CN104280127A - 被测表面失焦情况下的红外测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种被测表面失焦情况下的红外测温装置，包括：一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有高透过率；一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场。本发明还涉及采用上述装置进行被测表面失焦情况下的红外测温方法。采用本发明的装置和方法，即便出现被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦的情况，也能有效地进行温度测量。

Description

被测表面失焦情况下的红外测温装置及方法

技术领域

本发明涉及一种红外测温装置，尤其是涉及一种被测表面失焦情况下的红外测温装置。本发明还涉及采用所述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法。

背景技术

温度的检测和控制在电力系统、石化、冶金等行业中受到高度的重视，它关系着系统的安全、产品的质量以及生产的效率。红外测温技术由于测温范围理论上无上下限、不改变被测物体温度、测温响应时间短以及可以测量物料表面的温度分布等优点，在生产过程监测、产品质量控制、设备在线故障诊断和节约能源等方面都发挥着重要作用。随着仪器的制造水平的提高，现代红外测温具有较高的测量精度，满足当前电力系统、石化、冶金等行业对温度监测的要求。

CCD作为一种新型半导体集成光电器件，自20世纪70年代初诞生以来，己经得到了很快的发展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。CCD相机具有较宽的光谱响应范围、高分辨率、体积小、重量轻、低电压、低功耗、耐冲击、抗电磁干扰、可以长时间工作于恶劣环境、图像畸变小、成像高速、能很好地与电子技术、图像处理技术、计算机技术等学科相结合等优点，在工业诊断和过程监视中得到广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。

基于CCD图像传感器的测温技术是综合利用图像检测技术、数字图像处理技术和辐射测温技术的新型测温技术。然而，在很多的测量条件下，被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦，对于这种情况，现有的普通测量方法已经无法进行温度的测量。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种被测表面失焦情况下的红外测温装置。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种被测表面失焦情况下采用上述装置进行红外测温的方法。

采用本发明的装置和方法，即便出现被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦的情况，也能有效地进行温度测量。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种被测表面失焦情况下的红外测温装置，其特征是包括：

一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有高透过率；

一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；

一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；

一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用上述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：通过查询物性手册或者通过专业的测量手段得到在滤波片(2)中心波长λ_c下，不同温度T的表面发射率ε(λ_c,T)；

S2：在测温范围内选择10个温度，利用标准黑体在滤波片(2)中心波长λ_c下获得不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到连续的系统响应函数K(λ_c,T)；

S3：将红外镜头(1)对准探测表面，让被测表面在红外CCD相机(3)的视场范围内，利用红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑(4)中，利用自编程的分析软件计算得到被测表面的温度场分布，所述的分析软件的计算原理为：

根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：

$E_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]-1}---\left(1\right);$

式中：E_bλ表示黑体光谱辐射能量，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₁＝3.7418×10⁸W·μm⁴/m²，λ表示光谱波长，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，c₂＝1.4388×10⁴μm·K，T表示温度；

对于非黑体来说，在特定波长λ_c下，表面本身的半球发射能量由下式表示：

$E=\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_c,T)\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{E}_{\mathrm{b\λ}}\mathrm{d\λ}\≈\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_c,T)\·\frac{c_1{\mathrm{\λ}}_c^{-5}({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{c}T]-1}---\left(2\right);$

式中：E表示表面本身的半球发射能量，λ_c表示滤波片的中心波长，ε(λ_c,T)表示在波长为λ_c、温度为T时的表面发射率，通过查询物性手册或者专业测量手段得到，λ₁、λ₂分别表示滤波片的透过范围的下限和上限；

对于被测表面失焦的情况，需要知道实际物平面与理想物平面之间的夹角θ以及它们中心之间的距离由几何光学可知，在CCD某个像素A′上得到的能量是由理想物平面上对应的一个微元面A通过镜头透镜投射的能量；

设像素A′的中心坐标为P′(x′,y′,z′)，则相对应的理想物平面上微元面A的中心坐标为P(x,y,z)，对应的实际物平面上微元面的中心坐标为它们的具体表达式为：

P点：x＝-u；y＝-uy′/v；z＝-uz′/v

点： $\tilde{x}=-\frac{(u+\tilde{u})\·v}{\tan \mathrm{\θ}\·\sqrt{y^{\′2}+z^{\′2}}+v};$ y＝x′y′/v；z＝x′z′/v；

式中：u表示理想物距；v表示相距；表示实际物平面与理想物平面中心的距离；θ表示实际物平面与理想物平面之间的夹角；

实际物平面和理想物平面中心的距离r为：

$r=\sqrt{{(x-\tilde{x})}^2+{(y-\tilde{y})}^2+{(z-\tilde{z})}^2}---\left(3\right);$

根据小孔成像的原理，与像素A′对应的实际物平面上微元面的面积为：

$\tilde{A}=\mathrm{\π}{a}^2\·{\left(\frac{\tilde{x}-u}{u}\right)}^2---\left(4\right);$

式中：表示像素的面积，a表示镜头光阑半径大小；

则在不考虑镜片衰减的情况下，由实际物平面的微元面发出的在滤波片通过波长范围(λ₁,λ₂)内的能量经过透镜到达CCD像素A′的大小为：

式中：Q表示到达CCD像素A′的能量，A表示理想物平面上像素A的面积，t为相机的快门时间，为射线与理想物平面之间的夹角，如图3所示，通过下式来计算：

由于相机的光电转换效率、镜片和空气的沿程衰减因素，将这些因素归结为一个系统响应函数K(λ_c,T)，则CCD相机上测量得到灰度分布与实际物平面上的能量分布之前存在如下关系：

H＝K(λ_c,T)·Q  (7)；

式中：H表示CCD相机上像素A′的灰度；

进一步的得到灰度与温度之间的对应关系：

本发明的过程原理：将定焦镜头对准探测表面，在一定光圈和曝光时间下，利用红外CCD相机记录接收到的能量分布，通过标准黑体标定不同温度下系统的光谱响应函数，根据能量分布、系统响应函数、被测表面发射率、几何位置和镜头参数计算得到被测表面的温度分布。

有益效果：采用本发明的装置和方法，即便出现被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦的情况，也能有效地进行温度测量，准确率达2％，本发明可用于电站锅炉、电网发热部件、光伏组件、石油化工、冶金、水泥、玻璃等过程工业的安全和质量监测。

附图说明

图1：被测表面失焦情况下红外测温装置的组成和连接关系示意图；

图2：失焦情况下的整体光路示意图；

图3：实际物平面和理想物平面间的局部光路示意图。

具体实施方案

参见图1本发明的被测表面失焦情况下的红外测温装置实施例，其包括：

一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有较高的透过率；

一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；

一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；

一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场。

参见图2和图3，为采用上述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法的实施例，将红外镜头(1)对准探测表面，在一定光圈和曝光时间下，经过滤波片(2)的红外能量分布在红外CCD相机(3)上形成灰度图像，将灰度图像通过数据线采集到电脑(4)的分析软件中，根据能量分布的灰度矩阵、系统响应函数、被测表面发射率、滤波片(2)的中心波长及上下限、几何位置和镜头与相机参数计算得到被测表面的温度分布。

具体包括以下步骤：

S1：通过查询物性手册或者通过专业的测量手段得到在滤波片(2)中心波长λ_c下，不同温度T的表面发射率ε(λ_c,T)；

S2：在测温范围内选择10个温度，利用标准黑体在滤波片(2)中心波长λ_c下获得不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到连续的系统响应函数K(λ_c,T)；

所述的能量分布的灰度矩阵通过红外CCD相机(3)采集得到，其中m×n表示像素；所述滤波片(2)中心波长λ_c及上下限λ₁和λ₂通过产品供应商提供；所述系统响应函数K(λ_c,T)通过在测温范围内选择10个左右的温度，利用标准黑体在滤波片(2)中心波长λ_c下获得不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到，所述被测表面发射率ε(λ_c,T)通过查询物性手册或者专业的测量手段得到，所述几何位置包括：CCD的几何尺寸、实际物平面与理想物平面之间的夹角θ、相距v、实际物平面与理想物平面之间的距离这些参数均可通过简单测算得到，所述镜头与相机参数包括：镜头的等效焦距f、光阑半径大小a、相机快门时间t，它们可以通过供应商提供或自己设置得到。

S3：将红外镜头(1)对准探测表面，让被测表面在红外CCD相机(3)的视场范围内，利用红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑(4)中，利用自编程的分析软件计算得到被测表面的温度场分布，所述的分析软件的计算原理为：

根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：

$E_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]-1}---\left(1\right)$

式中：E_bλ表示黑体光谱辐射能量，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₁＝3.7418×10⁸W·μm⁴/m²，λ表示光谱波长，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，c₂＝1.4388×10⁴μm·K，T表示温度。

对于非黑体来说，在特定波长λ_c下，表面本身的半球发射能量可由下式表示：

$E=\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_c,T)\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{E}_{\mathrm{b\λ}}\mathrm{d\λ}\≈\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_c,T)\·\frac{c_1{\mathrm{\λ}}_c^{-5}({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{c}T]-1}---\left(2\right)$

式中：E表示表面本身的半球发射能量，λ_c表示滤波片的中心波长，ε(λ_c,T)表示在波长为λ_c、温度为T时的表面发射率，它可以通过查询物性手册或者专业测量手段得到，λ₁、λ₂分别表示滤波片的透过范围的下限和上限。

对于被测表面失焦的情况，如图2所示，需要知道实际物平面与理想物平面之间的夹角θ以及它们中心之间的距离由几何光学可知，在CCD某个像素A′上得到的能量是由理想物平面上对应的一个微元面A通过镜头透镜投射的能量。

设像素A′的中心坐标为P′(x′,y′,z′)，则相对应的理想物平面上微元面A的中心坐标为P(x,y,z)，对应的实际物平面上微元面的中心坐标为它们的具体表达式为：

P点：x＝-u；y＝-uy′/v；z＝-uz′/v

点： $\tilde{x}=-\frac{(u+\tilde{u})\·v}{\tan \mathrm{\θ}\·\sqrt{y^{\′2}+z^{\′2}}+v};$ y＝x′y′/v；z＝x′z′/v

式中：u表示理想物距；v表示相距；表示实际物平面与理想物平面中心的距离；θ表示实际物平面与理想物平面之间的夹角。

实际物平面和理想物平面中心的距离r为：

$r=\sqrt{{(x-\tilde{x})}^2+{(y-\tilde{y})}^2+{(z-\tilde{z})}^2}---\left(3\right)$

根据小孔成像的原理，与像素A′对应的实际物平面上微元面的面积为：

$\tilde{A}=\mathrm{\π}{a}^2\·{\left(\frac{\tilde{x}-u}{u}\right)}^2---\left(4\right)$

式中：表示像素的面积，a表示镜头光阑半径大小。

则在不考虑镜片衰减的情况下，由实际物平面的微元面发出的在滤波片通过波长范围(λ₁,λ₂)内的能量经过透镜到达CCD像素A′的大小为：

式中：Q表示到达CCD像素A′的能量，A表示理想物平面上像素A的面积，t为相机的快门时间，为射线与理想物平面之间的夹角，如图3所示，它可以通过下式来计算：

由于相机的光电转换效率、镜片和空气的沿程衰减等因素，将这些因素归结为一个系统响应函数K(λ_c,T)，则CCD相机上测量得到灰度分布与实际物平面上的能量分布之前存在如下关系：

H＝K(λ_c,T)·Q  (7)

式中：H表示CCD相机上像素A′的灰度；

进一步的得到灰度与温度之间的对应关系：

Claims (3)

1.一种被测表面失焦情况下的红外测温装置，其特征是包括：

一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有高透过率；

一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；

一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；

一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场。

2.一种采用如权利要求1所述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：通过查询物性手册或者通过专业的测量手段得到在滤波片(2)中心波长λ_c下，不同温度T的表面发射率ε(λ_c,T)；

S2：在测温范围内选择10个温度，利用标准黑体在滤波片(2)中心波长λ_c下获得不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到连续的系统响应函数K(λ_c,T)；

S3：将红外镜头(1)对准探测表面，让被测表面在红外CCD相机(3)的视场范围内，利用红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑(4)中，利用分析软件计算得到被测表面的温度场分布。

3.根据权利要求2所述的在被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在于：所述的分析软件的计算原理为：

根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：

$E_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]-1}---\left(1\right);$

式中：E_bλ表示黑体光谱辐射能量，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₁＝3.7418×10⁸W·μm⁴/m²，λ表示光谱波长，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，c₂＝1.4388×10⁴μm·K，T表示温度；

对于非黑体来说，在特定波长λ_c下，表面本身的半球发射能量由下式表示：

$E=\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_c,T)\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{E}_{\mathrm{b\λ}}\mathrm{d\λ}\≈\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_c,T)\·\frac{c_1{\mathrm{\λ}}_c^{-5}({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{c}T]-1}---\left(2\right);$

式中：E表示表面本身的半球发射能量，λ_c表示滤波片的中心波长，ε(λ_c,T)表示在波长为λ_c、温度为T时的表面发射率，通过查询物性手册或者专业测量手段得到，λ₁、λ₂分别表示滤波片的透过范围的下限和上限；

对于被测表面失焦的情况，需要知道实际物平面与理想物平面之间的夹角θ以及它们中心之间的距离，由几何光学可知，在CCD某个像素A′上得到的能量是由理想物平面上对应的一个微元面A通过镜头透镜投射的能量；

设像素A′的中心坐标为P′(x′,y′,z′)，则相对应的理想物平面上微元面A的中心坐标为P(x,y,z)，对应的实际物平面上微元面的中心坐标为它们的具体表达式为：

P点：x＝-u；y＝-uy′/v；z＝-uz′/v；

点： $\stackrel{\‾}{x}=-\frac{(u+\tilde{u})\·v}{\tan \mathrm{\θ}\·\sqrt{y^{\′2}+z^{\′2}}+v};$ y＝x′y′/v；z＝x′z′/v；

式中：u表示理想物距；v表示相距；表示实际物平面与理想物平面中心的距离；θ表示实际物平面与理想物平面之间的夹角；

实际物平面和理想物平面中心的距离r为：

$r=\sqrt{{(x-\tilde{x})}^2+{(y-\tilde{y})}^2+{(z-\tilde{z})}^2}---\left(3\right);$

根据小孔成像的原理，与像素A′对应的实际物平面上微元面的面积为：

$\tilde{A}=\mathrm{\π}{a}^2\·{\left(\frac{\tilde{x}-u}{u}\right)}^2---\left(4\right);$

式中：表示像素的面积，a表示镜头光阑半径大小；

则在不考虑镜片衰减的情况下，由实际物平面的微元面发出的在滤波片通过波长范围(λ₁,λ₂)内的能量经过透镜到达CCD像素A′的大小为：

式中：Q表示到达CCD像素A′的能量，A表示理想物平面上像素A的面积，t为相机的快门时间，为射线与理想物平面之间的夹角，通过下式来计算：

由于相机的光电转换效率、镜片和空气的沿程衰减因素，将这些因素归结为一个系统响应函数K(λ_c,T)，则CCD相机上测量得到灰度分布与实际物平面上的能量分布之前存在如下关系：

H＝K(λ_c,T)·Q   (7)；

式中：H表示CCD相机上像素A′的灰度；

进一步的得到灰度与温度之间的对应关系：