CN102353454A

CN102353454A - 一种光学红外辐射高温校准装置及其自校准方法

Info

Publication number: CN102353454A
Application number: CN2011101553732A
Authority: CN
Inventors: 赵建辉; 李帆; 苏哲; 曾勇超; 王婧; 陈尧生
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: CN102353454B

Abstract

本发明提出了一种光学红外辐射高温校准装置及其自校准方法，该装置包括由光源、平行光管、标准红外测温仪及功率调节器，光源与功率调节器采用电线连接，功率调节器调节光源的强度，光源置于平行光管的中轴线上，光线经平行光管的分光片后转换成垂直于光轴方向和平行于光轴方向的两束光线，两束光线分别经标准红外测温仪和待标定的测温仪接收。本发明提出一种光学红外辐射高温校准装置，与传统采用热电偶测温的黑体炉标定设备相比，辐射温度调节速度快，安全性好。通过滤波片筛选出特定波长的光，为不同波段的测温仪提供准确的测温基准，为温度校准工作节省成本，并可以实现2000度以上的高温温度标准，温度调节速度快、标定效率高、成本低。

Description

一种光学红外辐射高温校准装置及其自校准方法

技术领域

本发明属于非接触辐射测温领域，具体涉及一种光学红外辐射高温校准装置及其自校准方法。

背景技术

红外测温的基本原理是当物体温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，通过红外探测器采样其红外辐射的峰值波长，即可测量出被测物体的温度。

目前红外测温仪标定和校准主要采用黑体炉作为基准设施，以金属靶心模拟黑体，以热电偶作为温度较准，黑体炉加热到设定温度来对测温仪进行标定。但是黑体炉造价高，温度调节速度慢，且黑体炉主要实现2000度以下的温度标准，对于高于2000的温度实现较困难且成本较高，黑体辐射为全波段而红外测温仪采样为特定波段，这在一定程度上影响了标定效果，如文献1赵占民.光纤传感器在温度测量中的应用研究.河北科技大学硕士学文论文.2010.5中为测温设备标定提供温度标准的方法为通过外部热源(电热炉)加热，再通过风冷的方法进行冷却，在温度场中我们同时放入标准热电偶和测量光纤，打开电热炉，逐步使其温度上升到一定温度。

发明内容

本发明的目的是解决现有非接触测量标定技术中存在的标定速度慢、效率低下等问题，提出一种光学红外辐射高温校准装置及其自校准方法，用于为红外测温设备标定和校准提供温度标准。本发明提出的光学红外辐射高温校准装置与传统的采用热电偶的黑体炉标定设备相比，具有温度调节速度快、标定效率高、成本低的特点。

本发明提出的一种光学红外辐射高温校准装置包括由光源、平行光管、标准红外测温仪及功率调节器；光源与功率调节器采用电线连接，功率调节器调节光源的强度，标准红外测温仪通过RS232串口与控制功率调节器连接，光源置于平行光管的中轴线上，平行光管的分光片置于平行光管的物镜后，并与平行光管的中轴线成45度角放置，光线经分光片后转换成垂直于平行光管中轴线方向的平行光束A和平行于平行光管中轴线方向的平行光束B，两束平行光的出口分别安装支撑架和导轨，标准红外测温仪安装在与平行光管垂直的导轨的支撑架上，其镜头水平对准平行光束A，待标定的测温仪安装在与平行光管平行的导轨的支撑架上，其镜头水平对准平行光束B。

本发明提出了一种光学红外辐射高温校准装置的自校准方法，包括以下三个步骤：

步骤一校准标准红外测温仪：

将标准红外测温仪通过计量院标准炉进行标定，测定温度的误差在千分之五以内符合要求。

步骤二校准红外辐射高温校准装置：

功率调节器根据用户通过功率调节器的按键设定的电流强度值调节光源产生的光线强度，光线经过平行光管转换成平行光束A和平行光束B，用标准红外测温仪采样平行光束A，并计算光源的辐射温度。调节功率调节器的设定值，在标准红外测温仪测得辐射温度为400～3000℃之间的每整百温度值时，记录该输出温度，作为相应温度的粗标定。

步骤三平行光束A和平行光束B的校正：

功率调节器根据用户通过功率调节器的按键设定的电流强度值调节光源产生的光线强度，光线经过平行光管转换成平行光束A和平行光束B。由于光路的不同及系统噪声的存在，这两束平行光束虽然产生于同一光源但是他们的辐射温度会有一定的差异，因此要对平行光束A和平行光束B的偏差作校正。用标准红外测温仪分别采样平行光束A和平行光束B，计算出同一辐射温度条件下平行光束A和平行光束B测量的偏差值，并列出辐射温度偏差曲线。根据标准红外测温仪对平行光束A的采样值、平行光束A的辐射温度偏差曲线和平行光束B的辐射温度偏差曲线来确定平行光束B的辐射温度。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种光学红外辐射高温校准装置，与传统的黑体炉标定热电偶的校准设备相比，温度调节速度快，安全性好；

(2)本发明提出一种光学红外辐射高温校准装置，通过滤波片筛选出特定波长的光，为不同波段的测温仪提供准确的测温基准，可以为温度校准工作节省大量成本；

(3)本发明提出一种光学红外辐射高温校准装置，可以实现2000度以上的高温温度标准，成本低。

附图说明

图1：本发明提出一种光学红外辐射高温校准装置的结果示意图；

图2：本发明中功率调节器的结构示意图；

图3：本发明中平行光管的结构示意图；

图4：本发明中标准红外校准测温仪的结构示意图；

图5：本发明中标准红外测温仪的控制方法流程图；

图6：本发明中功率调节器的控制方法流程图。

图中：

1-光源；2-平行光管；3-标准红外测温仪；4-功率调节器；

5-待标定的测温仪；201-物镜； 202-毛玻璃； 203-滤波片；

204-分光片； 205-激光器； 301-红外镜头； 302-对数放大电路；

303-AD转换电路； 304-单片机B； 3011-检波器； 3012-光纤；

3013-光电探测器； 401-单片机A； 402-电流放大器；403-电流反馈电路；

404-按键； 405-数码管； 4031-采样电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种光学红外辐射高温校准装置，如图1所示，包括由光源1、平行光管2、标准红外测温仪3及功率调节器4。

所述的光源1采用标准卤素光源，光源1与功率调节器4采用电线连接，功率调节器4调节光源1的强度，产生特定强度的光，满足400～3000度的辐射温度，标准红外测温仪3通过RS232串口与功率调节器4连接，光源1置于平行光管2的中轴线上，平行光管2的分光片204置于平行光管2的物镜201后，并与平行光管2的中轴线成45度角放置，光线经分光片204后转换成垂直于平行光管2中轴线方向的平行光速A和平行于平行光管2中轴线方向的平行光速B，两束平行光的出口分别安装支撑架和导轨，便于测温仪红外镜头与平行光束的对准。标准红外测温仪3安装在与平行光管2垂直的导轨的支撑架上，其镜头水平对准平行光束A，待标定的测温仪5安装在与平行光管2平行的导轨的支撑架上，其镜头水平对准平行光束B。

如图1，功率调节器4调节光源1产生的光线的亮度，光线经过平行光管2转换成平行光，并通过分光片204转换成竖直方向的平行光束A和水平方向的平行光束B，标准红外测温仪3通过采样平行光束A，解算光源的辐射温度并反馈给功率调节器4作闭环控制，待标定的测温仪5采样平行光束B，作为温度标准。

如图2，功率调节器4由单片机A401、电流放大器402和电流反馈电路403组成。按键404、数码管405和电流放大器402通过导线与单片机A401的IO口连接，单片机A401通过RS232总线与标准红外测温仪3的单片机B304进行通讯。电流放大器402、光源2和电流反馈电路403的采样电阻顺次串联，电流反馈电路403的输出连接单片机A401的AD采样端口。通过按键404设定电流强度/光源的辐射温度，并通过数码管405显示出来，单片机A401驱动电流放大器402以改变光源功率，电流反馈电路403的采样电阻4031采样电路中的电流并转换为电压反馈给单片机A401，单片机A401根据采样的电压值解算电路的电流再与设定值进行比较，控制电流放大器402调节电路电流完成闭环控制。

所述平行光管2如图3所示，它由物镜201、置于物镜焦平面上的毛玻璃202、滤波片203、45度分光片204以及激光器205组成。光源1辐射光线到达平行光管2时被滤波片203滤出符合待标定的测温仪5的测温范围所对应光谱范围的光，照亮毛玻璃202，毛玻璃202处在物镜201的焦平面上，经过物镜201都转换成平行光束，平行光束经过45度分光片204后转为平行光束A和平行光束B。激光器205与平行光管2中轴线方向相互垂直安置，其发出的激光直接通过45度分光片204，从平行光束A和平行光束B的出口处射出，可以通过将标准红外测温仪3和待标定的测温仪5的镜头对准激光的方法来完成测温仪位置的调整，激光器205由功率调节器2的单片机A201来控制其开启和关闭。

标准红外测温仪3的结构如图4所示，由红外镜头301、对数放大电路302、AD转换电路303和单片机B304组成。红外镜头301被固定在与平行光管2垂直，水平对准平行光束A的出口的位置，并通过导线连接到对数放大电路302，对数放大电路302通过导线与AD转换电路303连接，AD转换电路303通过SPI总线与单片机B304通讯，单片机B304通过RS232总线与功率调节器连接。

所述的红外镜头301内置检波器3011、光纤3012和光电探测器3013，实现光学信号与电信号的转换；对数放大电路302采用LOG104对数放大器来实现，完成对红外镜头301输出的微小电流信号的对数放大，在信号放大的同时进行量程的压缩，便于实现大量程温度范围的测量；AD转换电路303基于ADS1255高精度积分型模拟数字转换器搭建，差分输入，通向端输入对数放大的输出值，反向端输入对数放大的基准电压，以实现电压的补偿；所述的单片机B304采用C8051F023单片机作为核心处理器，与AD转换电路303(ADS1255)之间通过SPI总线进行通讯，通过对采样值的滤波和解算，计算出对应的温度值，并通过SPI总线发送给功率调节器4。

所述的对数放大电路302通过LOG104芯片来实现，该芯片有两路电路输入端，其中一路为基准电流I₁，另一路为待测电流I₂，输出电压V_out与电流I₁、I₂的关系为：

V_out＝0.5V·log(I₁/I₂)。

所述的光电探测器3013对温度400～2000度的黑体采样输出电流在1～100nA数量级，为减小对数放大电路302的温度影响和提高AD转换电路303的采样精度，基准电流I₁应在10μA数量级。

所述的单片机B304的控制方法流程如图5所示，标准红外测温仪3的镜头采样平行光束A，经过AD转换电路303转换后通过SPI总线发送给单片机B304，单片机B304对AD采样的结果进行滤波和温度解算，并将解算后的温度值通过RS232总线发送给功率调节器4的单片机A401。

功率调节器4的单片机A401采用C8051F021单片机，采用双重的闭环回路控制，其控制流程如图6所示，(1)通过按键404设定光源1的辐射温度；(2)根据设定光源1的辐射温度设定光源电路的电流值；(3)驱动电流放大器402调节电路电流至该电流值，电流反馈电路403通过采样电阻4031采样光源电路的实时电流并转换成电压传输到单片机A401的AD转换接口，单片机A401根据AD采样值解算出电路的实时电流，并与设定电流比较，如果电路电流直到测量值与设定值相差的误差大于1％，则调节电流放大器改变电路电流，直至测量值与设定值相差的误差小于等于1％。(4)标准红外测温仪3将测得的辐射温度经过RS232总线发送给功率调节器4的单片机A401中，比较此测量的温度值和设定的温度值，若标准红外测温仪3测得的温度值与温度的设定值相差大于0.5％，则返回步骤(2)，调整光源电路电流值的设定，直至标准红外测温仪3测得的温度值与温度的设定值相差小于等于0.5％。

步骤一校准标准红外测温仪：

将标准红外测温仪3通过计量院标准炉(标准黑体炉)进行标定，测定温度的误差在千分之五以内符合要求。

步骤二校准红外辐射高温校准装置：

功率调节器4根据用户通过功率调节器4的按键404设定的电流强度值调节光源1产生的光线强度，光线经过平行光管2转换成平行光束A和平行光束B，用标准红外测温仪3采样平行光束A，并计算光源1的辐射温度。调节功率调节器4的设定值，在标准红外测温仪3测得辐射温度为400～3000℃之间的每整百温度值时，记录该输出温度，作为相应温度的粗标定。

步骤三平行光束A和平行光束B的校正：

功率调节器4根据用户通过功率调节器4的按键404设定的电流强度值调节光源1产生的光线强度，光线经过平行光管2转换成平行光束A和平行光束B。由于光路的不同及系统噪声的存在，这两束平行光束虽然产生于同一光源但是他们的辐射温度会有一定的差异，因此要对平行光束A和平行光束B的偏差作校正。用标准红外测温仪3分别采样平行光束A和平行光束B，计算出同一辐射温度条件下平行光束A和平行光束B测量的偏差值，并列出辐射温度偏差曲线。根据标准红外测温仪3对平行光束A的采样值、平行光束A的辐射温度偏差曲线和平行光束B的辐射温度偏差曲线来确定平行光束B的辐射温度。

Claims

1.一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：包括由光源、平行光管、标准红外测温仪及功率调节器；

光源与功率调节器采用电线连接，功率调节器调节光源的强度，标准红外测温仪通过RS232串口与功率调节器连接，光源置于平行光管的中轴线上，平行光管的分光片置于平行光管的物镜后，并与平行光管的中轴线成45度角放置，光线经分光片后转换成垂直于平行光管中轴线方向的平行光束A和平行于平行光管中轴线方向的平行光束B，两束平行光的出口分别安装支撑架和导轨，标准红外测温仪安装在与平行光管垂直的导轨的支撑架上，其镜头水平对准平行光束A，待标定的测温仪安装在与平行光管平行的导轨的支撑架上，其镜头水平对准平行光束B。

2.根据权利要求1所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的平行光管由物镜、毛玻璃、滤波片、分光片和激光器组成；光源辐射光线到达平行光管时被滤波片滤出符合待标定的测温仪测量光谱范围所对应的光束，照亮毛玻璃，毛玻璃处在物镜的焦平面上，经过物镜转换成平行光束，平行光束经过置于与平行光管的中轴线成45度设置的分光片后，转化为平行光束A和平行光束B，激光器与平行光管的中轴线方向相互垂直安置，其发出的激光直接通过45度分光片，从平行光束A和平行光束B的出口处射出，标准测温仪和待校准测温仪的镜头分别对准激光进行二者位置的调整。

3.根据权利要求1所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的功率调节器由单片机A、电流放大器和电流反馈电路组成；按键、数码管和电流放大器通过导线与单片机A的IO口连接，单片机A通过RS232总线与标准红外测温仪的单片机进行通讯；电流放大器、光源和电流反馈电路的采样电阻顺次串联，电流反馈电路的输出连接单片机A的AD采样端口，通过按键设定电流强度调节光源的辐射温度，并通过数码管显示，单片机A驱动电流放大器以改变光源功率，电流反馈电路的采样电阻采样电路中的电流并转换为电压反馈给单片机A，单片机A根据采样的电压值解算电路的电流再与设定值进行比较，控制电流放大器调节电路电流完成闭环控制。

4.根据权利要求3所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的单片机A采用C8051F021单片机。

5.根据权利要求1所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的标准红外测温仪的由红外镜头、对数放大电路、AD转换电路和单片机B组成；红外镜头被固定在与平行光管垂直，水平对准平行光束A的出口的位置，并通过导线连接到对数放大电路，对数放大电路通过导线与AD转换电路连接，AD转换电路通过SPI总线与单片机B通讯，单片机B通过RS232总线与功率调节器连接。

6.根据权利要求5所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的红外镜头内置检波器、光纤和光电探测器，实现光学信号与电信号的转换。

7.根据权利要求5所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的对数放大电路采用LOG104对数放大器。

8.根据权利要求5所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的AD转换电路基于ADS 1255积分型模拟数字转换器搭建。

9.根据权利要求5所述的一种光学红外辐射高温校准装置，其特征在于：所述的单片机B采用C8051F023单片机作为核心处理器，与AD转换电路之间通过SPI总线进行通讯。

10.一种光学红外辐射高温校准装置的自校准方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一校准标准红外测温仪：

将标准红外测温仪通过标准炉进行标定，测定温度的误差在千分之五以内符合要求；

步骤二校准红外辐射高温校准装置：

功率调节器根据用户通过功率调节器的按键设定电流强度值调节光源产生的光线强度，光线经过平行光管转换成平行光束A和平行光束B，用标准红外测温仪采样平行光束A，并计算光源的辐射温度；调节功率调节器的设定值，在标准红外测温仪测得辐射温度为400～3000℃之间的每整百温度值时，记录该输出温度，作为相应温度的粗标定；

步骤三平行光束A和平行光束B的校正：

功率调节器根据用户通过功率调节器的按键设定电流强度值调节光源产生的光线强度，光线经过平行光管转换成平行光束A和平行光束B，对平行光束A和平行光束B的偏差作校正，用标准红外测温仪分别采样平行光束A和平行光束B，计算出同一辐射温度条件下平行光束A和平行光束B测量的偏差值，并列出辐射温度偏差曲线，根据标准红外测温仪对平行光束A的采样值、平行光束A的辐射温度偏差曲线和平行光束B的辐射温度偏差曲线来确定平行光束B的辐射温度。