辐射高温计的信号处理及算法研究

摘要

应用于特种环境的辐射测温技术在金属冶炼、燃气轮机等领域有着广泛的应用,相对传统的接触式测温技术有着测温范围广、不影响目标温度分布、响应速度快等优点.但在复杂的测量工况中,尤其是在目标高温、高速旋转、存在强背景辐射等影响下,常规的辐射高温计存在安装困难和精度低等问题,恶劣的应用场景以及复杂的测温目标,引发的测量难题一直是辐射测温技术发展的瓶颈.本文针对如燃气轮机压气机转子等旋转高温目标的辐射测温难题,重点研究用于此工况的辐射高温计的信号处理及算法,主要研究内容分以下四个方面: (1)针对如燃气轮机转子等动态高温目标温度测量的特殊需求进行大量调研,从黑体辐射基础原理出发,分析了目前的亮度测温、比色测温、三波段测温和多光谱测温算法的特点,选用实用性和出现性较强的亮度测温算法作为基础算法,进行温度信号处理技术和修正算法的研究. (2)针对旋转状态的高温目标,分析了成像式和单点式辐射测温方法的特点,基于其中响应速度更快的单点式辐射测温方式进行辐射测温系统的设计;为了还原出旋转目标的温度场分布,设计了利用目标自转的径向扫描方式,并通过电机和丝杆的配合实现扫描功能. (3)在温度信号处理过程中,设计了位置脉冲信号与温度信号的同步方法,实现从一维温度信号序列中提取二维温度场的信号处理技术,并且在LabVIEW平台上编写温度场重构程序. (4)首先在实验室内部使用黑体炉对辐射测温系统进行标定,并搭建了动态高温样件温度测量平台,对黑体标定的温度和电压响应关系曲线进行修正.对设计的辐射测温系统进行温度信号采集和温度场重构功能的验证,并实验验证了双波段和三波段的误差补偿算法. 在对本文的辐射测温系统进行标定和实验的过程中,发现使用黑体炉对辐射测温系统进行标定后,校准精度在1℃以内.但工况改变后,距离、角度等参数会引起温度与电压响应的关系曲线(T-V曲线)偏移,需对曲线重新校准才能使系统达到更高的精度;对实验采集的数据进行温度场重构相关的数据处理,可以得到旋转目标的温度分布,但精度有待进一步提高.

目录

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第一章 绪论

1.1研究工作的背景与意义

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3辐射高温计研制过程中的难点分析

1.4本论文的结构安排

第二章 辐射测温技术理论基础

2.1辐射测温理论

2.1.1普朗克黑体辐射定律

2.1.2维恩定律和瑞利-金斯公式

2.1.3史蒂芬-玻尔兹曼定律及维恩位移定律

2.2测温方法选择

2.2.1亮度测温算法

2.2.2比色测温算法

2.2.3三波段比色测温算法

2.2.4多光谱测温算法

2.3本章小结

第三章 辐射测温系统设计

3.1需求分析与测量方案设计

3.1.1测温方式选择

3.1.2扫描方案设计

3.2辐射测温系统硬件设计

3.2.1系统光路结构

3.2.2探头伸缩功能设计

3.2.3信号采集

3.2.4关键器件选择

3.3辐射测温软件设计与实现

3.4上位机功能系统结构

3.5辐射温度信号处理模块

3.5.1信号采集模块

3.5.2滤波模块

3.5.3数据分割模块

3.5.4数据存储与显示

3.6本章小结

第四章 辐射测温实验及数据分析

4.1动态温度测量实验平台搭建

4.2样件温度仿真验证

4.3辐射测温系统的黑体标定

4.4.1系统静态校准

4.4.2动态测量

4.5本章小节

第五章 算法优化及验证

5.1标定方法优化

5.2双波段区域温度算法原理

5.3双波段区域温度算法试验

5.4三波段算法原理

5.5三波段算法实验验证

5.6本章小结

第六章 总结展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果