CN107687901A - 基于黑体的热层析探头温度检测校准系统及检测校准方法 - Google Patents
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- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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Abstract
本发明涉及一种基于黑体的热层析探头温度检测校准系统及检测校准方法，系统由黑体源,有恒温区和控制区的恒温箱，固定于恒温区中的热层析探头，加热或制冷单元，装有温度校准软件的电脑及由温度传感器、温度检测与控制电路和显示器构成的温度控制单元组成。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。采用本发明，测出恒温箱在不同温度下的热层析探头探测值‑黑体辐射温度(D‑T)数据，拟合(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，给出完整温度校准过程。本发明降低或消除了热层析探头内腔温度变化对测温的影响，运用系统温度校准软件实现在不同内腔温度下的热层析探头的准确测温。
Description
技术领域
本发明涉及热成像设备，具体涉及一种基于黑体的热层析探头温度检测校准系统及检测校准方法。
背景技术
热成像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。
人体是一个良好的红外辐射体，其辐射率可达0.99以上，人体各器官的温度信息可通过热传导到体表而被红外热像仪探测到。器官的病变通常伴随着局部的温度升高或降低，而人体各部位的温度细节可通过红外热像仪检测到的红外温度图像直观地显示出来。由于身体出现异常时温度变化范围往往微小，为了能够准确的诊断出身体的病变信息，要求医用热像仪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准确性提出了较高要求。因此，必须对红外热像仪进行严格的温度校准。
科研人员根据红外辐射理论和热像仪测温原理，给出了红外热像仪的温度计算公式，分析了热层析探头内腔温度对热像仪测温结果的影响，指出对于红外热像仪探头温度对测温结果的影响是不能忽略的。并通过进一步研究给出了修正公式和修正方法，通过实验验证和对修正前后测温的相对误差作了比较，发现修正后测温的相对误差较修正前有所减小，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红外热像仪测温影响的情况下，开发一种完整的温度校准的过程，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的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热层析探头处在不同内腔温度下应用于测温与校准的基于黑体的热层析探头温度检测校准系统及检测校准方法，能给出完整的温度校准的过程，并通过电脑实现热层析探头在不同内腔温度下的高精度测温与校准。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，基于黑体的热层析探头温度检测校准系统，由黑体源,恒温箱，热层析探头，加热或制冷单元，装有温度校准软件的电脑和温度控制单元组成；温度控制单元由温度传感器、温度检测与控制电路和显示器构成；
所述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；热层析探头通过恒温箱上开的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；两个加热或制冷单元与热层析探头之间分别通过带小孔的隔板分开，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；温度检测与控制电路安装并固定于恒温箱的控制区中，恒温箱的恒温区箱体设有保温层；
所述温度控制单元采用PID自动控温系统，PID自动控温系统由温度传感器、温度检测与控制电路和显示器组成；温度检测与控制电路分别与温度传感器和显示器相连；热层析探头与外部电脑连接。
基于黑体的热层析探头温度检测校准系统的检测校准方法，具体步骤如下：
1)启动系统，打开黑体电源、恒温箱电源和电脑电源；
2)开启电脑，启动温度检测与校准软件，输入热层析探头信息；
3)系统初始化设置，设定初始黑体辐射温度T1和恒温箱温度t1′；
4)待黑体辐射温度和恒温箱温度处于稳定状态，读取处于恒温箱内的热层析探头内腔温度t1，读取黑体辐射温度T1；
5)采集此时黑体辐射温度T1对应的热层析探头探测值
6)黑体辐射温度按ΔT递增，获得与递增相对应的，热层析探头内腔温度为t1时的热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n)数据；
7)重新设定黑体辐射温度为初始温度T1，恒温箱温度按Δt递增，待恒温箱温度处于稳定状态时读取与递增相对应的处于恒温箱内的热层析探头内腔温度t2；
采集此时与黑体辐射温度T1对应的热层析探头探测值
黑体辐射温度按ΔT递增，获得与递增相对应的，热层析探头内腔温度为t2时的热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n)数据；
8)重复步骤7)获得处在不同恒温箱温度内的，热层析探头内腔温度为tj时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n；j＝1,2,3,…m)数据；
9)将步骤8)获得的处在不同恒温箱温度内的，热层析探头内腔温度为tj时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n；j＝1,2,3,…m)数据进行拟合，获得不同热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)的(D-T)曲线公式：T＝ajD2+bjD+cj，其中aj,bj,cj的值是通过数据拟合得到；
10)获得任一热层析探头内腔温度t的(D-T)曲线公式：T＝atD2+btD+ct，其中at,bt,ct的值是由步骤9)获得的aj,bj,cj通过如下线性数据插值方法得到：
设热层析探头内腔温度t值处于tj<t<tj+1时，
11)温度校准过程结束。
采用本发明，测出恒温箱在不同温度下对应于热层析探头不同内腔温度的一系列黑体辐射温度值T对应的热层析探头探测值D,进行数据拟合获得(D-T)曲线，由(D-T)曲线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。本发明降低或消除了热层析探头内腔温度变化对测温的影响，运用系统温度校准软件实现在不同内腔温度下的热层析探头的准确测温。提高了对热层析探头温度校准结果的精度和可靠性，也使计算方法更简洁。
附图说明
图1是本发明系统结构图，
图2是本发明温度校准步骤流程图，
图3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4是图3中的实验数据拟合后的(D-T)关系曲线，
图5是探头温度校准前后测温效果对比图。
具体实施方式
如图1所示：本发明的加热或制冷单元3采用半导体制冷器，半导体制冷器上装有风扇10，风扇对恒温区加热或制冷进行热交换。
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，适用于耗冷量小和占地空间小的场合。
半导体制冷器的辐射定标模型如下：
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
式中：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。热层析探头的内腔温度效应对热层析探头输出的影响也是一种能量，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。
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，恒温箱2分为恒温区7和控制区8两个独立的区域，热层析探头5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黑体源1的辐射面相对，黑体源为系统提供标准温度，黑体源为一种标准温度设定体，可对其设定目标温度，其温度设定范围为室温至200℃。
两个加热或制冷单元3分别安装并固定于恒温区的箱体两侧，两个加热或制冷单元与热层析探头之间分别通过带小孔的隔板9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层析探头的作用。恒温箱的恒温区箱体设有保温层，起隔热和保温的作用。
温度检测与控制电路12安装并固定于恒温箱的控制区中，恒温箱的作用是用于改变热层析探头的内腔温度。
温度控制单元4采用PID自动控温系统，PID自动控温系统由温度传感器11、温度检测与控制电路12和显示器13组成，温度检测与控制电路分别与温度传感器和显示器相连；热层析探头5接电脑6。
本发明的温度传感器采用热电偶，温度检测与控制电路采用单片机作为CPU来实现PID自动控温。
在本发明实施例中，考虑热层析探头内腔温度对红外热像仪测温的影响，给出了完整的温度校准的过程，并通过电脑上专用的温度校准软件对热层析探头的温度进行校准。
本发明能够精确对热层析探头测温进行校准，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。
参照图2，一种基于黑体的热层析探头的温度检测与校准系统的检测校准方法，具体步骤如下：
1)启动系统，打开黑体电源、恒温箱电源和电脑电源；
2)开启电脑，启动温度检测与校准软件，输入热层析探头信息；
3)系统初始化设置，设定初始黑体辐射温度T1和恒温箱温度t1′；
4)待黑体辐射温度和恒温箱温度处于稳定状态，读取处于恒温箱内的热层析探头内腔温度t1，读取黑体辐射温度T1；
5)采集此时黑体辐射温度T1对应的热层析探头探测值
6)黑体辐射温度按ΔT递增，获得与递增相对应的，热层析探头内腔温度为t1时的热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n)数据；
7)重新设定黑体辐射温度为初始温度T1，恒温箱温度按Δt递增，待恒温箱温度处于稳定状态时读取与递增相对应的处于恒温箱内的热层析探头内腔温度t2；
采集此时与黑体辐射温度T1对应的热层析探头探测值
黑体辐射温度按ΔT递增，获得与递增相对应的，热层析探头内腔温度为t2时的热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n)数据；
8)重复步骤7)获得处在不同恒温箱温度内的，热层析探头内腔温度为tj时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n；j＝1,2,3,…m)数据；
9)将步骤8)获得的处在不同恒温箱温度内的，热层析探头内腔温度为tj时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列(i＝1,2,3,…n；j＝1,2,3,…m)数据进行拟合，获得不同热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)的(D-T)曲线公式：T＝ajD2+bjD+cj，其中aj,bj,cj的值是通过数据拟合得到的。
10)获得任一热层析探头内腔温度t的(D-T)曲线公式：T＝atD2+btD+ct，其中at,bt,ct的值是由步骤9)获得的aj,bj,cj通过如下线性数据插值方法得到：
设热层析探头内腔温度t值处于tj<t<tj+1时，
11)温度校准过程结束。
本发明通过实验测量得到在三个不同温度恒温箱内的，热层析探头内腔温度分别为t1，t2和t3时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度的三组系列数据和(i＝1,2,3,…n)(见图3)。对这三个系列数据分别进行数据拟合，获得热层析探头内腔温度分别为t1，t2和t3时的拟合曲线T＝a1D2+b1D+c1，T＝a2D2+b2D+c2和T＝a3D2+b3D+c3(见图4)。
为了实现热层析探头在任一热层析探头内腔温度t下的高精度辐射测温，基于上述实验获得的三个拟合曲线T＝a1D2+b1D+c1，T＝a2D2+b2D+c2和T＝a3D2+b3D+c3，运用步骤10)的线性插值算法，可得到处于三个热层析探头内腔温度t1，t2和t3之间的，处于任一热层析探头内腔温度t的热层析探头的D-T曲线公式：T＝atD2+btD+ct。
校准过程消除了热层析探头温度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热层析探头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5是通过本发明校准前后得到的测温效果对比图。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。
参照图5，黑体辐射温度稳定为34℃后，本发明接通电源开始测温，横轴为测温时间，纵轴为热层析探头校准前后的测温值。从图5中可以看出，采用本发明校准后的测温效果明显优于校准前的效果。
Claims (5)
1.基于黑体的热层析探头温度检测校准系统，其特征在于：由黑体源,恒温箱，热层析探头，加热或制冷单元，装有温度校准软件的电脑和温度控制单元组成；温度控制单元由温度传感器、温度检测与控制电路和显示器构成；
所述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；热层析探头通过恒温箱上开的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；两个加热或制冷单元与热层析探头之间分别通过带小孔的隔板分开，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；温度检测与控制电路安装并固定于恒温箱的控制区中，恒温箱的恒温区箱体设有保温层；
所述温度控制单元采用PID自动控温系统，PID自动控温系统由温度传感器、温度检测与控制电路和显示器组成；温度检测与控制电路分别与温度传感器和显示器相连；热层析探头与外部电脑连接。
2.根据权利要求1所述的基于黑体的热层析探头温度检测校准系统，其特征在于：黑体源为一种标准温度设定体，温度设定范围为室温至200℃。
3.根据权利要求1所述的基于黑体的热层析探头温度检测校准系统，其特征在于：温度传感器采用热电偶，温度检测与控制电路采用单片机作为CPU。
4.根据权利要求1所述的基于黑体的热层析探头温度检测校准系统，其特征在于：加热或制冷单元采用半导体制冷器，半导体制冷器上装有风扇。
5.权利要求1的基于黑体的热层析探头温度检测校准系统的检测校准方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)启动系统，打开黑体电源、恒温箱电源和电脑电源；
2)开启电脑，启动温度检测与校准软件，输入热层析探头信息；
3)系统初始化设置，设定初始黑体辐射温度T1和恒温箱温度t′1；
4)待黑体辐射温度和恒温箱温度处于稳定状态，读取处于恒温箱内的热层析探头内腔温度t1，读取黑体辐射温度T1；
5)采集此时黑体辐射温度T1对应的热层析探头探测值
6)黑体辐射温度按ΔT递增，获得与递增相对应的，热层析探头内腔温度为t1时的热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列数据；
7)重新设定黑体辐射温度为初始温度T1，恒温箱温度按Δt递增，待恒温箱温度处于稳定状态时读取与递增相对应的处于恒温箱内的热层析探头内腔温度t2；
采集此时与黑体辐射温度T1对应的热层析探头探测值
黑体辐射温度按ΔT递增，获得与递增相对应的，热层析探头内腔温度为t2时的热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列数据；
8)重复步骤7)获得处在不同恒温箱温度内的，热层析探头内腔温度为tj时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列数据；
9)将步骤8)获得的处在不同恒温箱温度内的，热层析探头内腔温度为tj时的，热层析探头探测值与黑体辐射温度Ti的一系列数据进行拟合，获得不同热层析探头内腔温度tj(j＝1,2,3,…m)的(D-T)曲线公式：T＝ajD2+bjD+cj，其中aj,bj,cj的值是通过数据拟合得到；
10)获得任一热层析探头内腔温度t的(D-T)曲线公式：T＝atD2+btD+ct，其中at,bt,ct的值是由步骤9)获得的aj,bj,cj通过如下线性数据插值方法得到：
设热层析探头内腔温度t值处于tj<t<tj+1时，
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11)温度校准过程结束。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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