CN112146770A - 一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置及方法。该装置包括椭球面和抛物面，在所述椭球面的中心处开设有通光孔，在正对所述通光孔内设置有光电传感器；所述抛物面正对所述通光孔设置，所述抛物面的内表面与所述椭球面的内表面相对；所述光电传感器通过数据采集卡连接计算机。将光在椭球中的反射聚焦特性及在抛物面内反射平行的特性巧妙的结合在一起，将光源的光线汇聚至焦点处并平行射出，方便信号的采集或进行后续处理，提高精准度，降低误差。
Description
技术领域
本发明属于辐射测温技术领域，具体涉及一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置及方法。
背景技术
温度的准确测量在工业生产、航空领域、科学研究中占有举足轻重的地位。传统的接触式测温方法因其需要介入到被测区域中，会对原本的温度分布产生一定程度的干扰，且易受材料限制，温度测量的精准性不高，范围较窄。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置及方法，以解决现有技术中，传统的接触式测温方法温度测量的精准性不高，范围较窄等问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，包括椭球面和抛物面，在所述椭球面的中心处开设有通光孔，在正对所述通光孔内设置有光电传感器；所述抛物面正对所述通光孔设置，所述抛物面的内表面与所述椭球面的内表面相对；所述光电传感器通过数据采集卡连接计算机。
进一步的，在所述椭球面的内表面以及所述抛物面的内表面处均铺设有反射膜。
进一步的，所述抛物面通过细支架安装在抛物面圆环上，所述抛物面圆环上设置有外螺纹，所述椭球面的内壁上设置有与所述抛物面圆环的外螺纹配合的内螺纹，所述抛物面圆环以螺纹连接的方式安装在所述椭球面上。
进一步的，所述细支架的一端固定在所述抛物面上，另一端固定在所述抛物面圆环上，三根所述细支架沿同一个正三角形的中心线分别设置。
进一步的，所述通光孔的圆心、椭球面的第一焦点F1、椭球面的第二焦点F2及抛物面的焦点同轴设置。
进一步的，所述抛物面的直径与所述通光孔的直径相同。
进一步的，所述椭球面的外侧固定有固定环，所述固定环的底部通过螺纹连接的方式安装在升降台上。
进一步的，所述椭球面的第二焦点F2与抛物面的焦点重合。
本发明的另一个技术方案是：
一种测温方法，利用所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，包括如下步骤：
将被测光源置于椭球第一焦点F1处，光线首先到达椭球面的内壁，随后光线经椭球面反射汇聚至第二焦点F2处，光线经过焦点F2射入抛物面的内壁，经抛物面反射后变为平行光射出，平行光经过椭球面上的通光孔汇聚至光电传感器处将光信号转变为电信号，再经数据采集卡输出至电脑，计算被测光源的温度信息。
进一步的，将被测光源区域划分为n*n个网格，利用下式计算得到被测光源每个网格内的绝对温度，建立被测光源的温度场：
式中：p为光电传感器接收到的信号强度，a为测温装置的标定系数，r为辐射光线的行程长度，α是衰减系数，T为被测光源的绝对温度。
本发明的有益效果为：
1)本发明装置将光在椭球中的反射聚焦特性及在抛物面内反射平行的特性巧妙的结合在一起，将光源的光线汇聚至焦点处并经抛物面反射后平行射出，方便信号的采集或进行后续处理，提高精准度，降低误差。
2)本发明装置可根据椭圆的焦距来对被测区域进行精准的定位，即椭球的焦距与第二焦点F2位置已知，则可知被测区域为一以焦点F1为顶点的圆锥体，提高了温度测量的空间分辨率。
3)本发明装置可以以机械或电子的方式在实测中灵活更换椭球镜面，从而在测量现场灵活改变焦点F1的位置，通过矩阵公式，不但可以获得单点的温度，还可以获得被测光源的温度分布信息。
4)本发明装置仅要求被测区域有一小型观测孔，即可透过该孔获取内部辐射信号，方便一些精密仪器内部燃烧温度的测量，如航空发动机内部的燃烧温度情况。
5)本发明装置所采用的零件少，可根据被测光源实际情况及距离信息进行零部件的更替组装，轻便易于携带。
6)本发明装置可在小孔后增加其它光学元器件，如光电倍增管、滤波片等，以方便根据不同的测量需求进行数据的采集。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的测温装置结构示意图。
图2是本发明实施例提供的抛物面圆环侧视图。
图3是本发明实施例提供的椭球面右视图。
图4是本发明实施例提供的光路示意图。
图中：1-椭球面；11-通光孔；2-光电传感器；3-反射膜；4-抛物面圆环；5-升降台；6-固定环；7-数据采集卡；8-计算机图中：9-细支架；10-抛物面。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明实施例提供了一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置及方法；将辐射测温原理、椭球反射原理和抛物面反射原理巧妙结合，将椭球面1和抛物面10的焦点重合，行成一个共焦点反射系统，将被测光源置于椭球面1的另一焦点处，使被测光源经椭球面1反射汇聚和抛物面10反射平行射出，便于光电传感器2采集有效信号，并经数据采集卡输入运算处理系统，由计算机对数据进行记录与处理，得到温度信息。具有被测区域明确，被测光源不受限制、便于携带、易与其它器件配合等优点。
如图1所示，一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，包括椭球面1和抛物面10，椭球面1采用塑料或金属材质。在所述椭球面1的轴线中心处开设有通光孔11，所述抛物面10的直径与所述通光孔11的直径相同；在正对所述通光孔11内可拆卸的安装有光电传感器2，所述光电传感器2通过数据采集卡7连接计算机8；可根据不同测温场景的需要，于通光孔11后依次装配滤波片、光敏元件例如光电二极管、光电倍增管等其它光学元器件，灵活应用于多种场景。所述抛物面10正对所述通光孔11设置，所述抛物面10的内表面与所述椭球面1的内表面相对设置。
所述椭球面1的内表面以及所述抛物面10的内表面处均铺设有反射膜3，该反射膜可根据不同的波长需求进行选取。
如图3所示，所述抛物面10通过细支架9安装在抛物面圆环4上，使光线可大面积透过，降低损耗率。抛物面圆环4采用塑料或金属材质，所述抛物面圆环4以螺纹连接的方式安装在所述椭球面1上。所述抛物面圆环4上设置有外螺纹(图中未示出)，所述椭球面1的内壁上设置有与所述抛物面圆环4的外螺纹配合的内螺纹(图中未示出)。所述细支架9的一端固定在所述抛物面10上，另一端固定在所述抛物面圆环4上，三根所述细支架9沿同一个正三角形的中心线分别设置。
所述通光孔11的圆心、椭球面1的第一焦点F1、椭球面1的第二焦点F2及抛物面10的焦点同轴设置。所述椭球面1的第二焦点F2与抛物面10的焦点重合。
所述椭球面1的外侧固定有固定环6，所述固定环6的底部通过螺纹连接的方式安装在升降台5上，可根据需要灵活调节该装置的高度。
本发明的另一个技术方案是：
一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，利用所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，包括如下步骤：
将被测光源置于椭球第一焦点F1处，该光源形状种类不限，可为火焰，可为发光金属，光线透过抛物面圆环4首先到达椭球面1的内壁，根据椭球反射汇聚的原理，随后光线经椭球面1的反射膜反射汇聚至第二焦点F2处，根据抛物面反射可得平行光原理，光线经过焦点F2射入抛物面10的内壁，经抛物面10的反射膜反射后变为平行光射出，平行光经过椭球面1上的通光孔11汇聚至光电传感器2处将光信号转变为电信号，再经数据采集卡7输出至电脑8，计算获得该被测光源的温度信息。
将被测光源区域划分为n*n个网格，利用下式计算得到被测光源每个网格内的绝对温度，建立被测光源的温度场：
式中：p为光电传感器接收到的信号强度，a为测温装置的标定系数，r为辐射光线的行程长度，α是衰减系数，T为被测光源的绝对温度。
如图4所示，为本发明提出的基于共焦点反射模式的被动式辐射测温装置的光路系统示意图。该系统中装置的入射光线标号分别为1，2，a，经椭球面1反射后的光线标号分别为1’，2’，a’，经抛物面10反射后的光线标号分别为1”，2”，a”。
由被测光源发出任意一条光线a经椭球面1反射沿着光线a’传播，再经抛物面10反射后沿a”路径平行射出。其中光线1，2为所述装置理论极限测量范围，光线1”，2”为所述装置出射平行光的理论范围。所述装置的被测区域即为以F1为顶点，以光线1、2为边界所包括的经过焦点的光线，故只需知道椭球面1的焦距及第二焦点位置所在，即可快速得知被测光源的准确范围，提高该测量装置的空间分辨率。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，包括椭球面(1)和抛物面(10)，在所述椭球面(1)的中心处开设有通光孔(11)，在正对所述通光孔(11)内设置有光电传感器(2)；所述抛物面(10)正对所述通光孔(11)设置，所述抛物面(10)的内表面与所述椭球面(1)的内表面相对；所述光电传感器(2)通过数据采集卡(7)连接计算机(8)。
2.根据权利要求1所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，在所述椭球面(1)的内表面以及所述抛物面(10)的内表面处均铺设有反射膜(3)。
3.根据权利要求1所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，所述抛物面(10)通过细支架(9)安装在抛物面圆环(4)上，所述抛物面圆环(4)上设置有外螺纹，所述椭球面(1)的内壁上设置有与所述抛物面圆环(4)的外螺纹配合的内螺纹，所述抛物面圆环(4)以螺纹连接的方式安装在所述椭球面(1)上。
4.根据权利要求3所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，所述细支架(9)的一端固定在所述抛物面(10)上，另一端固定在所述抛物面圆环(4)上，三根所述细支架(9)沿同一个正三角形的中心线分别设置。
5.根据权利要求1所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，所述通光孔(11)的圆心、椭球面(1)的第一焦点F1、椭球面(1)的第二焦点F2及抛物面(10)的焦点同轴设置。
6.根据权利要求1所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，所述抛物面(10)的直径与所述通光孔(11)的直径相同。
7.根据权利要求1所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，所述椭球面(1)的外侧固定有固定环(6)，所述固定环(6)的底部通过螺纹连接的方式安装在升降台(5)上。
8.根据权利要求5所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，所述椭球面(1)的第二焦点F2与抛物面(10)的焦点重合。
9.一种测温方法，利用权利要求1所述的基于共焦点反射原理的被动式辐射测温装置，其特征在于，包括如下步骤：
将被测光源置于椭球第一焦点F1处，光线首先到达椭球面(1)的内壁，随后光线经椭球面(1)反射汇聚至第二焦点F2处，光线经过焦点F2射入抛物面(10)的内壁，经抛物面(10)反射后变为平行光射出，平行光经过椭球面(1)上的通光孔(11)汇聚至光电传感器(2)处将光信号转变为电信号，再经数据采集卡(7)输出至电脑(8)，计算被测光源的温度信息。
10.根据权利要求9所述的测温方法，其特征在于，将被测光源区域划分为n*n个网格，利用下式计算得到被测光源每个网格内的绝对温度，建立被测光源的温度场：
式中：p为光电传感器接收到的信号强度，a为测温装置的标定系数，r为辐射光线的行程长度，α是衰减系数，T为被测光源的绝对温度。
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