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摘要多光谱瞬态测温法是实现恶劣环境下对高温物体进行精密测温的有效方法，随着应用的场合不断拓宽，被测物体的特征光谱范围越来越宽，需要研究宽光谱的光谱瞬态测温系统，以满足测量多对象的需求。本课题针对这种需求，研究宽光谱瞬态测温系统的光学系统方案。通过市场调研确定特征光谱范围为 400nm~700nm，然后利用 zemax 软件进行光学设计确定各元件参数， 根据各元件参数在 solidworks 软件上进行结构设计得到各元件机械夹持装置，最终确定整体装配。保证光路能有效的传播的情况下，在整体装配中对部分元件装置的角度进行微调，能达到提取所需特征光谱光强的要求。27340
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毕业论文键词 瞬态测温 多光谱 光学设计Title Optical Design of the Transient Temperature MeasurementSystem with Wide SpectrumAbstractThe method of multi-spectral transient temperature measurement is an effectiveway to achieve precision temperature measurement of high temperature objectsin the harsh environment.As applications continue to broaden, thecharacteristics spectral range of the measured object is more and more wide.Itneed to study the wide spectrum of the transient spectrum measurement system.Inorder to meet the needs of multiple objects measurement,The subject researchoptical system of wide spectrum of transient temperature measurement for thisdemand.The range of the characteristic spectrum is 400nm~700nm through the marketresearch.Then,the optical design is used to determine the parameters of thecomponents by ZEMAX .According to the component parameters ,mechanical clampingdevice of the components is designed by Solidworks.The whole assembly is finallydetermined.To ensure the optical path can be effectively transmitted, the angleof the components in the whole assembly is fine tuned, and the required spectralintensity can be extracted.Keywords transient temperature measurement multi-spectrum optical design
目 次
绪论· 1
1.1 课题背景1
1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势 2
1.2.1 双色法· 2
1.2.2 三基色法 3
1.2.3 可调谐二极管激光吸收光谱法·3
1.2.4 激光相干反斯托克斯--拉曼散色光谱测温法3
1.2.5 基于多普勒光谱学的相干成像光谱法4
1.3 研究内容4
温度测量原理· 5
2.1 激发温度测量原理5
2.2 辐射温度测量原理8
2.3 本章小结8
宽光谱瞬态测温光学设计·10
3.1 特征光谱 10
3.2 基本结构 10
3.2.1 前置光学系统·12
3.2.2 光栅分光系统·12
3.3 本章小结 15
结构设计15
4.1 前置光学系统 16
4.1.1 物镜·16
4.1.2 分光镜17
4.2 光栅分光系统 18
4.2.1 离轴抛物镜18
4.2.2 衍射光栅·19
4.2.3 接收面19
4.2.4 整体装配·20
4.3 本章小结 21
结 论· 22
致 谢· 23
参考文献24
图 3. 1 系统硬件装置图· 11
图 3. 2 光栅分光系统光路 13
图 3. 3 光栅分光系统光路图· 13
图 3. 4 光纤衰减系数 15
图 4. 1 物镜装配 17
图 4. 2 分光镜固定· 17
图 4. 3 离轴抛物镜· 18
图 4. 4 修正后的离轴抛物镜· 18
图 4. 5 装入镜筒的抛物镜 19
图 4. 6 光栅装配 19
图 4. 7 接收面孔的设计· 20
图 4. 8 接收面的设计 20
图 4. 9 整体装配 21
表 3. 1 探测元素及光谱范围· 10
表 3. 2 离轴抛物镜参数· 13
表 3. 3 各个孔之间的距离 14
1 绪论1.1 课题背景在工业生产、医学治疗等很多领域，都会对温度进行测量，而在许多场合下温度并不是恒定不变的，相反它正是随时间而快速的变化，这种情况下的温度称为瞬态温度。测量瞬态温度的变化曲线，能及时有效的了解系统内部实时工作状态和各种参数之间相互作用的一种重要手段[1~5]。在工业生产的领域[6~9]，温度这一参数可以用来重构外界物理场的能量分布情况，从而能进一步逆推出外界物理场的分布及其变化过程。在武器动力发射系统中，对于瞬态温度场变化曲线的实时监控有助于了解系统内壁受损害状况，从而能更好地改进制造工艺；对于火箭发动机内部的瞬态温度场监测有助于了解其燃料的燃烧情况， 从而更好地选择燃料组成比例，提高火箭飞行性能和燃料的利用率。在医学应用领域[10,11]，对于患者治疗部位瞬态温度场的探测对于患者机体反应的及时反馈及医疗效果具有至关重要的意义，不仅为医疗临床实施方案提供必要的信息和指导，也是保障患者机体免于因医疗引起的过度损伤的重要保障。在激光医疗方面，安全问题很重要，最主要的是对温度的控制，激光照射时，需对温度变化的研究进行。生物组织受激光照射时，由于光热效应，其温度并不是恒定的，而是每时每刻都在变化的瞬态温度。对瞬态温度的测量有助于了解生物内部损害情况，通过有效的手段对所需要的温度场进行测量， 就能有效的估算出激光对生物组织的热损伤区域及损伤程度。因此，激光辐照下对于生物组织的瞬态温度场变化曲线的实时监控，有助于及时了解及反馈激光治疗的效果及损伤情况，这将为激光医疗技术的改善提供指导与借鉴。在肿瘤治疗方面，通过适当的温度可以使得癌细胞失去活力，热疗就是其中的一种途径，外部使用人工加入能量让肿瘤部位达到一定的温度。 在治疗时对患部温度的影响因素有很多，为了能够及时获知并消除各种外界因素对患部温度造成的影响，以便对患部的温度进行持续有效的控制以保证疗效，需要对患部的瞬态温度场进行全面实时的探测。另外，温度达到一定程度的话，正常的部位和受损害部位将变得相同，治疗时手术区域的温度分布一定程度上关系着患者的安全，故如果能有效的测量出温度的快速变化，那将在治疗时提供一定的保障。在微创神经外科手术领域，骨头磨削这种手段会产生一定的热量，无论对哪个部位进行手术，都会对其血管等组织有不小的损伤。在骨头磨削过程中，对瞬态温度场的探测有助于对关键组织损伤状况进行及时了解，这将对患者带来的创伤减少至最小。综上所述，包括工业生产、医疗技术在内的许多领域都涉及到瞬态温度的探测。就当前来看，接触式测温和非接触式测温是市场最常用的两种方法。接触式测温如温度计等，他们是直接与物体接触来的到物体的温度，这时的温度只能是恒定的，而且这种方法操作简单成本很低。但对于温度一直在变的瞬态温度场来说，接触式测温就不是一种很好的手段。而现在对于瞬态温度场的非接触式测量法就成为了目前重要的研究方向，而光谱法是目前公认的最准确有效的一种非接触式测量方法。但无论是双色法、三基色法，还是基于激光技术的光谱测试法都无法同时解决瞬态温度场探测的超快速、大量程、高精度的技术难题。宽光谱瞬态测温就针对这些难题进行相应的改进研究。1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势就当前来看，接触式测温和非接触式测温是市场最常用的两种方法[14]。接触式测温发法主要是将热电偶、光纤等一些感温元件直接与物体相接触来对物体的温度进行测量，这种方法不受热物性参数，外界环境等因素的影响，具有优点有操作简单，成本很低等。但是，对于高温等离子体、爆轰物理场、武器瞬态发射等温度变化的场合，接触式测温方法不能测出其真正的温度场，主要原因在于接触式测温装置的动态特性不够理想，在测量上有一定的时间滞后性，难以及时反应出温度的快速变化，在对高温、高速等离子体测量中会产生导热滞后，无法实现超快速的瞬态测温要求[15]。因此，如何对快速变化的瞬态等离子体辐射温度实现非接触式、高精度的实时测量成为了目前主要的研究方向。美国、英国、澳大利亚、德国的许多高校和研究机构正在开始这一方面的研究[16~17]，国内也有许多机构也开始了相应的研究工作，如核工业西南物理研究所、南京理工大学[18~26]、中国工程物理研究院[27]、中国科学院等离子体研究所等。由于目前公认的测量辐射温度最准确有效的非接触式测量方法是光谱法，因此目前国内外的研究主要集中在通过改进光谱法来适应瞬态物理场下等离子体的物理特性，他们绝大多数是基于多路通道的光谱诊断法，如双色法、三基色法等，以及近些年来随着激光技术发展及衍生的一些基于激光技术的光谱测试法如基于可调谐二极管激光吸收光谱法、激光相干反斯托克斯--拉曼散色光谱测温法、基于多普勒光谱学的相干成像光谱法等。1.2.1 双色法双色法最先在二十世纪七十年代由日本的研究者Yukio Matsui和Takeyuki Kamimoto等人提出并完成的[28]。火焰燃烧时，固体受热辐射会发出不同波长的光，选择其中两个波长，测量其光强。由辐射学知识知道温度与强度有一定的关系，然后由这两个强度建立两个方程，消去一个未知因子，得出所要的温度。双色法在国内外一般会用来测量柴油机燃烧状况研究。成晓北[29]等人设计的双色法测量系统是通过仪器测量火焰图像，然后从中求取温度场分布情法的研究较晚，直到 90 年代中期以后，国内才有条件系统地开展 CARS测量的实验和理论的研究。中科院力学所的赵建荣、杨仕润等[33]利用 CARS技术同时测量了氢火焰中氧气的浓度和温度。2009年，张虎[34]基于 CARS的火焰温度测量技术研究等。就当前来看，对 CARS的研究才是刚刚开始，仍存在的两个主要缺点：1.CARS方法测量出的结果有一定的误差性；2.时空分辨率有待提高。因此，该方法目前仍然无法满足等离子体高精度快速动态实时测量要求。1.2.5 基于多普勒光谱学的相干成像光谱法多普勒光谱学的相干成像光谱法主要基于等离子体光谱线形状和与之作为光源通过干涉系统后得到的干涉条纹为一对傅里叶变换对为基础，根据光谱在高温下产生光谱展宽导致干涉条纹对比度下降这一物理特性，从而恢复所测等离子体温度场的分布情况。但目前为止，这一方法也仅处于起步阶段，也无法真正意义的应用于超高温和超快速过程的等离子体温度测试中，主要原因是：1.基于多普勒相干成像机理的光谱仪大多采用不同系列的偏振晶体器件组成，这些晶体在收到外界尤其是温度的影响容易造成干涉条纹的相位漂移和对比度下降，从而引入较大的误差；2.由于采用的探测器大多数属于线阵型CCD，用于满足对空间二文和三文温度进行高空间分辨率测试，因此较低的时间响应使其在时间分辨率上无法达到一个理想的快速过程要求。根据以上分析，目前世界上还没有一套成熟的，非接触式的测温方案能同时满足对瞬态温度场的超快速、大量程、超精度要求。1.3 研究内容本项目主要是研究等离子体的电子温度这一参数，提出进行瞬时温度测量的多通道光谱法，是一种同时基于黑体辐射理论和原子发射光谱理论的 Boltzmann 法，通过测量瞬态等离子体的特征光谱线的光强，从而得到等离子体的激发温度和辐射温度。本文所做的工作主要有：（1）研究掌握激发温度测量原理和辐射温度测量原理，了解其基本参数的意义，怎样通过实验得到这些数据以计算所需要的温度，估计误差及精度的计算以达到所需指标。（2）调研确定实验中所需要的各元素特征谱线波长和关于此波长的一些相关性质。利用zemax 软件进行光学设计得到各元件参数，通过对市场的调研，根据结果，确定各元件的最终参数。（3）通过已确定的元件参数设计元件，再对各个元件的机械结构进行设计，最终对整体结构确认。要求尽量简单、容易加工、美观且不能影响光路的传播。