CN111044156B - 一种光学快门式非调制红外测温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光学快门式非调制红外测温系统及方法，即在红外测温系统的基础上增加快门结构及相关控制的方法，既可以克服机械调制型红外测温系统结构复杂、抗震性差的缺点，又可以实时补偿非调制型红外测温系统的漂移误差。其中所增加的快门装置置于红外测温系统的光路中，微处理器及相关电路控制快门处于闭合状态，获取系统漂移值；控制快门处于开启状态，进行外部目标红外辐射能量测量，软件算法补偿后可以获得准确的温度值。该方法通过控制快门实时测量由大气辐射的能量引起的系统偏移电压，以及红外探测器和调理电路暗电流、漂移和各种环境噪声等因素所引起的漂移电压，消除其对温度测量结果的影响，提高了测温准确度并可长时间保持高精度。
Description
技术领域
本发明涉及温度测定技术领域，具体地，涉及一种光学快门式非调制红外测温系统及方法。
背景技术
红外测温技术是一种常见的温度测定技术，该技术采用非接触测温法，拥有不干扰温场、响应速度快等优点，满足了工业在线检测工作的需求。
但任何形式的红外测温装置，均存在由大气辐射的能量引起的系统偏移电压及探测器暗电流、漂移和各种环境噪声等装置自身因素所引起的系统漂移电压，以下将上述误差简称为系统误差e，需要消除其影响，才能保证测量结果的准确度。
现有红外测温产品的主流解决方案可以分为两种：一种为调制盘结构，即采用调制盘/斩波器结构，与步进电机配合来消除系统误差e；另一种则是采用光学分光的方法，在出厂之前对系统进行标定，并提供一定的参照表或者拟合的环境温度与偏移电压之间的曲线关系，来消除系统误差e对测量结果的影响。但调制型红外测温仪驱动调制盘所用的步进电机增加了仪器的体积和结构的复杂性，并削减了系统的抗震性；而非调制型红外测温仪则不能实时准确的测量系统误差e。因此，现有技术还有待于改进和发展。
而本发明提出在原有红外测温系统的光路基础上增加光学快门结构的方法，可以有效的解决上述问题，既可以克服调制型红外测温系统的缺点，又可以实时测量系统误差e，从而消除其对结果的影响，且在系统装置老化或工艺参数发生变化时，仍可以使用本发明所提出的光学快门式非调制红外测温装置进行系统误差e的测量，以满足不同的复杂和变化的工况条件。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学快门式非调制红外测温系统及方法。
根据本发明提供的一种光学快门式非调制红外测温系统，包括光学快门102、光学系统以及微处理器，其中：所述光学系统包括透镜103、分光镜104、第一滤波片105以及第二滤波片107,在第一滤波片105和第二滤波片107的后侧分别放置有第一红外探测器106和第二红外探测器108，第一红外探测器106和第二红外探测器108电连接微处理器。
优选地，所述光学快门102的开启和关闭通过微处理器或者外部信号控制。
优选地，被测物体辐射的能量通过透镜103聚焦到分光镜104上，分光镜104将光线分为两部分，一部分经由第一滤波片105被第一探测器106吸收测量，另一部分则经由第二滤波片107被第二探测器108吸收。
优选地，通过第一红外探测器106和第二红外探测器108检测的数据测量系统误差e，用于补偿工作，所述补偿工作的公式包括：
U1＝U11-U10
U2＝U21-U20
其中：U11和U21分别为第一红外探测器106和第二红外探测器108在光学快门打开状态得到的电压值，U10和U20分别为第一红外探测器106和第二红外探测器108在光学快门闭合状态得到的电压值，即系统误差e所产生的电压值，U1和U2为被测物体所辐射的能量对应的实际电压值；两路信号的比值RT和T之间的函数关系是通过标定建立的，T表示绝对温度，单位为K。
根据本发明提供的基于上述光学快门式非调制红外测温系统的光学快门式非调制红外测温，包括如下步骤：
步骤S101，判断是否需要补偿系统误差e，从而控制光学快门102的开闭状态；
步骤S102，当光学快门102打开时，被测物体辐射的能量经由透镜103、分光镜104、第一滤波片105以及第二滤波片107，最终由第一红外探测器106和第二红外探测器108获得；当光学快门闭合时，获得所需消除的系统误差e；
步骤S103，第一红外探测器106和第二红外探测器108将获得的能量进行信号转换，获得相应的电信号；
步骤S104，获得的电信号经过信号处理、AD转换进入微处理器；
步骤S105，微处理器对信号进行算法处理分析，最终将结果显示输出。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过在传统红外测温光路基础上增加光学快门结构，精准测量系统误差e，消除了大气辐射的能量及探测器暗电流、漂移和各种环境噪声等装置自身因素对测量结果的影响，使得测量准确度得到提高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的光学快门打开时的红外测温光学系统示意图；
图2为本发明实施例的测量系统偏移电压时的红外测温光学系统示意图；
图3为本发明实施例的红外测温光学系统的示意图；
图4为本发明实施例的红外测温光学系统的机械结构示意图；
图5为本发明实施例的红外测温光学系统的工作流程图。
图中示出：
被测物体 101
光学快门 102
透镜 103
分光镜 104
第一滤波片 105
第一红外探测器 106
第二滤波片 107
第二红外探测器 108
光学快门安装点位 201
透镜安装点位 202
分光镜安装点位 203
第一滤波片安装点位 204
第二滤波片安装点位 205
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，根据本发明提供的一种光学快门式非调制红外测温系统及方法，在传统红外测温光学系统中增加光学快门102，通过对其开闭状态的控制，实现对系统误差进行实时准确的测量，具体的，本发明包括光学快门102、透镜103、分光镜104、第一滤波片105、第一红外探测器106、第二滤波片107、第二红外探测器108、微处理器、AD转换器，其中：光学快门102可放置于红外测温系统的光路中的任何位置，一旦光学快门102闭合，将阻止光学快门102之前的物体所辐射的能量进入测量系统中；光学快门102为常开状态，只在需要补偿系统误差e时，才会控制光学快门102闭合。透镜103实现聚焦功能，第一滤波片105、第二滤波片107用于实现滤波作用，第一红外探测器106、第二红外探测器108实现测量工作。被测物体辐射的能量通过透镜103聚焦到分光镜104上，分光镜104将光线分为两部分，一部分经由第一滤波片105被第一红外探测器106吸收测量，另一部分则经由第二滤波片107被第二红外探测器108吸收，两路信号各自经过转换和信号处理后做比值处理模拟目标温度变化。
根据优选例，所述光学快门102可以选择中心光学快门，即叶片光学快门，由若干金属薄片组成，类似于光圈，用于阻挡被测物体辐射的能量。光学快门102可放置于红外测温光路的任何位置，但是当置于透镜前侧时，可尽可能多的包含测量系统内部各物体辐射的能量，效果最佳。本发明的分光镜104可以采用透射与反射比为50/50的中性分束镜；红外测温光路的距离系数可以选择为100:1，近似于点光源辐射；红外测温系统的光路获得的能量可以由InGaAs光电探测器进行光电转换，其所能探测的光斑规格选取为2.4mm*2.4mm。
本发明中，一旦需要测量并补偿系统误差e对测量结果产生的影响时，控制光学快门102闭合，探测器将测得系统误差e，用于后续补偿工作。
上述补偿工作所采用的公式为：
U1＝U11-U10
U2＝U21-U20
其中，U11和U21为第一红外探测器106和第二红外探测器108在光学快门打开状态得到的电压值，U10和U20为第一红外探测器106和第二红外探测器108在光学快门闭合状态得到的电压值，即系统误差e所产生的电压值，U1和U2为被测物体所辐射的能量对应的实际电压值。而两路信号的比值和T之间的函数关系是通过标定建立的。
基于上述实施例，根据本发明实施例的红外测温光学系统的示意图和机械结构示意图，如图3和图4所示，光学快门102及红外测温光学系统的各部分的安装位置为：将光学快门102放置于光学快门安装点位201，将透镜103安装于透镜安装点位202，将分光镜104安装于分光镜安装点位203,将第一滤波片105和第二滤波片107分别安装在第一滤波片安装点位204和第二滤波片安装点位205，并贴紧第一红外探测器106和第二红外探测器108。
如图5所示，本发明的光学快门式非调制红外测温系统的工作过程主要包括：
步骤S1：判断是否需要补偿系统误差e，从而控制光学快门102的开闭状态；
步骤S2：当光学快门102打开时，被测物体辐射的能量经由红外测温仪光学系统的透镜聚焦、分光镜分束及滤波片的滤波作用，最终由两个不同位置的探测器获得；当光学快门闭合时，系统获得的即为所需消除的系统误差e；
步骤S3：上述探测器将获得的能量进行信号转换，获得相应的电信号；
步骤S4：上述获得的电信号经过信号处理、AD转换等进入微处理器；
步骤S5：上述微处理器对信号进行进一步算法处理分析，最终将结果显示输出。
本发明通过光学快门结构与传统红外测温光路相结合，精准测量系统误差e，消除了大气辐射的能量及探测器暗电流、漂移和各种环境噪声等装置自身因素对测量结果的影响，可以使测量准确度得到提高。通过光学系统设计仿真软件进行光学器件参数的设计、传统红外测温系统光路的构建，然后利用光学系统设计仿真软件对光学系统的性能进行分析以保证所设计的光学系统的可实现性与可靠性。
最后，本发明实施例中的装置仅为以光学快门式双色非调制红外测温装置为例的较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围：其中，红外测温系统可以为任何红外测点温的系统，包括但不限于单色测温系统、双色测温系统、多光谱测温系统和全辐射测温系统；所增加的光学快门结构可以为任何光学快门结构，或者任何可实现相同作用的相关装置；光学快门结构(201)可以放置于红外测温的光学系统的任何位置，不限于红外测温仪最前侧；其中置于红外测温仪光学系统最前侧，效果最佳。光学快门结构(201)的开闭状态可以来自红外测温系统内置MCU控制，也可以由外部信号控制。红外测温系统可参照本方案实施。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种光学快门式非调制红外测温系统，其特征在于，包括光学快门(102)、光学系统以及微处理器，其中：所述光学系统包括透镜(103)、分光镜(104)、第一滤波片(105)以及第二滤波片(107),在第一滤波片(105)和第二滤波片(107)的后侧分别放置有第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)，第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)电连接微处理器；
通过第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)检测的数据测量系统误差e，用于补偿工作，所述补偿工作的公式包括：
U1＝U11-U10
U2＝U21-U20
其中：U11和U21分别为第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)在光学快门打开状态得到的电压值，U10和U20分别为第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)在光学快门闭合状态得到的电压值，即由系统误差e产生的电压值，U1和U2为被测物体所辐射的能量对应的实际电压值；两路信号的比值R(T)和T之间的函数关系是通过标定建立的，其中，T表示绝对温度，单位为K。
2.根据权利要求1所述的光学快门式非调制红外测温系统，其特征在于，所述光学快门(102)的开启和关闭通过微处理器或者外部信号控制。
3.根据权利要求1所述的光学快门式非调制红外测温系统，其特征在于，被测物体辐射的能量经过光学快门由透镜(103)聚焦到分光镜(104)上，分光镜(104)将光线分为两部分，一部分经由第一滤波片(105)被第一红外探测器(106)吸收测量，另一部分则经由第二滤波片(107)被第二红外探测器(108)吸收。
4.一种基于权利要求1-3所述的光学快门式非调制红外测温系统的光学快门式非调制红外测温方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101，判断是否需要补偿系统误差e，从而控制光学快门(102)的开闭状态；
步骤S102，当光学快门(102)打开时，被测物体辐射的能量经由透镜(103)、分光镜(104)、第一滤波片(105)以及第二滤波片(107)，最终由第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)获得；当光学快门闭合时，获得所需消除的系统误差e；
步骤S103，第一红外探测器(106)和第二红外探测器(108)将获得的能量进行信号转换，获得相应的电信号；
步骤S104，获得的电信号经过信号处理、AD转换进入微处理器；
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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