CN107607229A - 用于热层析探头的温度校准装置及进行温度校准的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热层析探头的温度校准装置及进行温度校准的方法,装置包括恒温箱、加热或制冷单元、PID温度控制单元、温度传感器和显示器等五个部分。本发明装置为热层析探头温度校准提供了一个自行设定的恒温环境，通过在一个温度范围内自行设定不同的恒温环境，获得置于其中的热层析探头处于规定的不同内腔温度,从而测出探头在不同内腔温度下的热层析探头探测值‑黑体辐射温度(D‑T)系列数据，通过对(D‑T)数据做数据拟合获得热层析探头探测值与被测物体温度的测温公式，给出完整的温度校准过程。本发明消除了热层析探头内腔温度变化对测温的影响，达到了热层析探头在不同内腔温度下的精确温度校准和高精度测温的效果。
Description
技术领域
本发明涉及热成像设备，具体涉及一种用于热层析探头的温度校准装置及进行温度校准的方法。
背景技术
热层析技术广泛应用于军事、消防、电力和医学等领域，特别是在医学领域因其无损、安全和快捷，特别是能够检测到细胞代谢的微小异常等功能性病变，在癌症早期发现、健康体检、预测医学、血管病变和中医经络的可视化等领域的应用具有巨大的应用前景。
人体是一个天然生物发热体，正常人体的温度分布具有一定的稳定性和对称性。由于解剖结构、组织代谢、血液循环及神经状态的不同，机体各部位温度不同，可形成不同的热场。当人体某处存在疾患或功能发生改变时，该处血流和细胞代谢会发生变化，导致局部温度改变，表现为温度偏高或偏低。如果全身或局部的温度偏离正常，可能提示存在疾病或损伤。因此，温度是观察与衡量人体机能正常与否的最常用的指标之一，获取并分析全身或局部温度是一种十分重要的临床诊断手段。
人体出现病变时温度变化幅度往往微小，为了能够准确的诊断出身体的病变信息，要求热层析成像设备能够准确检测人体表面的温度分布状况。这对红外热像仪的测温精度提出了较高要求。因此，必须对热层析探头进行精确的温度校准。
根据红外辐射理论和红外热像仪测温原理：热层析探头在吸收了红外辐射引起的内腔温度T变化时，其电阻R也发生变化，用来度量电阻R随温度变化的参数是电阻温度系数。电阻温度系数通常用α表示，定义为：
电阻的变化为：
ΔR＝αRΔT
其中：ΔR为热层析探头电阻变化；ΔT为热层析探头内腔温度变化。当偏置电流为ib时，输出信号vs为：
vs＝ibαRΔT
描述热层析探头温度变化的热传导方程的解为：
其中：τ＝C/G为热响应时间；C为热层析探头热容；G为热层析探头与环境之间的热导；η为辐射吸收因子；A为热层析探头面积；β为填充因子；P0为入射辐射率；ω为辐射调制频率。
热层析探头输出信号vs为：
对于热层析探头而言，入射辐射通常不需要调制，即ω＝0，此时，
热层析探头输出信号vs经数字化处理后得到热层析探头输出计数值D:
其中：Vcrf为电压变化范围；n为量化等级；C0为常数项。
令响应信号为标准黑体源出射辐射，即P0＝L(T),得到热层析探头的理想辐射定标模型为：
D＝KL(T)+C0
实际应用中，由于热层析探头在工作中内腔温度会发生变化，会对热层析探头输出信号产生很大影响。导致热层析探头输出计数值D不仅与目标辐射有关，还与热层析探头内腔温度有关。因此，认为热层析探头温度效应叠加在热层析探头对目标辐射的响应之上，得到非制冷红外焦平面热像仪的辐射定标模型为：
D＝KL(T)+f(t)+C0
其中：f(t)为热层析探头内腔温度效应函数，t为热层析探头内腔温度。
上述热像仪测温原理表明：热层析探头自身内腔温度对测温结果的影响不容忽视，说明了考虑热层析探头自身内腔温度对红外热像仪测温准确性的影响和温度校准的必要性。现有的修正方法一般只是理论上的计算方法且计算过程相对复杂。因此在考虑热层析探头自身内腔温度对热层析探头测温影响的情况下，开发一种高效、实用的温度校准装置，并能够以软件形式实现热层析探头在不同内腔温度下的高精度辐射测温对于医学临床应用意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于热层析探头的温度校准装置及进行温度校准的方法。本发明考虑了热层析探头自身内腔温度对红外热层析探头测温结果的影响，以软件形式实现了热层析探头在不同内腔温度下的精确温度校准和高精度测温。
本发明的目的通过以下技术方案实现：用于热层析探头的温度校准装置，由恒温箱、加热或制冷单元、PID温度控制单元、温度传感器和显示器组成；恒温箱分为恒温区和控制区两个独立的区域；热层析探头安装并固定于恒温区的中央；恒温箱开有圆孔，热层析探头通过圆孔与黑体源的辐射面相对；两个加热或制冷单元分别安装并固定于恒温区的箱体两侧，加热或制冷单元与热层析探头之间通过带小孔的隔板分开；PID温度控制单元安装并固定于恒温箱的控制区中；温度传感器置于热层析探头周围；热层析探头探测值输出至外接计算机，计算机中安装有温度校准软件；显示器显示恒温箱中恒温区的设定温度和实际温度；
所述PID温度控制单元由测温电路、运算放大器、复位电路、键盘、单片机、TEC驱动电路和风扇驱动电路组成；单片机分别与运算放大器、TEC驱动电路、风扇驱动电路、复位电路、键盘和显示器连接；测温电路分别与温度传感器和运算放大器连接；加热或制冷单元与TEC驱动电路连接；风扇与风扇驱动电路连接。
用热层析探头温度校准装置进行温度校准的方法，温度校准过程如下：
(1)通过PID温度控制单元控制加热或制冷单元以使恒温箱恒温区温度稳定在不同的设定温度，由此获得不同的热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)；黑体辐射源提供一系列标准温度Ti(i＝1,2,3,…n)；热层析探头探测对应不同的热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)的一系列热层析探头探测值 并输出至外接计算机，由此获得热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的关系数据
(2)通过计算机中的温度校准软件拟合数据，获得不同热层析探头内腔温度tj所对应的(D-T)曲线公式：
T＝ajD2+bjD+cj(j＝1,2,3,…m)
式中：aj,bj,cj的值是通过数据拟合所得到的；
(3)计算机中的温度校准软件通过数据插值方法得到任一热层析探头内腔温度t的(D-T)曲线公式：T＝atD2+btD+ct；所述at,bt,ct的值是由数据拟合获得的aj,bj,cj通过如下线性数据插值方法得到：
设探头内腔温度t值处于tj<t<tj+1时，
采用本发明作温度校准时，被校准的热层析探头安装并固定于恒温区的中央，热层析探头通过恒温箱上开的圆孔与提供标准温度的黑体源的辐射面相对,接收黑体源辐射的能量。
加热或制冷单元由温度控制单元控制以保持恒温箱恒温区温度稳定在设定温度，以使置于恒温区的热层析探头处于规定的内腔温度,从而可测出探头在不同内腔温度下的热层析探头探测值-黑体辐射温度(D-T)系列数据，通过温度校准软件分析(D-T)数据获得热层析探头探测值与被测物体温度的测温公式，给出完整的温度校准过程。
本发明可实现热层析探头在不同内腔温度下的精确温度校准和高精度测温。
附图说明
图1是用于热层析探头的温度校准装置结构图，
图2是PID温度控制单元及连接器件示意图，
图3是PID算法原理图，
图4是PT100桥式测温电路图，
图5是H桥驱动电路图，
图6是风扇驱动电路，
图7是热层析探头在三个不同内腔温度下的输出计数值(D)-黑体辐射温度(T)的实验数据图。
图8是图7中的实验数据拟合后的(D-T)关系曲线图。
图9是探头温度校准前后测温效果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，用于热层析探头的温度校准装置，包括恒温箱1、加热或制冷单元2、PID温度控制单元3、温度传感器4和显示器5等五个部分。热层析探头6外接至计算机，计算机中安装有温度校准软件；恒温箱中恒温区的设定温度和实际温度由显示器5显示。本装置能够实现恒温箱中恒温区的温度精确控制，从而实现对热层析探头6的测温与校准，消除由热层析探头自身的内腔温度变化造成的辐射测温误差。
恒温箱分为恒温区7和控制区8两个独立的区域，恒温箱的恒温区箱体设有保温层9，保温层起隔热和保温的作用。
进行温度校准时，热层析探头安装并固定于恒温区的中央；恒温箱开有圆孔10，热层析探头通过圆孔与黑体源的辐射面相对。两个加热或制冷单元分别安装并固定于恒温区的箱体两侧，加热或制冷单元与热层析探头之间通过带小孔的隔板11分开。加热或制冷单元的制冷或热量通过隔板上的小孔间接传输到热层析探头所在的区域，起到均匀制冷或加热热层析探头的作用。
加热或制冷单元采用半导体制冷器(TEC)。半导体制冷器的工作原理为珀耳帖效应即热-电效应：半导体制冷器接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高；若将电源反接，则接点处的温度相反变化，实现加热或制冷。半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，半导体制冷器上的散热片可提高热转换效率，适用于耗冷量小和占地空间小的场合。半导体制冷器由温度控制单元控制恒温箱恒温区温度保持稳定。
PID温度控制单元安装并固定于恒温箱的控制区中。恒温箱的作用是通过PID温度控制单元控制加热或制冷单元，风扇12固定在加热或制冷单元上。风扇将加热或制冷单元产生的热(冷)量传送至恒温箱的恒温区中，用于改变热层析探头的内腔温度。
可控温腔式黑体源为一种标准温度设定体，可对其设定目标温度，本发明将黑体源的温度范围设定为室温至200℃。
参照图2，PID温度控制单元由测温电路13、运算放大器14、复位电路15、键盘16、单片机17、TEC驱动电路18和风扇驱动电路19组成。单片机分别与运算放大器、复位电路、键盘、TEC驱动电路、风扇驱动电路和显示器5连接；测温电路分别与温度传感器4和运算放大器连接；加热或制冷单元2与TEC驱动电路连接；风扇12与风扇驱动电路连接。复位电路用于PID温度控制单元恢复至初始设置状态，键盘用于恒温区的温度设定，显示器显示恒温箱中恒温区的设定温度和实际温度。
本发明的实施例采用单片机作为CPU控制核心，使用PT100热电偶作为温度传感器，PID算法和脉冲宽度调制(PWM)波通过程序来实现对目标对象温度的精准控制。
本实施例通过图3所示的PID温度控制算法依据温控系统中被控对象的目标设定温度值和实际输出值组成了控制偏差，根据控制偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)得到运算的控制量通过单片机运行程序产生脉冲宽度调制(PWM)波进行控制。
本实施例通过图4所示的测温电路将PT100热电偶探测温度引起的电阻变化率转换成电压输出Uout，然后经运算放大电路放大。由单片机内置的模数转换器(ADC)将放大后的电压信号采样，得到的当前实际温度值和目标设定温度值经过单片机运行程序PID算法处理后，单片机的定时器通过程序输出占空比可调的PWM波至TEC驱动电路，以控制加热或制冷单元的功率，实现对恒温区温度的精确控制。
半导体制冷器TEC驱动电路如图5所示，若当前实际温度值低于目标设定温度值，单片机的控制端口P1为高电平，控制端口P2为低电平时，U1导通，U2截止；Q2和Q3导通，Q1和Q4截止，电源电压VCC加在半导体制冷器20两端，即半导体制冷器TEC进行制热。同理若当前实际温度值高于目标设定温度值，单片机的控制端口P1端口为低电平，P2端口为高电平时，U2导通，U1截止；Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，半导体制冷器TEC两端电压发生翻转，即半导体制冷器TEC变为制冷。
风扇所需的驱动功率比较小，但出于保护单片机和防止强电磁干扰或工频电压干扰，可采用光耦器件21将风扇与微处理器的输出端口进行隔离，并采用小功率三极管作为功率驱动电路。其原理图如图6所示。
举例说明温度校准过程：通过温度控制单元控制加热或制冷单元以保持恒温箱恒温区内的温度稳定在三个不同的设定温度，与恒温区三个设定温度对应获得三个不同的热层析探头内腔温度t1，t2和t3。黑体辐射源提供一系列标准温度Ti(i＝1,2,3,…n)，热层析探头探测对应三个不同的热层析探头内腔温度t1，t2和t3的三组系列热层析探头探测值与黑体辐射温度关系数据和点(见图7)。热层析探头外接至计算机，热层析探头探测值输出至外接计算机，
将图7的三组系列热层析探头探测值与黑体辐射温度关系数据点 和作曲线拟合，获得如图8所示的三条(D-T)关系曲线和对应的(D-T)关系曲线公式：T＝a1D2+b1D+c1，T＝a2D2+b2D+c2和T＝a3D2+b3D+c3。
为了实现热层析探头在任一内腔温度下的高精度辐射测温目标，需要热层析探头任一内腔温度点的D-T曲线。基于实验获得的三组D-T曲线，运用如下线性插值算法，可得到三个内腔温度之间任一内腔温度点的D-T曲线公式：T＝atD2+btD+ct,其中at,bt,ct的值是由如下线性数据插值方法得到：
设探头内腔温度t值处于tj<t<tj+1时，
校准过程给出热层析探头在任一内腔温度下的热层析探头探测值与黑体辐射温度关系数据(D-T)曲线，消除了热层析探头内腔温度变化对非制冷红外焦平面热像仪测温的影响，并以温度校准软件形式实现热层析探头在不同内腔温度下的高精度辐射测温。
为了说明本发明可以显著消除热层析探头内腔温度对热层析探头测温的影响，本申请人通过实验的方法进行验证。将黑体辐射温度设置为34℃，分别用本发明校准后和校准前的热层析探头进行测温。图9是通过本发明校准前后得到的测温效果对比图。黑体辐射温度稳定为34℃后，热层析探头接通电源开始测温，横轴为测温时间，纵轴为热层析探头校准前后的测温值。图中的线A、B、C、D分别为热层析探头校准前的测温曲线、黑体辐射温度线、热层析探头校准后的测温曲线、热层析探头的内腔温度曲线。从图中可以看出，热层析探头校准后的测温效果明显优于校准前的效果。
Claims (6)
1.用于热层析探头的温度校准装置，其特征在于：由恒温箱、加热或制冷单元、PID温度控制单元、温度传感器和显示器组成；恒温箱分为恒温区和控制区两个独立的区域；热层析探头安装并固定于恒温区的中央；恒温箱开有圆孔，热层析探头通过圆孔与黑体源的辐射面相对；两个加热或制冷单元分别安装并固定于恒温区的箱体两侧，加热或制冷单元与热层析探头之间通过带小孔的隔板分开；PID温度控制单元安装并固定于恒温箱的控制区中；温度传感器置于热层析探头周围；热层析探头探测值输出至外接计算机，计算机中安装有温度校准软件；显示器显示恒温箱中恒温区的设定温度和实际温度；
所述PID温度控制单元由测温电路、运算放大器、复位电路、键盘、单片机、TEC驱动电路和风扇驱动电路组成；单片机分别与运算放大器、复位电路、键盘、TEC驱动电路、风扇驱动电路和显示器连接；测温电路分别与温度传感器和运算放大器连接；加热或制冷单元与TEC驱动电路连接；风扇与风扇驱动电路连接。
2.如权利要求1所述的用于热层析探头的温度校准装置，其特征在于：加热或制冷单元采用半导体制冷器。
3.如权利要求1所述的用于热层析探头的温度校准装置，其特征在于：风扇固定在加热或制冷单元上。
4.如权利要求1所述的用于热层析探头的温度校准装置，其特征在于：黑体源为一种标准温度设定体，温度范围设定为室温至200℃。
5.如权利要求1所述的用于热层析探头的温度校准装置，其特征在于：恒温箱的恒温区箱体设有保温层。
6.用权利要求1所述的热层析探头温度校准装置进行温度校准的方法，其特征在于：温度校准过程如下：
(1)通过PID温度控制单元控制加热或制冷单元以使恒温箱恒温区温度稳定在不同的设定温度，由此获得不同的热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)；黑体辐射源提供一系列标准温度Ti(i＝1,2,3,…n)；热层析探头探测对应于不同热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)的一系列热层析探头探测值 并输出至外接计算机，由此获得热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的关系数据
(2)通过计算机中的温度校准软件拟合数据，获得不同热层析探头内腔温度tj所对应的(D-T)曲线公式：
T＝ajD2+bjD+cj(j＝1,2,3,…m)
式中：aj,bj,cj(j＝1,2,3,…m)的值通过数据拟合得到；
(3)计算机中的温度校准软件通过数据插值方法得到任一热层析探头内腔温度t的(D-T)曲线公式：T＝atD2+btD+ct；所述at,bt,ct的值是由数据拟合获得的aj,bj,cj通过如下线性数据插值方法得到：
设探头内腔温度t值处于tj<t<tj+1时，
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