CN107045362A - 辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统及方法，其在调整光路中包含有输出和测量两个光路，陶瓷发热体发射的红外辐射经输出光路调整成平行输出辐射的同时，在输出光路中巧妙的设计有测量光路，能够实现对光源输出辐射亮度的同步测量；补偿控制器根据输出辐射亮度的测量值及时对稳流电源的输出电流进行调节，实现对发热体的辐射亮度的闭环控制，使红外光源的输出辐射亮度具有良好的稳定性和抗干扰性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有辐射亮度补偿控制的热辐射红外光源系统及方法，应用于光学、红外检测、辐射亮度测量等领域。
背景技术
热辐射红外光源是一种以产生红外辐射为主要目的的非照明用光源，常用于红外光谱反射率和透过率测量、薄膜厚度检测、非接触式辐射加热技术领域；红外光源光谱辐射输出的稳定性是上述测量或检测技术获得良好准确性和重复性的根本保证。
碳化硅、氮化硅等高温陶瓷材料通电加热后在波长为2-20μm范围内近似黑体辐射，具有较高的辐射效率，是热辐射红外光源的首选发热体。传统的陶瓷热辐射红外光源主要由发热体、调整光路、稳流电源三部分组成，陶瓷发热体在稳流电源输出的恒定电流作用下将电能转化为热能，经调整光路后获得汇聚或平行的连续光谱辐射。
传统热辐射红外光源对光谱辐射亮度的控制属于开环控制，如图1所示，其光谱辐射输出的稳定性仅依赖于稳流电源的恒流特性。然而，受发热体表面氧化现象影响，发热体表面光谱发射率随之发生变化，势必造成光源输出的光谱辐射亮度改变；此外，随着工作时间的延长，陶瓷发热体不可避免的出现自身老化现象，导致红外光源光谱辐射亮度输出的发生变化。可见，即使在精密稳流电源能够输出恒定电流的情况下，开环控制的传统热辐射红外光源受陶瓷发热体表面发射率变化和自身老化现象的影响，其光谱辐射亮度的稳定性也难以保证。
发明内容
为解决热辐射红外光源输出的辐射亮度的不稳定性，本发明提供了一种辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明系统包括陶瓷发热体、调节光路和稳流电源，其结构要点是：调节光路由输出光路和测量光路组成，陶瓷发热体通过功率调节器在稳流电源输出的恒定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体发射的光谱辐射大部分经输出光路调整成平行输出辐射的同时，少部分的光谱辐射经测量光路汇聚后发给辐射亮度补偿单元，辐射亮度补偿单元通过功率调节器对稳流电源的输出功率进行调节，实现对陶瓷发热体辐射亮度的稳定控制。
进一步改进技术方案，辐射亮度补偿单元由红外探测器、信号处理电路和补偿控制器组成，经测量光路汇聚后投射在红外探测器上的光谱辐射，经红外探测器光电转化成微弱电信号红外探测器转化成微弱电信号，经信号处理电路进行整形、滤波、放大后进入到补偿控制器，补偿控制器根据反馈的电信号变化量对功率调节器进行功率调解。
本发明有益效果：
本发明提供的辐射亮度补偿式热辐射红外光源与传统红外光源之间存在明显区别，主要体现在调整光路中包含有输出和测量两个光路，陶瓷发热体发射的红外辐射经输出光路调整成平行输出辐射的同时，在输出光路中巧妙的设计有测量光路，能够实现对光源输出辐射亮度的同步测量；补偿控制器根据输出辐射亮度的测量值及时对稳流电源的输出电流进行调节，实现对发热体的辐射亮度的闭环控制，使红外光源的输出辐射亮度具有良好的稳定性和抗干扰性。
附图说明
图1是现有技术的陶瓷发热体热辐射红外光源系统示意图；
图2是本发明的系统示意图；
图3是本发明光路设计图；
1-陶瓷发热体，2-稳流电源，3-调整光路，31-输出光路，32-测量光路，4-辐射亮度补偿单元，41-红外探测器，42-信号处理电路，43-补偿控制器，5-功率调节器。
具体实施方式
下面结合附图2-3对本发明做进一步技术描述：
如图2-3所示，本发明系统包括陶瓷发热体1、调节光路3和稳流电源2，调节光路由输出光路31和测量光路32组成，陶瓷发热体1通过功率调节器5在稳流电源2输出的恒定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体1发射的光谱辐射大部分经输出光路31调整成平行输出辐射的同时，少部分的光谱辐射经测量光路32汇聚后投射在红外探测器41上，经红外探测器41光电转化成微弱电信号，经信号处理电路42进行整形、滤波、放大后进入到补偿控制器43，补偿控制器43根据反馈的电信号变化量对功率调节器5进行功率调解，功率调节器5对稳流电源2的输出功率进行调节，实现对陶瓷发热体1辐射亮度的稳定控制。
红外光源启动，补偿控制器根据测量光路的辐射亮度值对功率调节器进行调节，控制稳流电源的输出电流，陶瓷发热体在电流作用下产生的红外辐射进入输出光路和测量光路。
输出光路由两块凹面金属膜抛物面镜M1和M2和一块凸面金属膜抛物面镜M3组成。发热体一侧半球方向的辐射经M1反射后形成平行辐射，因M1与M2具有相同的曲率，平行辐射被M2反射后应汇聚于等距离的焦点f2处，由于M3是放置于M2与其焦点f2之间，且使其焦点f3与f2处于同一点上，最后汇聚辐射经M3反射后转换成平时辐射，并以此作为红外光源的输出。
测量光路的作用是通过椭球面金属膜反射镜M4将与光源输出辐射亮度相同的辐射反射并汇聚至位于焦点f4。M4在光轴截面上投影区域对f1的立体角等于M3对f1的立体角Ω，避免了M4对输出光路中平行辐射的遮挡，损失光源辐射辐射的功率，同时又最大程度的提高了测量光路的输出辐射量，提高探测器输出电信号的信噪比。
辐射亮度补偿单元4主要由红外探测器41、信号处理电路42和补偿控制器43组成，其工作原理为位于焦点f4上的探测器将辐射亮度装换为电信号，信号处理电路对电信号滤波、放大和运算后得到光源输出的辐射亮度，补偿控制器根据当前的辐射亮度值计算出稳流电源的补偿量，控制稳流电源的输出电流的增大或减小，以维持红外光源的输出辐射亮度稳定在初始状态L0。
第i时刻，设红外光源的输出辐射亮度为Li，那么测量光路输出到红外探测器上的辐射亮度同样也为Lt，则红外探测器的输出电压为，
, (1)
式中，R是红外探测器响应度，其值可通过标准黑体辐射源标定获得。
经信号处理电路的滤波、放大和运算后，得到i时刻红外光源输出的辐射亮度值Li，
, (2)
当红外光源的红外辐射亮度的期望输出稳定值为LE，则进入补偿控制器的输入值为，
, (3)
采用PID控制原理（Proportion-Integration-Differentiation），得到补偿控制器的输出值为
, (4)
式中，kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。
这样，通过测量被控的辐射亮度的实际值Li，与期望值的输出辐射亮度稳定值LE进行比较得到偏差值，补偿控制器利用这个偏差计算出功率调节器的纠正值，控制红外光谱的输出辐射亮度值维持在稳定值LE。
本发明不局限于上述的优选实施例，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.辐射亮度补偿式热辐射红外光源系统，包括陶瓷发热体、调节光路和稳流电源，其特征在于：调节光路由输出光路和测量光路组成，陶瓷发热体通过功率调节器在稳流电源输出的恒定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体发射的光谱辐射大部分经输出光路调整成平行输出辐射的同时，少部分的光谱辐射经测量光路汇聚后发给辐射亮度补偿单元，辐射亮度补偿单元通过功率调节器对稳流电源的输出功率进行调节，实现对陶瓷发热体辐射亮度的稳定控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：辐射亮度补偿单元由红外探测器、信号处理电路和补偿控制器组成，经测量光路汇聚后投射在红外探测器上的光谱辐射，经红外探测器光电转化成微弱电信号红外探测器转化成微弱电信号，经信号处理电路进行整形、滤波、放大后进入到补偿控制器，补偿控制器根据反馈的电信号变化量对功率调节器进行功率调解。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：包括陶瓷发热体、调节光路和稳流电源，调节光路由输出光路和测量光路组成，陶瓷发热体通过功率调节器在稳流电源输出的恒定电流作用下将电能转化为热能，陶瓷发热体发射的光谱辐射大部分经输出光路调整成平行输出辐射的同时，少部分的光谱辐射经测量光路汇聚后投射在红外探测器上，经红外探测器光电转化成微弱电信号，经信号处理电路进行整形、滤波、放大后进入到补偿控制器，补偿控制器根据反馈的电信号变化量对功率调节器进行功率调解，功率调节器对稳流电源的输出功率进行调节，实现对陶瓷发热体辐射亮度的稳定控制。
4.辐射亮度补偿式热辐射红外光源方法，其特征在于：陶瓷发热体发射的红外辐射经输出光路调整成平行输出辐射的同时，还设计有测量光路，测量光路能够实现对光源输出辐射亮度的同步测量，补偿控制器根据输出辐射亮度的测量值及时对稳流电源的输出电流进行调节，实现对发热体的辐射亮度的反馈式补偿控制，使红外光源的输出辐射亮度维持在期望的稳定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：补偿控制器可根据测量的实际辐射亮度值与期望输出值的偏差计算出功率调节器的调节值，并以此对红外光源的输出辐射亮度进行反馈控制，使其具有良好的稳定性和抗干扰性。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：红外探测器通过测量光路可对红外光源输出的实际辐射亮度值进行测量。
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