CN111964793A - 一种旋转式双波长激光测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种旋转式双波长激光测温装置，其包括：第一激光发生器和第二激光发生器，激光调制器，所述激光调制器与所述第一激光发生器和第二激光发生器连接；第一旋转卡盘，可360°旋转和在特定位置固定，所述第一、第二激光发生器和激光调制器安装在所述第一旋转卡盘上；第二旋转卡盘，可360°旋转和在特定位置固定，其上安装第一、第二热效应探测器和信号放大器。本装置可摆脱传统辐射测温方法对被测物体表面发射率的依赖，并进一步减少了光学元件的数量，可有效降低光学系统的复杂性、提高温度测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及辐射测温技术领域，尤其涉及一种旋转式双波长激光测温装置。
背景技术
辐射测温方法是一种重要的温度测量手段，其非接触的测量特性使得对测量目标的温度场影响较小且理论上没有测温上限。常见的辐射测温仪已在生活、生产、科研等方面得到广泛应用，主要种类有亮度温度计、全辐射温度计和比色温度计等。但是，传统测量方法需事先已知待测对象的表面发射率，测量精度受制于测量对象表面发射率的精确获取，对于低发射率物体的温度测量影响尤为明显。
为摆脱发射率的限制，基于双波长的辐射测温技术得到了关注和发展。该方法通过对激光光源系统和双波长辐射测量系统进行协同控制，使得开展辐射测温时不需要事先已知被测物体表面发射率。但是现有装置为满足双波长激光发射器和接收器的间歇交替工作，往往配套设计了较为复杂的光学系统以传递激光和辐射能，涉及到的光学元件种类和数量也较多，影响了测量精度的进一步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转式双波长激光测温装置，通过旋转卡盘的应用，满足双波长激光发射器和接收器间歇交替运行的需求，解决了现有双波长激光测温装置光学系统过于复杂的问题。
为了实现上述目的，一种旋转式双波长激光测温装置，其包括：
第一旋转卡盘，可360°旋转和在特定位置固定；
第二旋转卡盘，可360°旋转和在特定位置固定；
激光调制器与第一激光发生器和第二激光发生器连接，并固定于第一旋转卡盘；
放大器与第一光热效应探测器和第二光热效应探测器连接，并固定于第二旋转卡盘；
所述第一激光发生器，其产生具有第一波长的第一激光；
所述第二激光发生器，其产生具有第二波长的第二激光；
所述第一光热效应探测器和第二光热效应探测器两种波长的光信号转化成热信号；
所述放大器将来自第一光热效应探测器和第二光热效应探测器的信号进行放大；
所述计算电路将电信号转换为温度数值；
所述显示仪表用于显示温度测量数值；
所述装置还包括光学系统，所述光学系统包括物镜、第一准直透镜组、第二准直透镜组、第一滤光片和第二滤光片；
所述装置还包括恒温系统，用于维持第一滤光片和第二滤光片的温度恒定。
其中，所述激光调制器与第一激光发生器和第二激光发生器连接，并固定于第一旋转卡盘上，组成激光发射模块。通过调节第一旋转卡盘，可分别将第一激光发生器和第二激光发生器调整至激光发射位置，在激光调制器的控制下发出相应的激光束至目标表面，其中：
所述第一激光发生器具备光纤输出功能，输出激光中心波长范围800～1700nm，输出功率7～13W；
所述第二激光发生器具备光纤输出功能，输出激光中心波长范围800～1700nm，输出功率7～13W；
所述激光调制器通过函数发生器输出高低电平信号直接控制激光器的供电，实现所需频率的调制功能。
其中，所述放大器与第一光热效应探测器和第二光热效应探测器连接，并固定于第二旋转卡盘上，整体可作为辐射接收模块。通过调节第二旋转卡盘，可分别将第一光热效应探测器和第一光热效应探测器调整至辐射接收位置，接收来自目标表面的辐射信号并将其转化为电信号，该信号随后经放大系统进行放大，其中：
所述放大器包括低噪声放大器和锁相放大器。
其中，物镜、第一准直透镜组、第二准直透镜组、第一滤光片和第二滤光片等的组合可作为光学系统，用于传递目标表面发射的辐射能，其中：
所述第一滤光片工作中心波长范围800～1700nm，带宽为5～50nm，与第一准直透镜组配合，使得只有第一波长附近的辐射能传递至第一光热效应探测器；
所述第二滤光片工作中心波长范围800～1700nm，带宽为5～50nm，与第二准直透镜组配合，使得只有第二波长附近的辐射能传递至第二光热效应探测器。
其中，所述恒温系统具有温度探测设备和控温程序，能实现滤光片温度的实时测量与控制。
本发明提供一种旋转式双波长激光测温装置，通过将激光发射相关设备和辐射接收相关设备分别集成与两个旋转卡盘，借助卡盘的旋转与定位满足双波长激光发射和接收的间歇交替运行的需求，显著减少了光学元件的种类和数量，从而有效简化了光学系统。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例的一种旋转式双波长激光测温装置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
图1为本发明实施例的基于光热效应的双波长主动式激光测温装置示意图。如图1所示，该测温装置包括：第一旋转卡盘1，其能够实现360°旋转，并且所述第一旋转卡盘1能够旋转至在特定位置进行固定，所述特定位置为360°旋转范围内任意的位置；第二旋转卡盘2，其能够实现360°旋转，并且所述第二旋转卡盘2能够旋转至在特定位置进行固定，所述特定位置为360°旋转范围内任意的位置；激光调制器3，所述激光调制器3与所述第一激光发生器1和第二激光发生器2连接；第一激光发生器4，产生具有第一波长的第一激光；第二激光发生器5，产生具有第二波长的第二激光；第一光热效应探测器6和第二光热效应探测器7，分别将两种波长的光信号转化成热信号；放大器8，将来自第一光热效应探测器6和第二光热效应探测器7的信号进行放大；计算电路9，将电信号转换为温度数值；显示仪表10，用于显示温度测量数值；物镜11、第一准直透镜组12、第二准直透镜组13、第一滤光片14和第二滤光片15的组合可被定义为光学系统，所述光学系统不局限于上述几个光学元件，可适当增加或减少；该光学系统用于接收目标表面发出的辐射能；所述测温装置还包括恒温系统，用于维持第一滤光片14和第二滤光片15的温度恒定。
如图1所示，所述激光调制器3与第一激光发生器4和第二激光发生器5连接，并固定于第一旋转卡盘1上，组成激光发射模块，所述第一激光发生器4和第二激光发生器位于第一旋转卡盘1的不同位置，所述激光调制器3通过线路分别连接到所述第一激光发生器4和第二激光发生器5连接，作为优选，所述第一激光发生器4和第二激光发生器5的出光口呈90度分布，旋转第一激光发生器4的激光至发射位置，当旋转90度后，第二激光发生器5位于发射位置。通过调节第一旋转卡盘1，可将第一激光发生器4或第二激光发生器5调整至激光发射位置，在激光调制器3的控制下发出相应的激光束至目标表面，其中：所述第一激光发生器4具备光纤输出功能，输出激光中心波长范围800～1700nm，输出功率7～13W；所述第二激光发生器5具备光纤输出功能，输出激光中心波长范围800～1700nm，输出功率7～13W；
所述放大器8与第一光热效应探测器6和第二光热效应探测器7连接，并固定于第二旋转卡盘2上，组成辐射接收模块。通过调节第二旋转卡盘2，可分别将第一光热效应探测器6和第二光热效应探测器7调整至辐射接收位置，接收来自目标表面的辐射信号并将其转化为电信号，该信号随后经放大器8进行放大，其中：所述第一滤光片14工作中心波长范围800～1700nm，带宽为5～50nm，与第一准直透镜组12配合，使得只有第一波长附近的辐射能传递至第一光热效应探测器6；所述第二滤光片15工作中心波长范围800～1700nm，带宽为5～50nm，与第二准直透镜组13配合，使得只有第二波长附近的辐射能传递至第二光热效应探测器7；所述第一滤光片14、第一准直透镜组12形成第一接收光路；所述第二滤光片15、第二准直透镜组13形成第二接收光路，所述第一接收光路和第二接收光路位于第二旋转卡盘2的不同位置。优选，所述第一接收光路和第二接收光路成90度分布，第一接收光路位于光信号接收位置，在该位置接收的信号传递至放大器8，之后，通过第二旋转卡盘2将第二接收光路旋转至上述光信号接收位置，在该位置接收的信号传递至放大器8，所述放大器8包括低噪声放大器和锁相放大器。
所述恒温系统具有温度探测设备和控温程序，能实现滤光片温度的实时测量与控制。
采用本发明装置进行辐射测温的具体步骤如下：
首先，调节第一旋转卡盘1，使得第一激光发射器4到达激光发射位置并固定，激光发射位置的选取需确保激光发射器发出的激光不被接收目标表面辐射的光学系统遮挡。通过激光调制器3控制第一激光发生器4开始工作并发出第一波长λ1(980nm)的激光束，第一激光束照射至目标表面后使得其产生温升△T1。目标表面在一定立体角内发出的辐射能经物镜11后到达第二准直透镜组13，经第二滤光片15后得到波长λ2(1550nm)的辐射光束。调节第二旋转卡盘2，使得第二光热效应探测器7进入辐射接收位置。第二光热效应探测器7接收经过经第二滤光片15后得到的辐射光束，在光热效应的作用下产生光电流Ip(λ2)。
同样，调节第一旋转卡盘1，使得第二激光发射器5到达激光发射位置并固定。通过激光调制器3控制第二激光发生器5开始工作，并发出第二波长λ2(1550nm)的激光束，第二激光束照射至目标表面后使得其产生温升△T2。目标表面在一定立体角内发出的辐射能经物镜11后到达第一准直透镜组12，经第一滤光片14后得到波长λ1(980nm)的辐射光束。调节第二旋转卡盘2，使得第一光热效应探测器6进入辐射接收位置，第一光热效应探测器6接收经过经第一滤光片14后得到的辐射光束，在光热效应的作用下产生光电流Ip(λ1)。
将Ip(λ2)和Ip(λ1)分离变量，均可得到由目标表面在λ1和λ2两个波长下的表面发射率之积组成的比例系数。因此，将Ip(λ2)和Ip(λ1)相除可以消除发射率的影响。至此，Ip(λ2)和Ip(λ1)的比值仅和仪器常数、波长、第二辐射常数和目标表面温度有关，其中，仪器常数可通过实验室标定准确测定。因此，通过Ip(λ2)和Ip(λ1)的测量值即可换算得到被测目标表面温度。
得到电信号Ip(λ2)和Ip(λ1)后，利用放大器将电信号进行放大并传输至计算电路，经过事先预置的计算程序即可将电信号转化成温度数值并利用显示仪表将该数值进行显示。
本发明的旋转式双波长激光测温装置，通过将激光发射相关设备和辐射接收相关设备分别集成与两个旋转卡盘，借助卡盘的旋转与定位满足双波长激光发射和接收的间歇交替运行的需求，显著减少了光学元件的种类和数量，有利于提升装置测量精度和使用寿命。
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元件的数量可能小于一个实际系统中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种旋转式双波长激光测温装置，其包括：
第一旋转卡盘，可360°旋转和在特定位置固定；
第二旋转卡盘，可360°旋转和在特定位置固定；
激光调制器与第一激光发生器和第二激光发生器连接，并固定于第一旋转卡盘；
放大器与第一光热效应探测器和第二光热效应探测器连接，并固定于第二旋转卡盘；
所述第一激光发生器，其产生具有第一波长的第一激光；
所述第二激光发生器，其产生具有第二波长的第二激光；
所述第一光热效应探测器和第二光热效应探测器两种波长的光信号转化成热信号；
所述放大器将来自第一光热效应探测器和第二光热效应探测器的信号进行放大；
所述计算电路将电信号转换为温度数值；
所述显示仪表用于显示温度测量数值；
所述装置还包括光学系统，所述光学系统包括物镜、第一准直透镜组、第二准直透镜组、第一滤光片和第二滤光片；
进一步包括恒温系统，用于维持第一滤光片和第二滤光片的温度恒定。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，调节第一旋转卡盘，将第一激光发生器或第二激光发生器调整至激光发射位置，在激光调制器的控制下发出相应的激光束至目标表面，其中：
所述第一激光发生器具备光纤输出功能，输出激光中心波长范围800～1700nm，输出功率7～13W；
所述第二激光发生器具备光纤输出功能，输出激光中心波长范围800～1700nm，输出功率7～13W；
所述激光调制器通过函数发生器输出高低电平信号直接控制激光器的供电，实现所需频率的调制功能。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，调节第二旋转卡盘，将第一光热效应探测器或第一光热效应探测器调整至辐射接收位置，接收来自目标表面的辐射信号并将其转化为电信号，该信号随后经放大系统进行放大，所述放大器包括低噪声放大器和锁相放大器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述物镜、第一准直透镜组、第二准直透镜组、第一滤光片和第二滤光片用于传递目标表面发射的辐射能，其中：
所述第一滤光片工作中心波长范围800～1200nm，带宽为5～20nm，与第一准直透镜组配合，使得只有第一波长附近的辐射能传递至第一光热效应探测器；
所述第二滤光片工作中心波长范围1400～1800nm，带宽为30～50nm，与第二准直透镜组配合，只有第二波长附近的辐射能传递至第二光热效应探测器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒温系统具有温度探测设备和控温程序，实现滤光片温度的实时测量与控制。
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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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