專利名稱：基于色溫儀實現(xiàn)熱力學溫度測量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法。
背景技術(shù)：
自然界中表現(xiàn)豐富的光輻射刺激人眼后，在大腦中形成顏色信息。色溫與相關(guān)色溫是色度學中基本的顏色表征概念，是比顏色的色品坐標更具通用性的顏色相關(guān)物理量。在顏色科學領(lǐng)域，色溫測量一直是一項重要的測試項目，例如在光源生產(chǎn)行業(yè)，對色溫的精確測量提出了較高的要求，但測試手段也相對地昂貴復(fù)雜。因此，針對于不同的需要，已有許多品牌、性能各異的色溫儀被廣泛應(yīng)用，它們具有快速測量、使用方便、測量精度高、成本低等諸多優(yōu)點。普朗克黑體輻射定律是色溫儀測量所依據(jù)的基本原理之一，“色溫”定義即是光源的顏色(即光源色)與某一溫度下的黑體發(fā)射光的顏色相同時，此時黑體的絕對溫度值即為該光源的色溫，色溫用絕對溫度單位K表示。如果光源色度與黑體有差異，則用相關(guān)色溫來描述光源的顏色。“相關(guān)色溫”的定義是在均勻色度圖中，如果一個光源與某一溫度下的黑體具有最接近的色度，此時黑體的熱力學絕對溫度值就叫做光源的相關(guān)色溫。
人眼的顏色視覺經(jīng)驗被應(yīng)用在冶金、玻璃加工、蠟鑄模、陶器制作等行業(yè)，例如在冶金行業(yè)，工作在生產(chǎn)第一線的工人們雖未學過高深的物理學，但經(jīng)過實踐經(jīng)驗的長期積累或師徒相授，他們往往具有目測高溫鐵水顏色(代表著相關(guān)色溫)判斷溫度(代表著熱力學溫度)進而采取相應(yīng)工藝操作的能力。因而，在某些情形下，人眼的顏色視覺經(jīng)驗包含一個根據(jù)顏色(代表著相關(guān)色溫)進行測溫(代表著熱力學溫度)的過程，作為探測器的人眼通過晶狀體將環(huán)境中的輻射聚焦在視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜在輻射刺激下，傳遞信號到充當輻射指示器的大腦，依據(jù)經(jīng)驗進行校正，大腦既可以把刺激信號轉(zhuǎn)化為熱力學溫度量。實際上，對于黑體或灰體等特殊物體，色溫在被用來描述光源顏色(色度)的同時，也表征了光源的熱力學溫度。如果光源是實際物體，光源顏色(色度)通常偏離黑體或灰體所在的普朗克軌跡，但表征顏色的相關(guān)色溫、熱力學溫度和物性之間必將存在著某種對應(yīng)關(guān)系。這種關(guān)系的確立將使利用色溫儀實現(xiàn)熱力學溫度的輻射測量成為可能，使它們間的關(guān)聯(lián)從一種定性的經(jīng)驗估計上升到一種定量的科學表達。
自1900年創(chuàng)建普朗克定律以來，熱力學溫度的輻射測量方法一直是溫度測量的主流研究熱點，其難度在于發(fā)射率不僅是①溫度、波長和表面狀態(tài)的函數(shù)，而且是測量②方向的函數(shù)；此外，測量信號還受到③測距的影響。對于①，目前的商用輻射測溫儀器(如熱像儀等)均采用發(fā)射率修正方案，通過發(fā)射率數(shù)據(jù)修正以得到準確溫度，這種輻射測溫儀器從20世紀80年代起，一度成為科研與應(yīng)用的主流，但測溫不精確的局限性阻礙了其在科研領(lǐng)域的進一步發(fā)展。20世紀80年代后期至今，研究人員則一直努力嘗試建立關(guān)于溫度和波長的各種發(fā)射率模型，但具有普適性的發(fā)射率模型的提出一直是該領(lǐng)域研究的難點，至今并沒有被完美地予以解決；表面狀態(tài)雖無法描述，但測量時被“凍結(jié)”，所以并不影響測量。對于②、③，可采用標定方式予以解決，但會增加儀器設(shè)計的復(fù)雜性，同時也無法做到場測量中“點點俱到”的整場標定，即便對于具有二維成像能力的熱像儀而言，仍然存在著標定技術(shù)上的若干問題。總結(jié)輻射測溫現(xiàn)狀，可歸結(jié)為(1)發(fā)射率仍然無法精確知曉；(2)標定仍然是輻射測溫技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)。解決上述問題的全新的輻射測溫方法的建立，勢必將成為輻射測溫理論研究和裝置設(shè)備研制的發(fā)展趨勢，其重要性和意義不言自明。
因而，上述研究現(xiàn)狀表明1)對于黑體或灰體等特殊物體，色溫儀在測量色溫的同時，通過色溫也表征了物體的熱力學溫度；而對于實際物體，利用色溫儀進行熱力學溫度的輻射測量僅停留在表觀現(xiàn)象階段，在理論上和應(yīng)用上并沒有得以實現(xiàn)，也從未引起過研究上的重視。2)輻射測溫(熱力學溫度)的方法研究仍面臨著一些困難，因而，理論先進、測量準確的輻射測溫儀在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)上有著巨大的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述難題，本發(fā)明提供一種基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，適用于具有連續(xù)輻射特性的高溫物體，該方法包括以下步驟第一步構(gòu)建基于可見光波段內(nèi)的二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型，將二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型帶入色溫儀的顏色測量方程，進行三通道顏色測量方程的理論分析處理，構(gòu)造測量封閉的輻射測溫方程，通過對輻射測溫方程的數(shù)值反問題求解，建立待測高溫物體的顏色信息與熱力學溫度的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系；第二步將二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型帶入色溫儀的顏色測量方程，依據(jù)相關(guān)色溫的物理定義，借鑒已有的相關(guān)色溫求解方法，建立待測高溫物體的顏色信息與相關(guān)色溫的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系；
第三步以顏色信息為交叉點，基于第一步、第二步的分析結(jié)果，建立相關(guān)色溫與熱力學溫度的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，并開發(fā)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫對它們之間的對應(yīng)關(guān)聯(lián)予以存儲；第四步測量時，色溫儀獲得被測高溫物體的相關(guān)色溫，依據(jù)該數(shù)值，查詢上述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，即可獲得被測高溫物體的相應(yīng)熱力學溫度。
其中，所述可見光波段內(nèi)的二參數(shù)發(fā)射率函數(shù)模型為ε(λ，T)＝a0+a1·Λn上式中，無量綱波長Λ=λ-λ1λ2-λ1,]]>ε為發(fā)射率，λ為波長，T為熱力學溫度，a0為發(fā)射率參數(shù)1，a1為發(fā)射率參數(shù)2，調(diào)整系數(shù)n依據(jù)被測物體的基本特征予以提前設(shè)定；所述顏色測量方程為色度學中表述顏色的數(shù)學方程，包含三個顏色分量；所述測量封閉的輻射測溫方程包含非相關(guān)的三通道測量信息，測量信息中耦合著發(fā)射率函數(shù)中的兩個未知參數(shù)a0和a1、熱力學溫度T以及與距離、角度等相關(guān)的空間幾何因子。
簡言之，本發(fā)明對于具有連續(xù)輻射特性的高溫物體，基于特定波段內(nèi)的二參數(shù)發(fā)射率函數(shù)模型，構(gòu)造測量封閉的輻射測溫方程，采用歸一化的數(shù)據(jù)處理方式對三通道測量信息進行處理，確保在理論上實現(xiàn)無需知曉發(fā)射率數(shù)據(jù)、無需標定的熱力學溫度場的輻射測量，建立測量顏色與熱力學溫度的對應(yīng)關(guān)系。采用色溫儀作為輻射測量儀器，應(yīng)用上述輻射測溫方程，以顏色信息為研究的交叉點，建立(相關(guān))色溫與熱力學溫度的數(shù)學關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫通過硬件編程嵌入到色溫儀中，進而利用經(jīng)過簡單改造的色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度的輻射測量。其中，采用歸一化數(shù)據(jù)處理方式對三通道測量信息進行處理，可以消除空間幾何因子等可分離變量對于測量的影響。
色度理論給出光輻射刺激引發(fā)的顏色在CIE均勻顏色空間中(CIE 1960-UCS)的數(shù)學方程描述(即為顏色測量方程)，U=∫380nm780nmu‾(λ)P(λ)dλV=∫380nm780nmv‾(λ)P(λ)dλW=∫380nm780nmw‾(λ)P(λ)dλ]]>其中，P(λ)為功率分布函數(shù)，(u(λ)，v(λ)，w(λ))為CIE 1960-UCS均勻色度系統(tǒng)的光譜響應(yīng)曲線，(U，V，W)為表征顏色信息的三刺激值。歸一化(U，V，W)后得到顏色的色度坐標(u=UU+V+W,v=VU+V+W).]]>不同熱力學溫度的黑體的顏色在色度坐標系中形成一條顏色軌跡，這就是著名的普朗克(Planck)軌跡。在軌跡上，黑體的熱力學溫度與其表現(xiàn)的顏色一一對應(yīng)。對于特定的色度系統(tǒng)，Planck軌跡具有唯一性。如果一個光源顏色的色度坐標與某個溫度下黑體發(fā)光顏色的色度坐標相同，這時的黑體溫度就定義為光源的色溫。如果光源是黑體或灰體，因為它們具有相同的色度坐標，于是色溫在被用來描述黑體光源色度的同時，也表征了黑體的熱力學溫度。如果光源色度與黑體有差異，則用相關(guān)色溫來描述光源的顏色，均勻色度圖中的等相關(guān)色溫線是垂直于Planck軌跡的直線簇。如果已知光源顏色的色度坐標，便可以計算出(相關(guān))色溫，常見的計算方法有直接內(nèi)插法、三角形垂足法、色溫逐次逼近法等。上述即為色溫儀測量(相關(guān))色溫的基本測量原理。
考察的物體限于具有單調(diào)性發(fā)射率的連續(xù)輻射源，盡管發(fā)射率沿波長的分布比較復(fù)雜，但總存在一個窄波段，使得該波段內(nèi)的發(fā)射率可用如下的二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型予以描述，ε(λ，T)＝a0+a1·Λn＝a0·(1+m·An)，令Λ=λ-λ1λ2-λ1]]>其光譜功率分布為P(λ)＝ε(λ，T)·Ib(λ，T)。因此，具有上述單調(diào)發(fā)射率性質(zhì)的實際物體即為本發(fā)明所適用的待測高溫物體。該發(fā)射率函數(shù)模型具有一定的方法適用性和應(yīng)用合理性。
基于所考察的待測高溫物體的光譜功率分布，在色溫儀測量中，其測量輸出的顏色測量方程組(即，輻射測溫方程)為 上式中為測量中與距離、角度等相關(guān)的空間幾何因子，T為高溫物體的熱力學溫度。顏色光譜響應(yīng)曲線(u(λ)，v(λ)，w(λ))之間線性非相關(guān)，因而由此形成的顏色測量的三通道方程之間滿足測量的非相關(guān)要求。顏色方程組中存在(，a0，m，T)四個變量，根據(jù)變量可分離原則，四個變量可轉(zhuǎn)化為三個獨立變量(·a0，m，T)。此時(U，V，W)對應(yīng)著(·a0，m，T)三個未知獨立變量，輻射測溫方程滿足熱力學溫度封閉求解的條件，無需進行任何幾何標定，即可求得包括熱力學溫度在內(nèi)的若干測量量。上述標定主要指的是對與距離、角度等相關(guān)的空間幾何因子的標定。
基于特定的發(fā)射率函數(shù)以及色溫儀所提供的非相關(guān)顏色測量方程，經(jīng)過數(shù)學理論分析可同時獲得(相關(guān))色溫和熱力學溫度，我們建立二者的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中給出了(相關(guān))色溫與熱力學溫度的對應(yīng)轉(zhuǎn)換表。通過硬件編程將數(shù)據(jù)庫嵌入色溫儀中，在測量中，色溫儀獲得被測高溫物體的(相關(guān))色溫，依據(jù)該數(shù)值，查詢關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，可方便地獲得被測高溫物體相應(yīng)的熱力學溫度，從而實現(xiàn)了本發(fā)明所述的通過色溫儀實現(xiàn)熱力學溫度輻射測量的目的。
本發(fā)明所述色溫儀為顏色科學領(lǐng)域中常用的設(shè)備，用以對光源進行色度測量，并采用相關(guān)色溫來表征測量顏色信息。
與目前現(xiàn)有的方法和技術(shù)相比，本發(fā)明具有兩個主要突出特點(1)對于常規(guī)的色溫儀而言，本發(fā)明拓展了色溫儀的應(yīng)用范圍，針對特定的具有連續(xù)輻射性質(zhì)的實際高溫物體，將傳統(tǒng)的表征顏色的(相關(guān))色溫測量拓展至熱力學溫度的測量，原理上具有創(chuàng)新性，技術(shù)上具有可操作性、便利性。
(2)對于輻射測溫而言，在理論上，本發(fā)明解決了發(fā)射率與標定兩個基本難點問題，實現(xiàn)了無需知曉發(fā)射率、無需標定的熱力學溫度場的輻射測量；在技術(shù)上，相比于其它輻射測溫儀器，本發(fā)明所采用的色溫儀的后期改造簡單，避免了一般儀器設(shè)計開發(fā)的大量投入，可以方便地實現(xiàn)熱力學溫度的輻射測量。


圖1為本發(fā)明的數(shù)據(jù)分析原理圖。
具體實施例方式
通常，色溫儀進行(相關(guān))色溫測量對物體沒有特殊的限制，而本發(fā)明要通過色溫儀實現(xiàn)熱力學溫度的輻射測量，則對被測物體要有具體的限制，即1)具有連續(xù)輻射的高溫物體；2)在可見光波段內(nèi)，物體的光譜發(fā)射率具有簡單的單調(diào)性?；诖讼拗茥l件，下面，將結(jié)合圖1對本發(fā)明的一個具體實施方式
做進一步描述。
本發(fā)明所述的基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法包括以下步驟第一步構(gòu)建基于可見光波段內(nèi)的二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型，將二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型帶入色溫儀的顏色測量方程，進行三通道顏色測量方程的理論分析處理，構(gòu)造測量封閉的輻射測溫方程，通過對輻射測溫方程的數(shù)值反問題求解，建立待測高溫物體的顏色信息與熱力學溫度的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系；第二步將二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型帶入色溫儀的顏色測量方程，依據(jù)相關(guān)色溫的物理定義，借鑒已有的相關(guān)色溫求解方法，建立待測高溫物體的顏色信息與相關(guān)色溫的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系；第三步以顏色信息為交叉點，基于上述第一步、第二步的分析結(jié)果，建立相關(guān)色溫與熱力學溫度的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，并開發(fā)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫對它們之間的對應(yīng)關(guān)聯(lián)予以存儲；第四步將相關(guān)色溫與熱力學溫度對應(yīng)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過硬件編程嵌入到色溫儀的分析系統(tǒng)中，并對色溫儀進行一定的改裝，增加熱力學溫度分析結(jié)果的顯示系統(tǒng)。因而，在色溫儀測量中，在得到相關(guān)色溫的同時，儀器分析系統(tǒng)經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)庫查詢，即可得到待測高溫物體的熱力學溫度，并在色溫儀的結(jié)果顯示系統(tǒng)中予以顯示。
相比于第一步中的積分數(shù)值計算，嵌入到系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫查詢并不會過多地占用系統(tǒng)硬件資源以致于影響系統(tǒng)速度，因此，基于色溫儀的熱力學溫度的獲得與色溫的獲得幾乎是同步的。此外，熱力學溫度測量誤差與所選擇的色溫儀的儀器精度相關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，適用于具有連續(xù)輻射特性的高溫物體，該方法包括以下步驟第一步構(gòu)建基于可見光波段內(nèi)的二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型，將二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型帶入色溫儀的顏色測量方程，進行三通道顏色測量方程的理論分析處理，構(gòu)造測量封閉的輻射測溫方程，通過對輻射測溫方程的數(shù)值反問題求解，建立待測高溫物體的顏色信息與熱力學溫度的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系；第二步將二參數(shù)單調(diào)發(fā)射率函數(shù)模型帶入色溫儀的顏色測量方程，依據(jù)相關(guān)色溫的物理定義，借鑒已有的相關(guān)色溫求解方法，建立待測高溫物體的顏色信息與相關(guān)色溫的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系；第三步以顏色信息為交叉點，基于第一步、第二步的分析結(jié)果，建立相關(guān)色溫與熱力學溫度的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，并開發(fā)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫對它們之間的對應(yīng)關(guān)聯(lián)予以存儲；第四步測量時，色溫儀獲得被測高溫物體的相關(guān)色溫，依據(jù)該數(shù)值，查詢上述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，即可獲得被測高溫物體的相應(yīng)熱力學溫度；其中，所述可見光波段內(nèi)的二參數(shù)發(fā)射率函數(shù)模型為ε(λ，T)＝a0+a1·Λn式中，無量綱波長Λ=λ-λ1λ2-λ1,]]>ε為發(fā)射率，λ為波長，T為熱力學溫度，a0為發(fā)射率參數(shù)1，a1為發(fā)射率參數(shù)2，調(diào)整系數(shù)n依據(jù)被測物體的基本特征予以提前設(shè)定；所述顏色測量方程為色度學中表述顏色的數(shù)學方程，包含三個顏色分量；所述測量封閉的輻射測溫方程包含非相關(guān)的三通道測量信息，測量信息中耦合著發(fā)射率函數(shù)中的兩個未知參數(shù)a0和a1、熱力學溫度T以及與距離、角度相關(guān)的空間幾何因子。
2.如權(quán)利要求1所述的基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，其特征在于所述輻射測溫方程滿足熱力學溫度封閉求解的條件，采用歸一化數(shù)據(jù)處理方式對三通道測量信息進行處理，以消除空間幾何因子對測量的影響，實現(xiàn)無需知曉發(fā)射率數(shù)據(jù)、無需進行任何幾何標定的熱力學溫度輻射測量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，其特征在于將所述相關(guān)色溫與熱力學溫度對應(yīng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫通過硬件編程嵌入到色溫儀中，并在色溫儀中增加相應(yīng)的熱力學溫度分析結(jié)果顯示系統(tǒng)，通過該顯示系統(tǒng)顯示高溫物體的熱力學溫度。
4.如權(quán)利要求3所述的基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，其特征在于所述已有的相關(guān)色溫求解方法有直接內(nèi)插法、三角形垂足法、色溫逐次逼近法。
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，其特征在于所述已有的相關(guān)色溫求解方法有直接內(nèi)插法、三角形垂足法、色溫逐次逼近法。
全文摘要
一種基于色溫儀實現(xiàn)高溫物體熱力學溫度輻射測量的方法，適用于具有連續(xù)輻射特性的高溫物體，該方法包括基于特定波段內(nèi)的二參數(shù)發(fā)射率函數(shù)，構(gòu)造測量封閉的輻射測溫方程，確保在理論上實現(xiàn)無需知曉發(fā)射率數(shù)據(jù)、無需標定的熱力學溫度的輻射測量；采用色溫儀作為輻射測量儀器，應(yīng)用上述輻射測溫方程，以顏色信息為研究的交叉點，建立相關(guān)色溫與熱力學溫度的數(shù)學關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的嵌入，進而利用色溫儀實現(xiàn)高溫物體的熱力學溫度測量。在理論上，本發(fā)明解決了在輻射測溫上發(fā)射率未知性與標定復(fù)雜性兩個實際難題；在技術(shù)上，本發(fā)明拓展了常規(guī)色溫儀的應(yīng)用范圍，對其經(jīng)過簡單改造即可方便地實現(xiàn)熱力學溫度的輻射測量。
文檔編號G01J5/60GK1928518SQ20061015050
公開日2007年3月14日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者符泰然, 程曉舫, 鐘茂華, 史聰靈, 劉鐵民 申請人:中國安全生產(chǎn)科學研究院