同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与 应用专业技术服务平台，上海200092
面向激光探测需求，创建了涵盖“光学设计-结构设计-元件制造-装调集成-性能评价和应用”的精密光机系统全环节研发平台。发展了“光学设计-结构设计-力热学设计”高效耦合的综合设计方法，建立了基于光机误差分解的精密装配集成方法，形成了透射光学系统定心装调、反射光学系统的高精度集成装配流程和技术，配备了光学系统波前和成像性能检测仪器，支撑了多种复杂功能的精密光机系统的研制。本文全面梳理了同济大学面向激光探测需求的精密光机系统和仪器研制方面的科研工作，针对我国“星光III”强激光装置的探测需求，研制了首套联合视频合成孔径雷达和扫描光学高温计的主被动复合诊断装置和辐射高温光学测量系统，共同为“星光III”开展超高压物态方程实验提供了技术支撑与诊断测试手段。面向海环境下目标与环境激光散射特性的测量需求，研制了发散光激光雷达散射截面测量装置和双功能平行光LRCS激光测量装置，实现了模拟海环境下标准散射体与海环境的激光散射特性的精确测量，为超低空激光雷达研制提供了数学模型和实验数据。
激光探测 光学系统 光机设计 装配集成 视频合成孔径雷达 扫描光学高温计 激光雷达散射截面测量 optical system optical mechanical design assembly and integration high power laser device video synthetic aperture radar (VISAR） scanning optical pyrometer (SOP） marine environment laser radar cross section (LRCS） measurement 光学 精密工程
2022, 30(21): 2737
哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
阴极表面温度是真空弧等离子体放电过程中一个重要参数, 对真空弧等离子体的形成、 电极腐蚀预测、 热传导以及离子源的寿命都有重要影响。 真空弧离子源的阴极具有目标小, 放电过程快等特点, 其温度的测量, 对于时间分辨率和空间分辨率要求都很高, 阴极表面温度的测量技术的欠缺, 使得仅靠理论解析获得的结果难以得到验证。 并且等离子体放电过程中测量仪器极易受到弧光的影响, 如何避免放电过程中等离子体的辐射也是采用辐射法测量阴极表面温度要考虑的问题。 这无疑给其温度场的测试研究带来困难。 针对脉冲真空弧等离子体开展阴极表面温度测试实验有着重要意义, 在分析了真空弧等离子体放电特性以及背景辐射特性和等离子体放电阴极测温的实际需求, 本文基于高速CCD相机研制了一种新型的多光谱高温计。 该高温计采用单色高速CCD相机, 主要避免RGB彩色相机不能完全滤除背景辐射的弧光。 为使用单色CCD相机实现多光谱辐射测温, 设计了高温计的光学系统, 该系统采用4孔径分光系统。 将4种不同波长的滤光片嵌入到1个滤光片中。 该研究设计的高温计可用于2 000~6 000 K的等离子体温度测量。 并在中国工程物理研究院电子工程研究所进行现场测试, 测试过程中将研制的高温计, 通过外部触发形式对等离子体放电过程进行跟踪拍摄, 高温计完全拍摄到等离子体放电过程。 利用真空弧等离子体金属电极阴极放电的实测数据对高温计进行了验证。 实验结果表明, 设计的新型多光谱高温计能够用于测量真空弧等离子体放电时阴极温度场信息, 测量的温度值低于放电电极的沸点温度, 与等离子体放电过程中出现气化现象相符, 说明高温计测的是等离子体放电阴极的温度。
等离子体 金属电极放电 真温 多光谱高温计 高温测量 Plasma Discharge of metal electrode True temperature Multi-spectral pyrometer High temperature measurement
中国矿业大学电气与动力工程学院, 江苏 徐州 221116
辐射测温技术随着辐射测量传感器技术的进步而不断进步, 已经由单波长测温发展到多波长和多波段测温, 由点温测量发展到二维甚至三维温度场测量。 但是在辐射测温更精确反演方面, 却很难克服因发射率未知性而引起的模型构建误差。 发射率行为难以确定并极大地影响了测温精度, 急需发展一种具有通用性, 不受发射率具体行为限制, 具有较高稳定性的辐射测温方法。 双波长测温适用于发射率具有灰体行为的物体温度测量, 一系列的发射率补偿算法和波长选择方法均未能很好地实现通用性测量, 往往直接单色测量可能误差比比色法更小。 多波长测温得到广泛应用, 但并不是波长越多越好, 发射率模型仍然具有较大局限性。 提出了发射率直接限定算法和发射率松驰限定算法来反演温度。 在发射率限定条件相同时, 这两种方法是等价的。 发射率松驰限定算法基于最小二乘算法和松驰因子进行真温求解。 推导了松驰限定法的误差传递公式, 发现在保证测量信号强度的前提下, λT越小温度误差越小; 发射率行为对温度相对误差具有重要影响, 在相同的λT条件下, 发射率随波长变化越大, 在限定区间上覆盖越均匀, 测量误差越小。 但从直接限定算法可以看出所测波长数越多, 测量误差越小。 两种方法均可以看出, 减少限定区间长度也可以显著地提高测量精度。
辐射测温 发射率限定 高温计 多波长 Radiation thermometry Shrunk range of emissivity Pyrometer Multi-wavelength
中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求, 设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃, 实现了透射式300~800 nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头, 中间为平行光, 镜头间距可变, 光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器, 轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质, 轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置, 激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4, 宽谱工作物方分辨率优于10 μm, 532 nm单波长工作物方分辨优于5 μm。该光学系统光路排布灵活, 可单独被动测速, 也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统, 满足激光聚变装置冲击波测速的需求。
光学系统设计 冲击波速度 多普勒频移 扫描高温计 optical system design shock velocity Doppler shift streaked optical pyrometer 光学 精密工程
2018, 26(11): 2662
1 烟台大学机电汽车工程学院, 山东 烟台 264005
2 凉山矿业股份有限公司, 四川 会理 615141
3 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173 K(900 ℃), 不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700 K)。 为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173 K以下羽焰真温的问题, 研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。 该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法, 并且创建了基于对数函数的900~1 173 K温区的温度标定方法, 从而拓宽了高温计的温度测量范围。 针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量, 实验结果验证了该高温计的有效性。
真温 多光谱高温计 羽焰 宽量程 温度标定 True temperature Multi-spectral pyrometer Engine plume Wide-range Temperature calibration 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2860
沈阳理工大学 装备工程学院, 辽宁 沈阳 110159
为实现对高速碰撞诱发的闪光辐射温度进行实验测量及误差分析, 建立了二级轻气炮加载系统及闪光辐射温度测量系统。采用聚碳酸酯弹丸分别以6 km/s、3.9 km/s的速度垂直撞击2A12铝靶, 利用瞬态光纤高温计采集闪光信号, 通过比色法计算不同碰撞条件下的闪光辐射强度及辐射温度。依据普朗克辐射定律计算了不同波长及温度条件下的闪光辐射强度理论值, 与实验测量结果相比较并进行了误差分析; 分别采用双色测温法的不同波长组合及四色测温法计算了闪光辐射温度及其平均温度, 通过计算标准差分析了波长的选取对闪光辐射温度的影响。结果表明: 与理论计算结果相比较, 实验测量得到的闪光辐射强度值偏低, 采用双色测温法计算闪光辐射温度时波长的选取对计算结果影响很大, 波长间隔越大计算结果误差越小(误差最小值实验No.1为68.25 K, 实验No.2为30.67 K); 四色测温法计算得到的闪光辐射温度与平均温度相近(误差实验No.1为72.88 K, 实验No.2为63.66 K), 因此采用比色法计算闪光辐射温度时应尽量选取大间隔波长或多个波长参与计算以降低误差。
高速碰撞 闪光辐射强度 闪光辐射温度 瞬态光纤高温计 误差分析 high-velocity impact flash radiant intensity flash radiant temperature instantaneous optical pyrometer error analysis
中国电子科技集团公司第五十五研究所, 江苏 南京 210016
作为半导体生产 中的一种重要设备, 快速退火炉需要实现精确、可靠的温度控制。 它通常使用辐射式高温计来检测温度。在使用过程中, 由于诸 多原因, 需要对高温计进行校温。基于某型进口快速退火 炉, 分析了其高温计的校温方法。介绍了热电偶和熔点测 试采样方法, 并采用这两种方法丰富了采样数据。通过 线性计算估算了1000 ～ 1500℃范围内的校温数据; 基于曲线 拟合进行了数据采样, 得到了更加准确的校温结果。通过比 较, 分析了两种校温方法各自的优缺点。结果表明, 线性计算校温法更适 用于1100℃以下的校温; 曲线拟合校温法更适用于1100℃以 上的校温。
高温计 快速退火炉 校温 pyrometer RTA temperature calibration
中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621900
基于受冲击加载样品的温度测量需求，设计了一种测温范围1500 K~10000 K的八通道光学高温计，通过优化计算选取了最佳的工作波长和带宽，使每个通道的线性外推误差控制在2%以内。采用高通低反分光片结合窄带滤光片的分光模式，使每通道光能利用率达到60%以上。采用带宽150 MHz的Si和InGaAs半导体光探测器，工作波长覆盖400 nm~1700 nm，利用黑体炉完成高温计的多点标定。
光学高温计 黑体辐射 冲击波物理 半导体探测器 optic pyrometer blackbody radiation shock physics semiconductor detectors
1 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 西安航天动力测控技术研究所, 陕西 西安 710025
针对光纤式多光谱高温计波长标定中由于光纤耦合导致信号太弱而无法获得有效波长的问题, 基于普朗克定律, 充分结合不同标定温度点的标定值的比值, 提出了一种由温度标定数据来确定有效波长的方法。 相比于传统的有效波长标定方法, 新方法避免了耗时复杂的波长标定过程可以快速获取有效波长。 分别采用仿真和实验两种手段来验证新方法的可行性和有效性。 仿真结果表明所提出的新方法可行并且具有一定的抗随机误差能力, 所得有效波长计算的真温值与实际值的相对误差小于0.7%。 实验结果表明提出的新方法能够得到各个通道的有效波长值, 进一步验证了该方法的有效性。 所提出的新方法也可应用于其他多光谱高温计, 为多光谱高温计的研制和应用提供了理论基础。
标定 有效波长 多光谱高温计 真温 Calibration Effective wavelength Multi-spectral pyrometer True temperature 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2352
