1ms ，因此完全可以满足快速测量的需要。另外在高温计的前置级加入了量程自动切换，实现了宽量程测量。

2.3 同步数据采集系统

数据采集系统由采样保持器、控制器和A/D转换器组成。控制器发送采样保持脉冲同时得到各路被测信号，然后依次选通相应的信号并启动模数转换器进行转换[7]。转换完毕后将数据送到计算机。模数转换器为PCL-818L 是12位16通道逐次逼近型采集卡，有四个分别为±10V 、±5V 、±2.5V 、±1.25V 输入量程，满足了同步高速采集数据的要求。整个系统的最大数据采集速率可以达到10kHz 。

3 测量实验

采用上述方法和测量装置对某型号金属防热瓦进行了实际测量，测量中为了能够验证高温计测得后计算出的数据准确性和精确性，在测量目标表面安放了一支标准热电偶温度计，这样可以及时准确的分析多波长高温计所测结果的正确性，同时验证了所使用的测量方法。

作为被测目标的不同温度处多波长温度计的输出是按下述条件计算得到的：1) 测量温度范围选为900℃到1300℃；2) 定点黑体的参考温度选为900℃；3) 多波长温度计的有效波长为0.768μm 、0.854μm 、 0.890μm 、0.960μm ；4) 目标各波长处的发射率模型由εi (T ) =εi (T 0) [1+k (T −T 0)]计算得到。

对某一型号的金属防热瓦热边温度范围为900~1300℃条件下的温度和表面发射率进行了测量实验，温度及波长为0.890μm 光谱发射率的计算结果见表1。

表1 金属防热瓦试样测量结果

Table 1 Results of the metallic thermal protection blanket’s specimen Experiment number Temperature of thermocoupled /℃Measured temperature/℃ Measured emissivity

图2 多波长高速高温计光学系统

Fig.2 Optical scheme of the multi-wavelength pyrometer

1 950.0 949.1 0.782 2 951.0 949.9 0.775 3 955.0 951.3 0.778 4 995.0 986.4 0.783 5 955.0 951.0 0.779 6 953.0 950.8 0.779 7 980.0 971.6 0.780 8 1340.0 1330.3 0.754 9 1190.0 1182.2 0.743 10 1320.0 1310.9 0.798 11 1235.0 1225.0 0.771 12 1130.0 1123.0 0.697 13 1285.0 1278.1 0.791

14 1280.0 1274.6 0.786

4 结 论

本文提出的方法是通过处理两个不同温度处的测量数据来求取被测目标的真温及光谱发射率，该方法对发射率与波长之间的函数关系不做任何限制，但要求发射率在所选定的波长处与温度有近似相同的线性关系，这对于许多实际物体来说，在一定温区，一定波长范围内是不难满足的。

由实验结果可得出下述结论： 1) 被测目标实际温度值与温度计算值误差范围不大于±10℃； 2) 对于温度初值来说，只要温度估计初值与真实情况的误差在±200K 以内，即可得到较好的计算温度值和计算发射率值； 3) 对于发射率搜索范围来说，给定的搜索范围与真实情况越接近，计算结果也越准确； 4) 该方法由于算法中使用多次叠代计算，可实现在线测量但不适合用于实时数据处理。

本文提出的方法用于实际测量时，其温度初值选定为900℃，如可能的话若将温度初值定为1100℃测量结果能更好一些。综上所述，本文方法的几个约束条件在用于实际测量时并不难满足。在不需要实时数据处理的场合，本文的方法是一种较实用的多波长温度计的数据处理方法。 ( 下转第81页 )

2007年8月 孙 正：造影图像序列中动脉血管的三维测量 81参考文献：

[1] Mourgues Fabien，Devernay Frederic，Malandain Gregoire，et al. 3D+t modeling of coronary artery tree from standard non

simultaneous angiograms [J]. Proceedings of MICCAI 2001，2001，2208：1320-1322.

[2] Chen S -Y James，Carroll John D. Kinematic and deformation analysis of 4-D coronary arterial trees reconstructed from cine

angiograms [J]. IEEE Transactions on Medical Imaging，2003，22(6)：710-721.

[3] Chen S. James，Carroll John D. 3-D reconstruction of coronary arterial tree to optimize angiographic visualization [J]. IEEE

Transactions on Medical Imaging，2000，19(4)：318-336.

[4] 孙 正，郁道银，姜 浩. 基于变形模型的心血管三维运动跟踪[J]. 光电工程，2006，33(6)：24-27.

SUN Zheng，YU Dao-yin，JIANG Hao. 3D tracking of cardiac vessels in angiogram sequences based on deformable model [J]. Optoelectronic Engineering，2006，33(6)：24-27.

[5] 孙 正，郁道银. 动态规划在运动图像序列分析中的应用[J]. 光电工程，2006，33(3)：32-35.

SUN Zheng，YU Dao-yin. Application of dynamic programming in dynamic image sequence analysis [J]. Optoelectronic Engineering ，2006，33(3)：32-35.

[6] Chen Chang Wen，Huang Thomas S，Arrott Matthew. Modeling，analysis and visualization of left ventricle shape and motion

by hierarchical decomposition [J]. IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1994，16(4)：342-356.

畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸畸 ( 上接第62页 )

参考文献：

[1] Blosser M L，Chen R，Poteet C. Advanced Metallic Thermal Protection System Development [A]. The 40th Areospace

Sciences Meeting&Exhibit [C]. Reno, Nevada, USA：[sn]，2002：1-20.

[2] Khan M A. Noncontact Temperature Measurement II Least Squares Based Techniques [J]. Rev Sci Instrum，1991，62(2)：

403-409.

[3] SUN Xiao-gang. The Theoretical Analysis of Multi-wavelength Pyrometer：Check and Autosearch for Emissivity General

Expression [J]. Journal of Harbin Institute of Technology，1998，5(3)：36-40 .

[4] 孙晓刚，王雪峰，戴景民，等. 基于多光谱法的目标真温及光谱发射率自动识别算法研究[J]. 西安交通大学学报，2001，

35(12)：1275-1278 .

SUN Xiao-gang，WANG Xue-feng，DAI Jin-min，et al. Research on algorithm of automatically recognizing the true temperature and spectral emissivities based on the multispectral thermometry [J]. Journal of Xi'an Jiaotong University，2001，35(12)：1275-1278 .

[5] 赵忠义，钮文艳. 多光谱BRDF 测量系统转角装置研制[J]. 光电工程，2006，33(11)：61-64.

ZHAO Zhong-yi，NIU Wen-yan. Design of a multiple wavelength BRDF measurement device [J]. Opto-Electronic Engineering ，2006，33(11)：61-64 .

[6] 戴景民，杨茂华，褚载祥. 多波长辐射测温仪及其应用[J]. 红外毫米波学报，1995，14：461-466.

DAI Jing-min，YANG Mao-hua，CHU Zai-xiang. Multi-wavelength pyrometer and its application [J]. J . Infrared Millim. Waves ，1995，14：461-466 .

[7] 邹 华，张孟伟. 用步进电动机实现连续变焦距光学镜头的变焦控制[J]. 光电工程，2003，30(1)：29-31.

ZOU Hua，ZHANG Meng-wei. Realization of zooming control for a continuous zoom optional lens with step motor [J]. Opto-Electronic Engineering，2003，30(1)：29-31.

多波长法金属防热瓦表面温度及发射率的测量

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参考文献(7条)

1. Blosser M L;Chen R;Poteet C Advanced Metallic Thermal Protection System Development 2002

2. Khan M A Noncontact Temperature Measurement Ⅱ Least Squares Based Techniques 1991(02)

3. SUN Xiao-gang The Theoretical Analysis of Multi-wavelength Pyrometer:Check and Autosearch for Emissivity GeneralExpression [外文期刊] 1998(03)

4. 孙晓刚;王雪峰;戴景民 基于多光谱法的目标真温及光谱发射率自动识别算法研究[期刊论文]-西安交通大学学报 2001(12)

5. 赵忠义;钮文艳 多光谱BRDF测量系统转角装置研制[期刊论文]-光电工程 2006(11)

6. 戴景民;杨茂华;褚载祥 多波长辐射测温仪及其应用[期刊论文]-红外与毫米波学报 1995

7. 邹华;张孟伟 用步进电动机实现连续变焦距光学镜头的变焦控制[期刊论文]-光电工程 2003(01)

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3. 张贵锋. 张建勋. 裴怡. ZHANG Gui-feng. ZHANG Jian-xun. PEI Yi 从美国焊接手册看特种焊工艺的变迁[期刊论文]-热加工工艺2006,35(3)

4. 龚冰. 娄国伟. 李兴国. GONG Bing. LOU Guo-wei. LI Xing-guo 毫米波辐射温度随表面温度变化的曲线拟合[期刊论文]-探测与控制学报2009,31(6)

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10. 孙崐. 孙晓刚. 戴景民. SUN Kun. SUN Xiao-gang. DAI Jing-min 测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制[期刊论文]-光谱学与光谱分析2011,31(3)

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1. 龚冰. 娄国伟. 李兴国 3 mm波段隐身目标辐射温度的温变模型[期刊论文]-电光与控制 2010(7)

引用本文格式：萧鹏. 孙晓刚. 戴景民. XIAO Peng. SUN Xiao-gang. DAI Jing-min 多波长法金属防热瓦表面温度及发射率的测量[期刊论文]-光电工程 2007(8)