红外热像仪精确测温技术

为实现红外热像仪对温度的精确测量,根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理,推导了计算被测物体表面真实温度的通用计算公式;讨论了发射率对测温精度的影响,分析了用红外热像仪进行精确测温的条件,探讨了环境、大气和热像仪本身对测量精度的影响,并绘制了各种因素对测温精度影响的理论曲线。结果表明:发射率为0.7时,真实温度为50℃,发射率偏离0.1时,对于3~5 μm热像仪来说,测温结果偏离真实温度0.76~0.89 ℃; 对于8~14 μm热像仪来说,测温结果偏离真实温度1.56~1.87℃。本研究结果对提高热像仪测量温度和表面发射率的准确性,减小不必要的测量误差具有实际意义。     

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

红外热像仪测量切削温度的误差来源分析与实验研究

用红外热像仪测量切削温度时,拍摄角度、距离以及物体表面发射率都是导致测温误差的来源。在红外热像仪测温理论分析的基础上,对这些因素用控制变量法进行实验。结果结果表明,拍摄角度在5o~10o和30o~35o这两个范围内,测温误差较小。热像仪与切削区之间的距离在1.1m~1.2m的范围内,测量温度比较稳定。对于粗加工45号钢而言,表面发射率设在0.48~0.45之间,温度波动较小,此区间的发射率为较好。研究结果对于红外热像仪现场监测切削温度,具有实际的指导意义。     

中型主镜的柔性半运动学支撑

针对中型反射镜提出了一种柔性半运动学支撑方式,以便简化主镜的支撑结构,降低安装应力对主镜的影响,以及提高主镜支撑对温度变化的适应性。对比小口径主镜的刚性半运动学支撑,详细阐述了柔性半运动学支撑的特点和优势。运用该原理对一口径为710mm的主反射镜的支撑进行了设计、分析、和检测,其中反射镜的轴向采用6点带有柔性细杆的Whiffletree支撑,径向采用带有柔性环的中心轴支撑。然后,利用有限元方法进行了详细的结构优化设计。最后,利用4D干涉仪对主镜竖直和水平两个工况进行了检测。检测结果显示:反射镜的支撑面形与加工面形误差分别为8.7nm和8.4nm,与有限元分析结果基本吻合,验证了文中有限元建模和分析方法的合理性。提出的柔性半运动学支撑很好地保证了主镜面形精度,综合性能良好,达到了设计预期,为中型主镜的支撑设计提供了重要的参考。     

基于彩色CCD的比色测温校正方法

基于彩色CCD的比色测温技术是当前高温测量领域中的研究热点之一.被测物体的发射率随辐射波长变化以及CCD光谱响应特性非理想是该方法的主要误差来源.通过对比色测温原理和CCD成像原理的分析,提出了含有发射率校正系数和CCD响应带宽校正系数的比色测温公式,以减少CCD光谱响应特性非理想和被测辐射体发射率变化带来的测量误差.提出利用黑体炉实验标定CCD响应带宽校正系数a、b,利用现场实验标定发射率校正系数c.实验表明,本方法能有效地减小测温误差,具有较强的实用性.     

主反射镜轻量化工程分析计算

采用了空间遥感相机主反射镜背部打圆孔的轻量化方案,对轻量化主镜进行了CAD实体模型构造及重量和轻量化率的计算,建立了轻量化主镜的有限元模型,进行了静力学和动力学分析和计算,并对轻量化和未轻量比的主镜的自振频率进行了比较。计算结果表明,主镜的轻量比设计满足技术要求,轻量化主镜的动态刚度、比刚度得到提高,轻量化率达30%以上,并还有轻量化的余地。上述结果对主镜的改进设计有重要的意义。     

1m望远镜主反射镜的支撑和装配

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能,本文根据光学系统对口径为1 000 mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况,采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑,并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算.实验显示,在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下,主镜能够达到较高的面形精度.针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度,探索了新的主镜装调方法.用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨,使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度.该方法满足了本项目的指标要求,也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路.     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

基于多光谱显微成像的颗粒表面温度分布测量

分别采用彩色相机和多光谱相机构建辐射测温系统,利用黑体炉进行温度模型标定实验,并基于BP神经网络对标定数据进行训练得到测温模型。通过蜡烛火焰的温度测量实验,验证了测温模型的可靠性,且结果显示多光谱成像测温系统的测温精度高于彩色相机测温系统。针对常规辐射成像测温系统空间分辨率不足的问题,采用多光谱相机结合显微镜搭建了显微测温平台,对高温热台内的单石油焦颗粒燃烧过程进行记录,得到了石油焦颗粒表面的温度分布以及随时间的温度变化过程。     

锥形内表面干涉测量误差分析

为了实现对回转锥形内表面的形貌精密测量,分析了干涉测量中误差产生的原因,明确了误差对测量结果造成的影响。通过在圆柱坐标系下建立数学模型,推导出偏移误差和角度误差的数学公式,并对误差公式进行分析。结果表明:圆锥反射镜的偏移量和顶角的加工误差都会造成光程差;当偏移量极小时,光程差与反射镜偏移量成线性关系;光程差对于角度误差非常敏感,为了保证测量精度,需要严格控制圆锥反射镜的顶角大小。     

反射温度补偿法及其实验验证

为补偿环境辐射对红外测温的影响,根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,提出了反射温度补偿法。介绍了该方法的原理,给出了该补偿方法的理论计算公式。相关实验显示,在被测物体周围存在高温物体的情况下,采用提出的反射温度补偿法可补偿高温物体的反射能量。红外反射镜的选取与被测物体的表面状况有关,若被测物体可视为朗伯体,则可选铝箔为红外反射镜;若被测物体为非朗伯体,则需选用与被测物体表面结构相似的材料为红外反射镜。经过反射温度补偿,能较为准确地得到朗伯体的表面温度,误差可控制在2%以内;该方法亦能够较大地提高对非朗伯体的测温精度,其误差不超过5%。这些结果表明该方法简单易行,精度较高,适用于大部分的红外热像仪。     

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。     

光学玻璃离心熔铸过程中成型热历史对反射镜的影响

为了研究离心熔铸反射镜制造技术中热历史状态(成型温度及冷却速度)对成型效果的影响,采用有限元分析软件Abaqus对不同的成型温度及冷却速率进行仿真分析,确定成型温度为950℃、冷却速率为1℃/s时可以完成反射镜在模具中的充模和成型;之后进行离心熔铸试验并对成型结果进行测量。在冷却速度大于1℃/s时,反射镜由于冷却后局部残余应力过大,导致其发生碎裂。同时通过对仿真结果、理论计算结果以及试验结果的分析对比,得到反射镜边缘的轴向高度与理论值相差10.12 mm,具有较大的面型误差,产生面型误差的原因是由于在高温成型冷却后反射镜体积收缩导致面型发生变化。     

Error analysis on measurement temperature by means dual-color thermography technique

Dual color thermography is a non-contact measurement temperature technique used mainly when the emissivity of surface is unknown; it is based on ratio of monochromatic emissive power calculated by means Planck’s radiation equation and allows measuring the temperature of gray body surface objects without being assigned their emissivity and without approximations.For real surfaces, the emissivity varies with the temperature of surface as well as the wavelength and the direction of radiation. In this case, the dual color thermometry is executed by equipping the IR camera of two narrow band pass filters, so as to consider the surface emissivity of a quite constant value. This allows calculating the ratio between the radiative fluxes of the two different emission wavelengths that is almost independent to the surface emissivity.One of the crucial factor in this technique is the choice of the two narrow filter wavelengths. In fact the measurement errors depends directly on the two wavelengths and the variation of spectral emissivity related to the wavelength chosen and it also depends inversely on distance between central value of filters.In this paper, the authors have developed and validated a mathematical model of experimental setup to measure object surface temperature by means IR thermo-camera. This mathematical model was used to quantify the temperature measurement error in the dual-color technique. A novel correlation to estimate temperature measurement error was provided.     

航天相机主镜热特性研究

研究了某航天相机的热特性,计算了该主镜在特定温度载荷下的温度分布,求解了该主镜的面型变化及达到热平衡的时间;同时对计算结果进行了分析;结合光学设计提出的要求,根据计算结果给出了主镜的温度水平和温度梯度变化范围指标,并提出了主镜热控设计的初步设想。     

端面滑动摩擦副接触界面波段发射率研究

为研究滑动摩擦过程中接触界面波段发射率的变化规律,设计并开展了一系列实验。以端面滑动摩擦副的接触界面为研究对象,在含二硫化钼的脂润滑条件下,开展定载荷、定转速实验,利用热像仪和自制装置测量了不同摩擦时间后的波段发射率,并根据发射率变化规律对红外测温仪测得的接触界面辐射亮温进行了修正。结果表明：测量装置能够较准确地实现摩擦接触界面波段发射率的测量;含有润滑脂和磨屑的接触界面发射率总体上在一定范围内波动,在摩擦过程中,具有先下降后上升的趋势;在稳定摩擦阶段,对辐射亮温的修正精度较高。     

低温状态下的材料法向发射率测量

研究了在-60~50℃条件下准确测量材料法向发射率的方法。基于发射率定义建立了材料法向发射率测量模型。为屏蔽环境杂散辐射与大气吸收的影响,利用真空液氮背景通道搭建了低温状态下材料发射率测量装置。测量了氧化铜与高发射率陶瓷两种样品的法向发射率随温度、波长的变化情况。结果表明:两种样品的法向光谱发射率均随波长增加而降低;随温度的升高,氧化铜样品法向积分发射率稳定为0.850±0.012,陶瓷样品的法向积分发射率降低了0.124。最后,实现了低温状态下红外光谱辐射的高精度采集,对低温状态下材料法向光谱发射率测量结果的不确定度进行了评定,得到的结果显示其相对扩展不确定度小于6.0%。     

Measurement technology for material emissivity under high temperature dynamic heating conditions

The thermal dissipation of radiation is main heat shield mechanism for non-ablative thermal protection materials on hypersonic vehicles withstanding high temperature dynamic heating cycle during endo-atmospheric ascent, cruise and reentry. Therefore, it is necessary to know the thermal radiative properties of the material under the simulated high temperature dynamic heating conditions on the ground. The emissivity depends on the surface state and its temperature. A new simultaneous measurement technology of emissivity and varying surface temperature is proposed under high temperature dynamic heating conditions. This new technology solved synchronous measurement problems by utilizing spectral signal of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. The calibration of different temperature ranges, the background disturbances, the influences on temperature measurement by wavelength range and its corresponding fluctuations of measurement signal, were thoroughly investigated. The measured results of steel and graphite as reference materials proved the effectiveness of this simultaneous measurement technology and showed great potential in engineering applications under high temperature dynamic heating conditions.