一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法

技术领域

本发明属于空间站无容器材料实验领域，涉及一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法。

背景技术

对高温物体的温度测定通常有两种方法，即热电偶测温和红外测温。前者的原理是基于热电效应，即温度变化引起电势发生变化；后者的原理则基于Planck辐射定律，任何温度不为绝对零度的物体都在向外辐射能量，这些能量绝大部分集中于红外线区域，且其辐射特性与辐射波长及温度相关，据此可以测定被测物体的温度。双色红外测温方法是通过两个相邻波段的辐射能量之比来确定温度，减少了对辐射能量绝对值的依赖，在被测物较小不能充满视场、被测物单色红外发射率低、被测物与双色红外测温设备之间有玻璃视窗遮挡等情况下，使用双色红外测温更具有优势。

高温物体如合金等通常具有较高活性，在常规铸造条件下，高温物体与容器壁的接触会带来杂质，对其物理化学过程如凝固等过程造成影响。而空间环境具有微重力、无容器及高真空的特征，这样的环境为研究合金深过冷快速凝固机理提供了更为接近本质的便利条件。2022年11月，随着“梦天”舱与“天和”核心舱的成功对接，中国空间站完成整体建造，在此之前，位于中国空间站“天和”核心舱内的无容器材料实验柜已开展了部分无容器材料实验。

空间站无容器材料实验具有如下限制：

(1)受限于卫星通讯及安全考量，单次空间站无容器材料实验时长仅有30-50分钟(图2给出了空间站无容器材料实验流程)，这导致在同一次无容器材料实验中无法对样品进行多次加热，因此同一次空间站无容器材料实验不能得到多个双色红外坡度下测量的完整加热温度数据；

(2)由于数据传输及处理耗时，空间站无容器材料实验详细的温度数据通常需要在实验完成12小时以后才能完全下载到地面服务器。

(3)目前，空间站无容器材料实验只能依靠多次改变参数进行测试，以此来确定准确的双色红外坡度，若考虑以0.01的间隔在0.91～1.15的区间内改变双色红外坡度，则需要改变数十次才能得到较准确的双色红外坡度，而受限于空间站无容器材料实验每盒样品29颗数量的限制，若依靠该方法对双色红外温度进行标定，则会浪费大量的空间站无容器材料实验资源。

以上因素导致无法快速确定双色红外测量用的坡度，从而导致在实验过程中无法根据实时下传的粗略温度数据指导实验操作，极大降低了空间站无容器材料实验的效率。综上，对空间站无容器材料实验获得的双色红外温度进行事后标定、对双色红外坡度进行快速预测是十分必要的。

专利号为CN102620833B(以下称“专利1”)的发明公开了一种红外测温方法和红外测温系统，其可以对双色红外温度进行标定，但只适用于有表面覆盖层或与窗口接触的被测物的情形。其特征在于通过用热电偶测量表面覆盖层或窗口的温度，将之与使用红外测温装置得到的表面覆盖层或窗口的辐射强度对应的温度进行比较，若在误差范围内则认为红外测温装置测量的被测物的辐射强度对应的温度为被测物的实际温度。而在空间站无容器材料实验中，被测样品处于静电悬浮状态，静电场的存在会导致热电偶工作失效，且样品不与任何其它装置接触，这也就导致观察窗口的温度几乎不变，即窗口的辐射强度与温度的对应关系无法与待测样品的辐射强度与温度的对应关系相关联。

专利号为CN106768380B(以下称“专利2”)的发明公开了一种对红外测温设备的测试结果进行标定的方法，其特征是通过预设测试模型、计算公式以及测试模型与公式对应的函数变量，然后对测得的数值进行拟合，确定计算公式的系数和乘数，从而形成完整的计算公式。但该方法需要通过热电偶测量多个位置、多个温度下的温度才能保证模型的准确性，并且在更换不同成分的样品后需要重新拟合参数。在空间站无容器材料实验中，静电场会导致热电偶失效，因此无法利用该方法构建双色红外测温模型。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法，获取空间站无容器材料实验的温度变化。本方法首先需要获得在预设某一双色红外坡度下测量的样品加热温度-时间曲线，然后标出温度-时间曲线上的特征温度，根据单色辐出度比值不变关系，将双色红外坡度、特征温度以及通过相图或热分析实验得到的该相变温度代入建立的等式关系。解出双色红外坡度的修正值，将此修正值回代到等式关系中，并将获得的所有温度数据逐个代入，解出对应的标定温度。至此，得到了修正后的双色红外坡度及标定的温度-时间曲线。

技术方案

一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、确定双色红外测温设备的检测波长：

情况1：若给定的双色红外测温设备的单个通道测量波长λ

情况2：若给定的λ

其中：λ

λ

步骤2：在特征温度处修正双色红外坡度，得到修正的双色红外坡度：

/>

其中：s′为修正的双色红外坡度，s为原双色红外坡度，为取值在1.00附近的无量纲量数；λ

步骤3、根据修正的双色红外坡度标定所有的温度：

步骤3.1：将步骤2得到的修正的双色红外坡度代入到下式：

其中：T

得到标定后的温度：

步骤3.2：将在坡度s下获得的原始温度数据逐一代入步骤3.1求解，得到全部的标定后的温度数据。

所述常数A＝2πhc

所述常数

所述修正的双色红外坡度s′根据单色辐出度比值不变关系得到：

步骤2.1：单个红外通道的单色辐出度：

其中：M(T)为单色辐出度，单位为W·m

步骤2.2：根据实际情况下

步骤2.3：根据上式和标定前后单色辐出度比值不变关系，得到如下关系：

其中，λ

步骤2.4：定义双色红外坡度s：

根据上式和步骤2.3的关系式，得到：

得到修正的双色红外坡度：

其中，s为原双色红外坡度，为取值在1.00附近的无量纲量数；s′为修正的双色红外坡度。

所述特征温度的选取基本原则是：1、若所研究对象的研究温度区间内有多个相变，则任选其中一个相变温度作为特征温度；2、若所研究对象的研究温度区间内没有相变，则选取距离所研究温度区间的中点最近的相变温度作为特征温度。

有益效果

本发明提出的一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法，利用双色红外的测温原理，结合特征温度对双色红外坡度为s下测得的温度进行标定。包括以下流程：(1)标出在坡度s下获得的温度曲线上的特征温度T

本发明结合特征温度对已有的温度数据进行标定，可得到修正的双色红外坡度和标定的温度，解决了空间站无容器材料实验得到的双色红外温度的标定问题。此外，针对空间站无容器材料实验难以快速准确调节双色红外坡度的问题，本发明提出的方法有助于实现空间站无容器材料实验的双色红外坡度快速校准，提高空间站无容器材料实验的效率。与专利1公开的方法相比，本发明提出的方法不需借助热电偶，避免了热电偶在静电场中的失效问题，并且本发明提出的方法可得到准确的双色红外坡度，为快速准确获取空间站无容器材料实验的温度变化提供指导。与专利2公开的方法相比，本发明提出的方法不需借助热电偶，不需要预先构建相同环境下的模型并拟合参数，且本发明提出的方法标定的双色红外温度在特征温度处可控制在较小的误差范围内。

附图说明

图1是空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法流程示意图。

图2是空间站无容器材料实验的流程示意图。

图3是坡度为0.98时的升温过程温度-时间曲线：(a)标定前，特征温度为1601K；(b)标定后，特征温度为1538K。

图4是坡度为0.98时的降温过程温度-时间曲线：(a)标定前，特征温度为1601K；(b)标定后，特征温度为1538K。

图5是坡度为1.00时的升温过程温度-时间曲线：(a)标定前，特征温度为1582K；(b)标定后，特征温度为1538K。

图6是坡度为1.05时的升温过程温度-时间曲线：(a)特征温度为1538K；(b)特征温度为1535K。

图7是坡度为1.05时的降温过程温度-时间曲线：(a)特征温度为1543K；(b)特征温度为1531K。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种用于空间站无容器材料实验的双色红外温度标定方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、确定双色红外测温设备的检测波长：

1、若给定的双色红外测温设备的单个通道测量波长λ

2、若给定的λ

其中，λ

A＝ 2πhc

其中，π为圆周率，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数。

步骤二、根据单色辐出度比值不变关系，在特征温度处修正双色红外坡度：

1、单个红外通道的单色辐出度：

/>

其中，M(T)为单色辐出度，单位为W·m

2、确定双色红外的辐出度比值：

由于实际情况下：

由式(4)、式(5)以及式(6)，得到两个单色红外通道的辐出度比值：

3、根据式(7)和标定前后单色辐出度比值不变关系，得到如下关系：

其中，λ

4、定义双色红外坡度s：

5、由式(8)及式(9)得到：

其中，s为原双色红外坡度，为取值在1.00附近的无量纲量数；s′为修正的双色红外坡度。

6、由式(10)得到修正的双色红外坡度：

步骤三、根据修正的双色红外坡度标定所有的温度：

1、将式(11)得到的修正的双色红外坡度代入到下式：

其中，T

2、将在坡度s下获得的原始温度数据逐一代入式(13)求解，即可得到全部的标定后的温度数据。

具体实施方式，以Zr-V共晶合金的空间站无容器材料实验为例。

步骤一、确定特征温度：

特征温度的选择与要研究的对象及研究内容有关，选取特征温度的基本原则是：(1)若所研究对象的研究温度区间内有多个相变，则任选其中一个相变温度作为特征温度；(2)若所研究对象的研究温度区间内没有相变，则选取距离所研究温度区间的中点最近的相变温度作为特征温度。，例如，若要研究样品的高温特性或凝固特性，则要选择样品的高温特征温度。本实施例的特征温度选择Zr-V共晶合金的共晶平台温度，由二元Zr-V合金相图确定其特征温度T

步骤二、确定双色红外测温设备的检测波长：

中国空间站使用的双色红外测温仪为LumaSense Techbologies公司生产的测温设备，其型号为IGAR 12-LO。依据其说明书提供的数据，λ

步骤三、选择预设双色红外坡度(依据双色红外原理，一般选择1.00附近的某个值作为预设坡度)，然后获得该坡度下样品的温度-时间曲线：

当坡度为0.98时，升温过程以及降温过程的特征温度均为1601K，分别如图3(a)、图4(a)所示；当坡度为1.00时，升温过程的特征温度为1582K，如图5(a)所示。这两个特征温度均与相图给定的特征温度1538K有较大差异，因此需要对这两个坡度下获得的温度进行修正。

步骤四、对双色红外坡度进行修正：

1、依据式(3)、式(11)，首先对双色红外坡度进行修正。其中式(3)中的各个参数值为：h＝6.62607015×10

2、分别得到对应s

步骤五、对原始温度进行标定：

依据式(13)，对所有的温度数据进行标定。图3(b)、图4(b)、图5(b)分别给出了对应图3(a)、图4(a)、图5(a)的温度-时间标定曲线。

步骤六、对修正的坡度以及标定的温度进行验证。图6给出了依照本发明提出的双色红外温度标定方法，取坡度为1.05时实验得到的升温过程温度-时间曲线；图7给出了取坡度为1.05时实验得到的降温过程温度-时间曲线。在该坡度下，空间站无容器材料实验得到的升温过程以及降温过程的特征温度均与由相图给定的特征温度相吻合，存在的差异均在0.5％的误差范围内。