CN109959454B - 一种用于强光照射表面的红外测温装置、测温方法及应用 - Google Patents
一种用于强光照射表面的红外测温装置、测温方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于强光照射物体表面的红外测温装置、测温方法及应用。主要包括恒温红外吸收罩、强光调制装置和红外辐射测温仪，通过恒温红外吸收罩屏蔽待测物周围的辐射影响，强光调制装置屏蔽强光的辐射影响，再采用红外辐射测温仪进行测温，并结合计算机拟合，最终得到待测物的实际初始温度，有效提高了待测物温度的测量精确度。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种用于强光照射表面的红外测温装置、测温方法及应用。
背景技术
温度是表征物体冷热程度的物理量，目前温度测量的技术手段多种多样，主要分为接触式与非接触式，接触式测温通过测温仪器与被测物相互接触，测温仪探头与被测物达到热平衡后，根据物质的理化特性与温度间的函数关系，测量探头处的理化特性来间接测量被测物温度；非接触式测温通过测量被测物热辐射来间接测量其表面温度。
现代太阳望远镜以提高空间分辨率为主要目标，而空间分辨率受限于衍射极限，必须提高望远镜主镜口径来提升空间分辨率。随着太阳望远镜的口径越来越大，因其聚光能力强，主镜承接的能量被光学系统汇聚成数十平方厘米的光束，能量密度很高，可能会直接造成光电器件乃至机械结构的热损坏，同时光学元件中微小的温度起伏都会影响其像质。为了减轻后端光学系统热压力，大口径太阳望远镜均采用格里高利结构，在M1镜和M2镜之间增加一个实焦点F1，并在此安装视场光阑，亦称为热光阑，将视场外的太阳辐射反射至远离光轴的方向。视场光阑处的局部视宁度对望远镜最终成像效果有着重要影响，视场光阑位于望远镜的焦面上，承受的热载荷最高，产生热致湍流的效应最明显；同时其与像面互为共轭关系，视场光阑发热产生的湍流会引起像面抖动、像面离焦、像质下降等恶劣影响。通过计算机仿真实验表明：需要控制光阑反光面温度，使其温度分布均匀并接近于环境温度,因此对其反光面温度精确测量具有重要意义。
但是，由于光阑体位于望远镜焦点F1处，其反光面承受能量密度极高，反光面的温度场测量很困难。原因是：1、接触式测温：测温装置吸收率高于光阑反射面，受光照后其温度也高于反射面，温度测量值比表面实际温度值高，且在强光照射下其自身易被烧化；若是将测温装置安装在反光面背部，由于反光面背部是密闭结构，通有冷却水，也无法安装测温装置，且背面温度低于反光面温度无法反映反光面温度分布状况。2、非接触式测温，主要是红外辐射测温，通过测量被测物自身热辐射来间接测量其温度，亦有两个问题需要解决，首先是测温同时有高能量密度注入，虽然光阑体反光面具有较高反射率，其反射特性接近于镜面，但在强光照射情况下其漫射光依旧很强；若漫射光波段不在红外热像仪测温波段范围，则漫射光不会影响热像仪对目标热辐射的测量，但光阑体反光面的漫射光为太阳光，根据普朗克黑体公式，太阳光在全波段辐亮度约为5800k黑体辐亮度，而热光阑自身温度约为300k，太阳热辐射辐亮度远强于光阑体热辐射辐亮度，用热像仪测量光阑体热辐射强度时，强烈的太阳杂散光噪声掩盖了光阑体的热辐射信号，无法直接用该方法进行测温。其次是测温过程中易受到周围环境杂散光干扰，光阑体反光面具有较高反射率，其光洁度是一个相对的概念，在热像仪工作的红外波段相比较于可见光波段有更高的光洁度，光洁表面辐射率低、反射率高；因此，测量系统接收到的辐射信号，来自待测物的少而来自周围环境的多。其反射特性接近于镜面，易将周围环境热辐射反射进热像仪，最终影响热像仪对其测温的准确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于强光照射表面的红外测温装置及测温方法，强光照射表面诸如太阳望远镜的视场光阑表面、高功率激光照射表面、电焊焊接金属表面等，解决目前的测温技术手段对于强光照射的物体表面测温困难，且测温不准确的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于强光照射物体表面的红外测温装置，包括恒温红外吸收罩、强光调制装置和红外辐射测温仪，所述强光调制装置包括调制盘和控制系统，所述恒温红外吸收罩包括顶部开口的凹槽状壳体，内腔中设有待测物，所述调制盘位于待测物上方；
所述调制盘为圆形盘体，且圆心位置连接转轴，所述转轴通过电机驱动，电机与所述控制系统连接，通过转轴可带动所述调制盘旋转；所述调制盘表面中部的一半区域为镂空的通光区域，另一半为实心的遮光区域，且在所述调制盘边缘的通光区域和遮光区域的交界处设置感应装置，所述感应装置和控制系统连接，所述控制系统与所述红外辐射测温仪连接；位于所述调制盘上方的强光束穿过通光区域对待测物进行照射，使待测物升温，当升温至稳态时，控制系统控制电机驱动所述调制盘快速旋转，同时感应装置将感应信号传输至控制系统，控制系统控制所述红外辐射测温仪开始测温。
进一步地，所述感应装置为设置在调制盘边缘上的行程开关，当调制盘开始旋转，行程开关给出控制系统触发信号，当控制系统接收到触发信号的同时，控制所述红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段后得到测量温度值。
进一步地，所述恒温红外吸收罩的壳体侧壁内部开设一圈水冷腔，水冷腔上开设进水口和出水口，形成循环水冷管路，对所述恒温红外吸收罩进行温控。
进一步地，所述恒温红外吸收罩的壳体内腔表面涂覆全吸收涂层，且表面设置多条消光螺纹，使壳体内腔表面呈锯齿状。
进一步地，所述恒温红外吸收罩顶部两侧边的高度不同，使恒温红外吸收罩的顶部开口端面形成倾斜面。
进一步地，所述调制盘的表面镀高反射率膜。
一种用于强光照射表面的红外测温装置的测温方法，包括如下步骤：
步骤1:使强光束穿过调制盘上的通光区域对待测物进行照射，使待测物的温度达到稳态；
步骤2：控制系统控制转轴，使调制盘开始旋转，当调制盘开始旋转，行程开关给出控制系统触发信号，当控制系统接收到触发信号的同时，控制所述红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段d后，得到待测物降温过程中多个温度点值T和对应的时间t；
步骤3：将步骤2中得到的多个温度点值T和对应的时间t，以及预设的时间d值，结合公式T＝ΔT0 *exp(-(t+d)/τ)+Ta，通过计算机拟合，得到由函数关系式表达出的降温曲线，并由计算机输出τ、Ta和ΔT0值；
步骤4：将步骤3中得到的ΔT0和Ta值带入公式T0＝ΔT0+Ta中，计算得到T0值，即为待测物表面的实际温度值。
本发明的一种用于强光照射表面的红外测温装置的测温方法在太阳望远镜光阑体表面温度测量、强激光烧蚀物体表面温度测量和金属焊接物体表面温度测量中的应用。
对于光洁表面如镜面的测温，是辐射测温公认的难点。光洁表面辐射率低、反射率高；因此，测量系统接收到的辐射信号，来自待测物的少而来自周围环境的多。因此，本发明中设置的恒温红外吸收罩目的就是控制、排除周围环境的辐射干扰。吸收罩的内腔中涂覆全吸收涂层，同时在内腔中设置多条消光螺纹，涂层让罩子的辐射特性等同黑体，它的辐射与周围无关，也不反射环境辐射，使待测物的辐射仅随温度变化。另外，在测温时，吸收罩本身的辐射可作为定量进行扣除。
另外，待测物，例如太阳望远镜的光阑，需要在有强烈太阳光照射条件下测温，这是辐射测温工作的又一个难点。因为，红外辐射测温是通过捕获待测物辐射出的红外信号实现的，太阳光中包含测量需要的信号波段，并且是远远大于待测物自身信号强度的，只要有少许太阳光被反射进入测试系统，就是压倒性的干扰。因此，本发明设置了强光调制装置。调制装置可控制太阳光，待光阑升温并达到稳定时，调制装置挡住阳光，同时给出触发信号，辐射测温仪开始测量光阑的温度。
而由于调制装置的调制盘在遮挡太阳光时，并不是一瞬间完全将太阳光的光斑完全遮挡。另一方面，红外辐射测温仪探测红外波段信号，红外波段光子信号弱，为了保证信噪比，红外辐射测温仪需保证一定的积分时间，即曝光时间，测温仪无法进行瞬时测量，这会导致测量值与待测物的实际温度值有误差。因此，考虑到调制盘的遮挡时间和红外辐射测温仪的曝光时间内的温度变化，本发明在控制系统接收到触发信号时，控制红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段d后，得到测量温度点值，最终根据理论分析和计算机拟合，得到待测物实际的最初温度。因此，预设时间d值为解决不可控因素而引入的时间值。其中，当调制盘的转速足够快时，可忽略强光光斑被逐渐遮挡过程中对测量的干扰，即忽略逐渐遮挡过程中的待测物温度降低变化值。
通过从原理上推导温度变化规律，证明只测量降温曲线就能反推实际初始温度：
根据牛顿冷却定律，物体与环境间的热流关系式为：F＝hAs(T(t)-Ta)，公式1。其中F为物体与环境间传输的热流量，向环境释放热量定义为正，从环境吸收热量定义为负；h为热传导系数；AS为传热表面积；T(t)为物体随时间变化的温度；Ta为环境温度。
物体受强光照射吸收热量后温度升高，假设该热量不随时间变化，根据公式1，物体向环境释放热量随之增加；当物体受强光照射吸收到的热量与物体向环境释放的热量相等时，达到稳态热平衡，其温度不随时间发生变化；当强光被屏蔽后，待测物经过一段时间的暂态过程，温度逐渐降低，最终与环境温度一致，达到新的稳态热平衡。考虑该降温暂态过程，在强光被屏蔽后，待测物自身无法获得外界热量情况下，待测物向环境释放的热流与其温度变化率有关，关系式为：
当物体向外界释放热量时，F为正值；同时其温度降低，
为负值，故该式中有负号；ρVCp为物体的热容量，其中ρ为物质的密度；V为物体体积；Cp为物质的比热容，比热容定义为单位质量的物体在每单位温度变化过程中与外界交换了多少热量；热容量定义为一定质量的物体在每单位温度变化过程中与外界交换了多少热量，描述了物体储存热量的能力、物体与外界交换热量后其温度变化程度；若物体热容量越大，其储存热量的能力越强，其与外界交换热量后温度的变化越小。该式可理解为内部无热源的物体，向环境中释放的热量为其热容ρVCp乘以温度随时间的变化率
联立公式1、公式2两式，得：
令
将公式3整理得
定义ΔT＝(T(t)-Ta)，并认为环境温度Ta不随时间改变，则有
可推出下式：
该方程为一阶齐次线性微分方程；初始条件为当t＝0时，ΔT＝ΔT0，此时刻切断强光对物体照射，物体向环境释放热量开始降温，解该方程得：
ΔT(t)＝ΔT0e-t/τ 公式6
公式6描述了处于恒温环境中的物体，若其接收到外界能量后温度比环境高ΔT0；当切断了外界提供给它的热量后，物体与环境间的温差ΔT是时间t的指数函数。
上述公式6中，为假设调制盘遮挡强光的速度足够快，且红外辐射测温仪在接收到控制系统的测温信号的瞬间就开始测温的理想状态。而实际测温操作中，并不能够完全忽略调制盘的转速和红外辐射测温仪曝光时间段带来的温度变化，因此，公式6中求得的初始温度与实际的初始温度有一定误差。因此，由红外辐射测温仪测量待测物的的降温过程，拟合降温曲线掌握系统极温和温变时间常数，实现测温。
在实测中，考虑到环境温度和预设的时间d值，可将公式6变形为T＝ΔT0 *exp(-(t+d)/τ)+Ta 公式8。
公式8中，T＝ΔT0 *exp(-(t+d)/τ)+Ta，T为红外辐射测温仪测量的温度值，t为对应的时间值，ΔT0为待测物与环境的初始温差，d为预设时间值，τ为时间常数，Ta为环境温度。其中，τ和Ta值可由计算机拟合得到，d为输入控制系统中的预设时间，由上述公式8,可拟合得到待测物与环境的初始温差ΔT0，最终通过公式：T0＝ΔT0+Ta公式9，反推得到待测物的实际初始温度。
本发明的一种用于强光照射物体表面的红外测温装置及测温方法，应用于强光照射物体的表面测温，例如太阳望远镜光阑体表面的温度测量。本发明经过分析计算，并结合计算机数据拟合，最终得到待测物的实际初始温度，解决了目前的测温技术手段对于强光照射的物体表面测温困难，且测温不准确的技术问题，有效提高了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的测温装置结构示意图；
图2是本发明的恒温红外吸收罩的结构示意图；
图3是本发明的调制盘结构示意图；
图4是灰度图中数据点选择位置图；
图5是数据拟合结果图；
图6是温度场的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的一种用于强光照射物体表面的红外测温装置，包括恒温红外吸收罩1、强光调制装置和红外辐射测温仪，强光调制装置包括调制盘2和控制系统3，上述恒温红外吸收罩1包括顶部开口的凹槽状壳体，内腔中设有待测物，调制盘2位于待测物上方。
上述调制盘2为圆形盘体，且圆心位置连接转轴，所述转轴通过电机驱动，电机与所述控制系统3连接，通过转轴可带动所述调制盘2旋转；所述调制盘2表面中部的一半区域为镂空的通光区域，另一半为实心的遮光区域，且在所述调制盘2边缘的通光区域和遮光区域的交界处设置感应装置，所述感应装置和控制系统3连接，所述控制系统3与所述红外辐射测温仪4连接；位于所述调制盘2上方的强光束穿过通光区域对待测物进行照射，使待测物升温，当升温至稳态时，控制系统控制电机驱动所述调制盘2快速旋转，同时感应装置将感应信号传输至控制系统3，控制系统控制所述红外辐射测温仪4开始测温，如图1-3所示。
本实施方式中，上述感应装置为设置在调制盘边缘上的行程开关，当调制盘开始旋转，行程开关给出控制系统触发信号，当控制系统接收到触发信号的同时，控制所述红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段后得到测量温度值。
上述行程开关给出控制系统触发信号，此触发信号对应的是强光束开始被遮挡的瞬间。
本实施方式中，上述恒温红外吸收罩1的壳体101侧壁内部开设一圈水冷腔103，水冷腔103上开设进水口和出水口，形成循环水冷管路，对恒温红外吸收罩进行温控。
上述恒温红外吸收罩1的壳体101内腔表面涂覆全吸收涂层，且表面设置多条消光螺纹102，使壳体内腔表面呈锯齿状，其目的是让内腔表面辐射特性接近于黑体，它的辐射与周围环境无关，也不反射环境辐射。另外，上述壳体形状大小主要由屏蔽一次辐射的要求所决定，根据几何光学原理进行设计，壳体101应在不挡住测温仪视场情况下完全遮挡周围环境辐射。如图1所示，壳体应在测温仪观察方向高度稍低一些，避免挡住测温仪视场；而在背离观察方向稍高些，达到较好屏蔽周围环境热辐射的作用。因此，上述恒温红外吸收罩1顶部两侧边的高度不同，使恒温红外吸收罩的顶部开口端面形成倾斜面。
上述调制盘2的表面镀高反射率膜，避免调制盘遮挡强光束的表面温度过高。同时调制盘应安装在适当位置，将强光反射后远离测量光路。
实施例2
本实施例的一种用于强光照射表面的红外测温装置的测温方法，包括如下步骤：
步骤1:使强光束穿过调制盘上的通光区域对待测物进行照射，使待测物的温度达到稳态；
步骤2：控制系统控制转轴，使调制盘开始旋转，当调制盘开始旋转，行程开关给出控制系统触发信号，当控制系统接收到触发信号的同时，控制所述红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段d后，得到待测物降温过程中多个温度点值T和对应的时间t；
步骤3：将步骤2中得到的多个温度点值T和对应的时间t，以及预设的时间d值，结合公式T＝ΔT0 *exp(-(t+d)/τ)+Ta，通过计算机拟合，得到由函数关系式表达出的降温曲线，并由计算机输出τ、Ta和ΔT0值；
步骤4：将步骤3中得到的ΔT0和Ta值带入公式T0＝ΔT0+Ta中，计算得到T0值，即为待测物表面的实际温度值。
上述步骤中，具体地，开始正式测温前先预测量时间常数b，该过程只需计算机拟合求解，不需测时间d值。另外，调制盘遮挡强光速度应足够快，遮挡时间应远小于时间常数b，足够快地遮挡才可忽略强光光斑被逐渐遮挡过程中对测量的干扰，即忽略逐渐遮挡过程中的温度降低变化。
步骤1中，强光照射的时间应长于5倍的时间常数b，才可认为温度到达稳态(99.3％)。
实验分析：
通过实施例1和实施例2，选取待测物为太阳望远镜热光阑，该次实验光阑体冷却水流量为0.63L/min。
热像仪(红外辐射测温仪)系统定标相关环境参数为：
辐射率0.5；探测距离0.6m；反射环境温度13℃；相对湿度45％；大气温度16℃。
本次实验按照发明内容的方法进行，将太阳光汇聚到光阑体表面将其加热至稳态，控制系统控制调制盘和红外测温装置在强光被屏蔽后进行测温，本次实验中预设d值为0.3s，测温装置为红外热像仪，采取录制灰度视频方式记录数据。从灰度视频中选取如图4所示靠右白点位置(靠左白点为光阑通光孔)处采集数据处理，在该点选取3×3个像素的小区域内的温度值进行平均，其温度变化曲线如图5黑点所示。
进一步地，将图5中实测数据(黑点)进行拟合,得到相关拟合曲线，如图5曲线所示。将相关数据代入T＝ΔT0 *exp(-(t+d)/τ)+Ta 公式8，得各参数拟合结果；在拟合前已将d＝0.3s代入，故公式8变形为：
f(x)＝a*exp(-(x+0.3)/b)+c
其中，由于计算机输入代码过程中不能输入特殊符号，这里a相当于ΔT0，b相当于τ，c相当于环境温度Ta，d值为0.3s已经代入，x相当于开始测量以后的时刻t，y相当于实测温度数据T。
待定系数为:
a＝47.14(44.77,49.51)
b＝0.5543(0.5157,0.5928)
c＝16.94(16.5,17.38)
由拟合结果可得知本次实验过程中，在该位置处，光阑体温升47.14℃，时间常数0.5543s，环境温度16.94℃。
本试验模拟了与试验条件比较相似的情况，温度场的仿真结果如图6所示，在对应的位置处，温度升高大约是50℃；发现实验结果与仿真结果大致吻合。由此，本发明实现了实测值与仿真结果间的彼此验证。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种用于强光照射表面的红外测温装置，其特征在于：包括恒温红外吸收罩、强光调制装置和红外辐射测温仪，所述强光调制装置包括调制盘和控制系统，所述恒温红外吸收罩包括顶部开口的凹槽状壳体，内腔中设有待测物，所述调制盘位于待测物上方；
所述调制盘为圆形盘体，且圆心位置连接转轴，所述转轴通过电机驱动，电机与所述控制系统连接，通过转轴可带动所述调制盘旋转；所述调制盘表面中部的一半区域为镂空的通光区域，另一半为实心的遮光区域，且在所述调制盘边缘的通光区域和遮光区域的交界处设置感应装置，所述感应装置和控制系统连接，所述控制系统与所述红外辐射测温仪连接；位于所述调制盘上方的强光束穿过通光区域对待测物进行照射，使待测物升温，当升温至稳态时，控制系统控制电机驱动所述调制盘快速旋转，同时感应装置将感应信号传输至控制系统，控制系统控制所述红外辐射测温仪开始测温。
2.根据权利要求1所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置，其特征在于：所述感应装置为设置在调制盘边缘上的行程开关，当调制盘开始旋转，行程开关给出控制系统触发信号，当控制系统接收到触发信号的同时，控制所述红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段后得到测量温度值。
3.根据权利要求1所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置，其特征在于：所述恒温红外吸收罩的壳体侧壁内部开设一圈水冷腔，水冷腔上开设进水口和出水口，形成循环水冷管路，对所述恒温红外吸收罩进行温控。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置，其特征在于：所述恒温红外吸收罩的壳体内腔表面涂覆全吸收涂层，且表面设置多条消光螺纹，使壳体内腔表面呈锯齿状。
5.根据权利要求4所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置，其特征在于：所述恒温红外吸收罩顶部两侧边的高度不同，使恒温红外吸收罩的顶部开口端面形成倾斜面。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置，其特征在于：所述调制盘的表面镀高反射率膜。
7.如权利要求1至6任意一项所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置的测温方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1:使强光束穿过调制盘上的通光区域对待测物进行照射，使待测物的温度达到稳态；
步骤2：控制系统控制转轴，使调制盘开始旋转，当调制盘开始旋转，行程开关给出控制系统触发信号，当控制系统接收到触发信号的同时，控制所述红外辐射测温仪开始测温，并在间隔预设时间段d后，得到待测物降温过程中多个温度点值T和对应的时间t；
步骤3：将步骤2中得到的多个温度点值T和对应的时间t，以及预设的时间d值，结合公式T＝ΔT0 *exp(-(t+d)/τ)+Ta，通过计算机拟合，得到由函数关系式表达出的降温曲线，并由计算机输出τ、Ta和ΔT0值；
步骤4：将步骤3中得到的ΔT0和Ta值带入公式T0＝ΔT0+Ta中，计算得到T0值，即为待测物表面的实际温度值；
其中，T为红外辐射测温仪测量的温度值，t为对应的时间值，ΔT0为待测物与环境的初始温差，d为预设时间值，τ为时间常数，Ta为环境温度。
8.如权利要求7所述的一种用于强光照射表面的红外测温装置的测温方法在太阳望远镜光阑体表面温度测量、强激光烧蚀物体表面温度测量和金属焊接物体表面温度测量中的应用。
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