基于粗精二級(jí)分光結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)環(huán)境瞬態(tài)溫度測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種基于粗精二級(jí)分光結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)環(huán)境瞬態(tài)溫度測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)治療等許多領(lǐng)域，都涉及到溫度的探測(cè)，而在許多場(chǎng)合下溫度并非保持恒定，相反它正是隨時(shí)間快速地變化，這種情況下的溫度即瞬態(tài)溫度。對(duì)瞬態(tài)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是及時(shí)了解系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和各種參數(shù)相互作用的重要手段。
[0003]目前溫度測(cè)量按照原理分類(lèi)，可以分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類(lèi)。
[0004]接觸式測(cè)溫方法主要是將熱電偶、光纖等感溫元件直接置于被測(cè)溫度場(chǎng)或介質(zhì)中來(lái)測(cè)量溫度，這種方法不受火焰的黑度、熱物性參數(shù)等因素的影響，具有使用方便，經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于燃燒等具有瞬態(tài)脈沖特性的對(duì)象，接觸式測(cè)溫方法難以作為真正的溫度場(chǎng)的測(cè)量手段，主要原因在于接觸式測(cè)溫裝置的動(dòng)態(tài)特性不夠理想，在測(cè)量上有一定的時(shí)間滯后，難以及時(shí)反應(yīng)出溫度的快速變化，在對(duì)高溫、高速等離子體測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱滯后，難以及時(shí)反應(yīng)出溫度的快速變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超快速的瞬態(tài)測(cè)溫要求。
[0005]在非接觸式測(cè)溫方法中，光譜法是目前公認(rèn)的測(cè)量輻射溫度最準(zhǔn)確有效的方法，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究集中于對(duì)光譜法進(jìn)行改進(jìn)從而適應(yīng)不同環(huán)境下的溫度測(cè)量，如基于激光技術(shù)的光譜測(cè)溫法和基于多路波長(zhǎng)通道的光譜測(cè)溫法。基于激光技術(shù)的光譜測(cè)溫法包括可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法、激光相關(guān)反斯托克斯-拉曼散射光譜測(cè)溫法以及基于多普勒光譜學(xué)的相干成像光譜法等。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法(TDLAS)主要分為波長(zhǎng)掃描直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制吸收法。波長(zhǎng)掃描直接吸收法是通過(guò)掃描選定的吸收線，利用獲得的吸收峰實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收介質(zhì)相關(guān)的測(cè)量；波長(zhǎng)調(diào)制吸收法是基于鎖相檢測(cè)的原理，能夠有效的抑制其他頻段噪聲對(duì)測(cè)量的影響。TDLAS法測(cè)溫的主要缺點(diǎn)是在于測(cè)量靈敏度低，易受背景噪聲的干擾，不能適應(yīng)惡劣環(huán)境下對(duì)溫度測(cè)試的要求。激光相關(guān)反斯托克斯-拉曼散射光譜測(cè)溫法(CARS)是基于非線性光學(xué)四波混頻的相干拉曼原理，它利用火焰中產(chǎn)生的某些氣體(如C0，N0等)吸收激光的某些特征波長(zhǎng)后會(huì)產(chǎn)生一種特征光譜，通過(guò)對(duì)該光譜的提取進(jìn)行溫度測(cè)量。但目前CARS法研究還只是起步階段，其測(cè)量的準(zhǔn)確性尚不能確定，有待深入研究，因此無(wú)法滿足高精度測(cè)溫的要求?；诙嗥绽展庾V學(xué)的相干成像光譜法的原理是主要基于等離子體光譜線形狀和與之作為光源通過(guò)干涉系統(tǒng)后得到的干涉條紋為一對(duì)傅里葉變換對(duì)為基礎(chǔ)，根據(jù)光譜在高溫下產(chǎn)生光譜展寬導(dǎo)致干涉條紋對(duì)比度下降這一物理特性，從而恢復(fù)所測(cè)等離子體溫度場(chǎng)的分布情況。但是該方法的缺點(diǎn)在于，對(duì)外界振動(dòng)、噪聲等因素的抗干擾性很差，且外界溫度的波動(dòng)會(huì)使其引入很大的誤差，因此該法同樣無(wú)法適應(yīng)惡劣環(huán)境下的溫度測(cè)量。基于多路波長(zhǎng)通道的光譜測(cè)溫法包括雙色法、三基色法等。雙色法是基于固體熱輻射的測(cè)溫方法，其測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)出火焰發(fā)射出的輻射光在某兩個(gè)波長(zhǎng)上的強(qiáng)度，然后利用輻射學(xué)建立的兩個(gè)強(qiáng)度與溫度的方程，小區(qū)一個(gè)代表輻射率的未知因子，計(jì)算出所要的溫度。雙色法通過(guò)感知測(cè)量對(duì)象(如火焰)自身的發(fā)光強(qiáng)度感知溫度，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，對(duì)光路要求低，測(cè)試簡(jiǎn)單。但雙色法存在兩個(gè)缺陷:1.對(duì)特征光譜的定位和提取分辨率不高，所提取到的兩個(gè)工作波長(zhǎng)范圍較寬，大大影響測(cè)量精度；2.波長(zhǎng)通道少，只設(shè)立兩個(gè)波長(zhǎng)通道提取兩個(gè)工作波長(zhǎng)，引入的強(qiáng)度與溫度的方程過(guò)少，計(jì)算擬合精度過(guò)低，很難保證最終的測(cè)量精度。三基色法通過(guò)分析測(cè)量對(duì)象所輻射出的光譜的色彩圖像來(lái)獲取其溫度，具體原理是:測(cè)量對(duì)象(如燃燒火焰)輻射出的光譜具有特定的色彩，這些色彩所對(duì)應(yīng)的溫度具有唯一性，因此只需要用準(zhǔn)確的方法記錄下具有這些色彩的圖像，然后對(duì)這些圖像進(jìn)行分析，便可獲得測(cè)量對(duì)象的溫度及其分布。三基色測(cè)溫法所需要的光路和光學(xué)元件較少，但在其工作時(shí)，必須提供可供熱輻射光譜傳播的通道，測(cè)試環(huán)境的一些惡劣因素，如煙熏、燃燒灰燼的影響等，會(huì)使這個(gè)通道產(chǎn)生局部污染而造成透射率均勻性減弱，這就降低了溫度測(cè)量的精度。
[0006]除了以上所述雙色法、三基色法之外，常見(jiàn)的基于多路波長(zhǎng)通道的光譜測(cè)溫法如翟洋等人提出了“多光譜瞬態(tài)測(cè)溫計(jì)用于動(dòng)力發(fā)射系統(tǒng)火焰測(cè)試”(2011年7月《應(yīng)用光學(xué)》第32卷第4期)。其公開(kāi)了一種瞬態(tài)測(cè)溫裝置，即多光譜瞬態(tài)測(cè)溫計(jì)，將用于對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)以及采集目標(biāo)光譜信號(hào)的前置光學(xué)機(jī)構(gòu)、用于分離提取多路特征光譜信號(hào)的光柵分光機(jī)構(gòu)與用于處理特征光譜信號(hào)得到測(cè)溫結(jié)果的信號(hào)處理系統(tǒng)集成于一體，利用反射式閃耀光柵與兩塊非對(duì)稱安置的球面反射鏡組成的不對(duì)稱的C-T式光柵單色儀結(jié)構(gòu)作為分光機(jī)構(gòu)，對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)下的特征光譜進(jìn)行提取，最終將光譜信號(hào)處理后輸入計(jì)算機(jī)分析得到溫度測(cè)試結(jié)果。這一裝置的缺點(diǎn)在于:將起到探頭作用的前置光學(xué)機(jī)構(gòu)與光柵分光機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理系統(tǒng)所組成的精密測(cè)量部分集成裝配在一起，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)將導(dǎo)致事先裝調(diào)好的分光機(jī)構(gòu)各光學(xué)元件的姿態(tài)、位置發(fā)生變化，影響特征光譜的精確提取；測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的電磁輻射、溫度變化等不利因素將對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的光電探測(cè)器件造成干擾，使其不能在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的偶然誤差。該裝置采用普通反射式閃耀光柵和兩塊球面鏡來(lái)組成C-T式分光機(jī)構(gòu)，缺點(diǎn)在于:反射式閃耀光柵的衍射效率只能達(dá)到75%左右，對(duì)目標(biāo)光譜的能量利用率不夠，會(huì)使得最終采集到的特征光譜信號(hào)過(guò)于微弱，增大對(duì)其探測(cè)的難度；另外，由于在利用球面反射鏡進(jìn)行準(zhǔn)直、聚焦時(shí)存在較大的像差，導(dǎo)致了接收靶面上各特征光譜的彌散斑尺寸較大，若相鄰兩根特征光譜的波長(zhǎng)相隔較近，其彌散斑的位置也會(huì)相應(yīng)的相隔很近，甚至?xí)霈F(xiàn)不同特征光譜的彌散斑重合的情況，導(dǎo)致特征光譜無(wú)法被提取。當(dāng)特征光譜的彌散斑尺寸較大時(shí)，用來(lái)提取特征光譜信號(hào)的光纖尺寸就得增加，相應(yīng)地所提取到的光譜帶寬就得增加，這樣就造成了光譜分辨率的下降。另外，在該裝置所采取的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，當(dāng)入射光的光譜范圍過(guò)寬時(shí)，經(jīng)過(guò)光柵分光后，短波長(zhǎng)的光與長(zhǎng)波長(zhǎng)的光之間的角度會(huì)很大，這樣第二塊球面反射鏡所需的接收面尺寸就得很大。理論上可以通過(guò)增加第二塊球面鏡的口徑來(lái)獲得較大的接收面尺寸接收寬光譜范圍的入射光，但考慮到大口徑球面鏡進(jìn)行實(shí)際加工時(shí)的難度與成本，這樣做可行性并不高。因此出于分光機(jī)構(gòu)中第二塊球面鏡的尺寸限制，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅能對(duì)較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的一些元素的特征譜線進(jìn)行分離提取，這就限制了其測(cè)量對(duì)象的范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種基于粗精二級(jí)分光結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)環(huán)境瞬態(tài)溫度測(cè)量裝置，對(duì)存在強(qiáng)電磁輻射、振動(dòng)、溫差變化快等惡劣因素的非穩(wěn)定環(huán)境中的對(duì)象的特征光譜信號(hào)進(jìn)行提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)瞬態(tài)溫度的測(cè)量。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于粗精二級(jí)分光結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)環(huán)境瞬態(tài)溫度測(cè)量裝置，包括前置光學(xué)機(jī)構(gòu)、傳導(dǎo)光纖、分光機(jī)構(gòu)和信號(hào)采集與處理模塊，傳導(dǎo)光纖一端與前置光學(xué)機(jī)構(gòu)連接，另一端與分光機(jī)構(gòu)連接，分光機(jī)構(gòu)再與信號(hào)采集與處理模塊連接;
所述前置光學(xué)機(jī)構(gòu)包括準(zhǔn)直物鏡、分光鏡和CCD，沿光軸依次設(shè)置準(zhǔn)直物鏡和分光鏡，目標(biāo)發(fā)射的光譜經(jīng)準(zhǔn)直物鏡會(huì)聚后，進(jìn)入分光鏡，經(jīng)分光鏡分為反射光和透射光，反射光進(jìn)入CCD，CCD的靶面等效地位于準(zhǔn)直物鏡的焦面處，利用它可以在測(cè)量時(shí)方便地觀察并對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)處的目標(biāo)，透射光進(jìn)入傳導(dǎo)光纖的一端，從傳導(dǎo)光纖另一端射出，進(jìn)入分光機(jī)構(gòu)。
[0009]所述分光機(jī)構(gòu)包括第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、第一二元光柵、第二二元光柵、第三二元光柵、第一離軸拋物面反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡、第三離軸拋物面反射鏡、第四離軸拋物面反射鏡、第五離軸拋物面反射鏡、第六離軸拋物面反射鏡、第一接收靶面、第二接收靶面和第三接收靶面；共光軸依次設(shè)置傳導(dǎo)光纖出射端、第一分光棱鏡第二分光棱鏡，從傳導(dǎo)光纖出射端射出的光，經(jīng)第一分光棱鏡根據(jù)譜段不同，分為紅外、可見(jiàn)光譜段的第一透射光和紫外光譜段的第一反射光，第一反射光射入第三離軸拋物面反射鏡，經(jīng)第三離軸拋物面反射鏡準(zhǔn)直后射入第二二元光柵，第二二元光柵將不同波長(zhǎng)的光譜分開(kāi)后射入第四離軸拋物面反射鏡，經(jīng)第四離軸拋物面反射鏡聚焦，由第二接收靶面提取經(jīng)第四離軸拋物面反射鏡聚焦后的特征光譜信號(hào)；第一透射光射入第二分光棱鏡，經(jīng)第二分光棱鏡根據(jù)譜