CN112197866A - 一种非接触式定点测量的测温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式定点测量的测温系统及方法，辐射光经过可调节镜头被所述分束器分为不等的两部分，小部分辐射光进入到光敏传感器中，然后传输到计算机成像，对待测点的观察与定位；其余大部分光通过微孔光阑滤掉无用辐射后经过透镜变为平行光，所述平行光经过等比分光镜等比分为两路，两路平行光分别进入两个光电倍增管转换为电信号，所述电信号经数据采集卡输入计算机，在计算机中测得温度。在高温、腐蚀性等恶劣环境下，仍可完成精确测量，同时避免了设备损坏与污染，满足经济性与实用性的要求，灵活满足了不同探测目的需求。
Description
技术领域
本发明属于辐射测温领域，具体涉及一种非接触式定点测量的测温系统及方法。
背景技术
温度是一个重要的参数，可以用来确定物质的状态，准确测量温度在航空、科研及工业生产中十分重要。在传统的接触测温法中，感温元件与待测物体相接触，对被测对象的温度场分布有影响，且由于材料的限制，测量温度有上限。比色测温法属于辐射测温法，感温元件不与待测对象接触，具有测量温度范围广、受材料限制小，不破坏所测对象的温度场等优点，因此应用越来越广。
但是一般的测温系统的空间分辨率不够高，收集到的辐射是火焰区一定深度范围内沿途的全部辐射，在实际情况中，测量到的火焰面积大，得到温度是火焰区的累积温度，最大的缺陷之一，是无法获得探测光路轴线方向上的准确测温位置，难以区分沿探测光路轴线方向上具体位置的温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式定点测量的测温系统及方法，提高了光学系统的空间分辨率，从而提升温度测量的精度。
为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种非接触式定点测量的测温系统，包括可调节镜头，所述可调节镜头连接有分束器，所述分束器的两个光路出口分别连接有光敏传感器和微孔光阑；
所述光敏传感器连接有计算机，所述微孔光阑经透镜连接到等比分光镜，所述等比分光镜的两个光路出口分别通过滤波片卡槽连接有光电倍增管，所述滤波片卡槽内安装有滤波片；两个所述光电倍增管同时连接有数据采集卡，所述数据采集卡连接所述计算机。
进一步的，所述可调节镜头固定在第一环形卡槽上，所述微孔光阑固定在第二环形卡槽上；所述第一环形卡槽和第二环形卡槽均安装在水平转角盘上；所述水平转角盘安装在垂直升降台上。
进一步的，所述光敏传感器采用CCD相机。
进一步的，还包括电源，所述电源用于分别为两路光电倍增管提供电压。
进一步的，所述分束器将辐射光分为98:2的两部分，其中少部分的光进入光敏传感器中然后传输到计算机成像，用于对待测点的观察与定位。
进一步的，所述等比分光镜的光路出口处安装有聚光镜，所述聚光镜用于汇聚通过滤波片的辐射光。
进一步的，所述光电倍增管将光信号转换为电信号，所述数据采集卡将接收到的电信号经过模数转换传输至计算机。
进一步的，所述数据采集卡通过BNC线将接收到的电信号经过模数转换传输至计算机。
本发明的另一个技术方案是：
一种测温方法，利用所述的非接触式定点测量的测温系统，包括：
辐射光线经过可调节镜头被所述分束器分为不等的两部分，小部分辐射光进入到光敏传感器中，然后传输到计算机成像，对待测点进行观察与定位；
其余大部分光通过微孔光阑滤掉无用辐射后经过透镜变为平行光，所述平行光经过等比分光镜等比分为两路，两路平行光经过不同波长的滤波片滤波后，分别进入两个光电倍增管转换为电信号，所述电信号经数据采集卡输入计算机，在计算机中测得温度。
进一步的，将辐射光线沿途经过的区域离散化为矩形区域，得到m个矩形元；依据两个所述光电倍增管分别接收到的不同波长单色波的辐射强度Pr，采用比色法计算得到辐射光源的温度；
单个所述光电倍增管的辐射强度Pr的计算公式如下：
式中：r＝1，2…n；Iλ,r,0为待测区域在单波长λ处的辐射强度；m为辐射光线经过的矩形元个数；Ibλ,r,i为处于波长λ、温度为T的沿途区域的黑体辐射强度；kλ,r,i为矩形元内部的辐射减弱系数；Sr,i为辐射光线r和矩形元的交线长度；
Iλ,r,0的计算方式如下：
Q0＝ελIbλ(T)ΔAΔω；
式中：Q0为通过微孔光阑的辐射通量；ΔA为镜头截面面积；Δω为出射立体角；ελ是波长为λ的单色吸收比；Ibλ(T)为待测区域处于波长λ、温度为T的黑体辐射强度。
Ibλ,r,i的计算方式如下：
式中：Ibλ,r,i为处于波长λ、温度为T的沿途区域的黑体辐射强度；c1是第一辐射常量；c2是第二辐射常量。
本发明的有益效果为：
1)本发明实施例提供的测温系统，可以放置到远离被测温点(炉膛)等地方，使其在高温、腐蚀性等恶劣环境下，仍可完成精确测量，同时避免了设备损坏与污染，满足经济性与实用性的要求，灵活满足了不同探测目的需求。
2)本发明实施例提供的测温系统，采用微孔光阑来限制辐射的进入，创造性的结合了温度测量与显微光路共焦的技术，在原有的比色测温系统基础上，利用微孔光阑作为辐射传递光路限制器，提高了温度测量的空间分辨率。
3)本发明实施例提供的测温系统，使用了可调节镜头，可由测量操作者操作调节聚焦到不同距离位置上的测量点，实现对炉内不同深度温度的测量，有进一步发展成为“光学切片”式定点测量的前景。
4)本发明实施例提供的测温系统，在某一时刻仅有很小面积的火焰辐射传递到探测器，所以当对炉内火焰进行扫描时，辐射光进入光敏传感器后传输至计算机，可以得到整个炉膛火焰的图像，实现二维及三维的成像。
5)本发明实施例提供的测温系统，采用了CCD相机，可观察待测区域的动态状况并用其进行火焰测量的视觉定位，使其更加直观，提高了检测的可视化程度。
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非接触式定点测量的测温系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的非接触式定点测量的测温系统内部光路示意图。
图3是本发明实施例提供的微孔光阑的限定测量区域的原理图。
图中：1-可调节镜头；2-分束器；3-光敏传感器；4-微孔光阑；5-透镜；6-等比分光镜；7-滤波片卡槽；8-光电倍增管；9-电源；10-数据采集卡；11-计算机；12-水平转角盘；13-环形卡槽；14-垂直升降台；15-滤波片；16-聚光镜。
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。
如图1所示，一种非接触式定点测量的测温系统，包括：可调节镜头1、分束器2、光敏传感器3、微孔光阑4、透镜5、等比分光镜6、滤波片卡槽7、光电倍增管8、电源9、数据采集卡10、计算机11、水平转角盘12、环形卡槽13、垂直升降台14、滤波片15、聚光镜16。
所述光敏传感器3采用CCD相机，能够调焦到待测光源中的待测点，该镜头的调节距离可根据需要覆盖一定的长度范围。
所述可调节镜头1通过螺纹连接的方式连接有分束器2，所述分束器2包括两个光路出口，其中一个光路出口连接有光敏传感器3，另一个光路出口连接通过螺纹方式有微孔光阑4，通过微孔光阑4的限制，可对待测范围进行限定。所述微孔光阑4通过螺纹连接透镜5，透镜5通过螺纹连接有等比分光镜6，等比分光镜6分光比为1：1。
所述分束器2将辐射光分为92：8两部分，其中少部分的光进入光敏传感器3中然后传输到计算机11成像，用于对待测点的观察与定位，其余大部分光通过微孔光阑4滤掉无用辐射后经过透镜5变为平行光。
所述微孔光阑4，对待测区域有限定作用，与可调节镜头1的焦距相匹配，实现定点测量。当准确对焦时，透过可调节镜头1的辐射能量全部穿过微孔光阑4，没有能量损失，径向分辨率最高，即该火焰会被检测到；当失焦时，由于径向位置上的偏移造成能量损失，辐射到达并穿过微孔光阑4的能量很少，相当于这个位置的辐射影响可以忽略。
所述等比分光镜6包括两个光路出口，所述两个光路出口上分别通过螺纹连接的方式固定有滤波片卡槽7，滤波片卡槽7内安装有滤波片15；所述滤波片卡槽7可以更换不同的滤波片15，将进入的光变为单色光。所述等比分光镜6的光路出口处安装有聚光镜，所述聚光镜16用于汇聚通过滤波片15的辐射光。
所述滤波片卡槽7连接有光电倍增管8，通过滤波片15的辐射波由聚光镜16汇聚后由光电倍增管8接收，所述电源9用于分别为两路光电倍增管8提供电压，通过调节电源9的电压可以控制信号的放大倍数。
两个所述光电倍增管8同时连接有数据采集卡10，所述光电倍增管8将光信号转换为电信号，所述数据采集卡10将接收到的电信号经过模数转换通过BNC线传输至计算机11，计算所测温度。
所述环形卡槽13包括第一环形卡槽和第二环形卡槽，所述可调节镜头1固定在第一环形卡槽上，所述微孔光阑4固定在第二环形卡槽上；所述第一环形卡槽和第二环形卡槽均安装在水平转角盘12上，可以通过调节水平转角盘12来调整水平角度；所述水平转角盘12安装在垂直升降台14上，可用来调整测量仪器的垂直高度。
本发明的另一个技术方案是：
一种测温方法，利用所述的非接触式定点测量的测温系统，如图2所示，包括如下步骤：
辐射信号由可调节镜头1进入分束器2中，由分束器2以92：8的比例将小部分光反射，小部分被反射的光经过透镜的汇聚进入到光敏传感器3中，然后传输到计算机11成像，用于对待测点的观察与定位；其余大部分光通过微孔光阑4过滤掉其中无用的辐射，通过微孔光阑4的光经过透镜5变为平行光，由等比分光镜6将辐射等比分为两路，分别进入两个光电倍增管8，两个光电倍增管8分别输出的信号经过数据采集卡10进行数据采集与数模转换的处理后，信号进入计算机11；将辐射光线沿途经过的区域离散化为矩形区域，得到m个矩形元；依据两个所述光电倍增管分别接收到的不同波长单色波的辐射强度Pr，采用比色法计算得到辐射光源的温度；
单个所述光电倍增管的辐射强度Pr的计算公式如下：
式中：r＝1，2…n；Iλ,r,0为待测区域在单波长λ处的辐射强度；m为辐射光线经过的矩形元个数；Ibλ,r,i为处于波长λ、温度为T的沿途区域的黑体辐射强度；kλ,r,i为矩形元内部的辐射减弱系数；Sr,i为辐射光线r和矩形元的交线长度；
Iλ,r,0的计算方式如下：
Q0＝ελIbλ(T)ΔAΔω；
式中：Q0为通过微孔光阑的辐射通量；ΔA为镜头截面面积；Δω为出射立体角；ελ是波长为λ的单色吸收比；Ibλ(T)为待测区域处于波长λ、温度为T的黑体辐射强度。
Ibλ,r,i的计算方式如下：
式中：Ibλ,r,i为处于波长λ、温度为T的沿途区域的黑体辐射强度；c1是第一辐射常量；c2是第二辐射常量。
如图3所示，辐射信号由可调节镜头1进入微孔光阑4，对待测区域的范围有限定作用达到定点测量。当准确对焦时，透过镜头的辐射能量全部穿过微孔光阑4，没有能量损失，径向分辨率最高，即该火焰会被检测到；当失焦时，由于径向位置上的偏移造成能量损失，辐射到达并穿过微孔光阑4的能量很少，相当于这个位置的辐射影响可以忽略。
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)
1.一种非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，包括可调节镜头(1)，所述可调节镜头(1)连接有分束器(2)，所述分束器(2)的两个光路出口分别连接有光敏传感器(3)和微孔光阑(4)；
所述光敏传感器(3)连接有计算机(11)，所述微孔光阑(4)经透镜(5)连接到等比分光镜(6)，所述等比分光镜(6)的两个光路出口分别通过滤波片卡槽(7)连接有光电倍增管(8)，所述滤波片卡槽(7)内安装有滤波片(15)；两个所述光电倍增管(8)同时连接有数据采集卡(10)，所述数据采集卡(10)连接所述计算机(11)。
2.根据权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，所述可调节镜头(1)固定在第一环形卡槽上，所述微孔光阑(4)固定在第二环形卡槽上；所述第一环形卡槽和第二环形卡槽均安装在水平转角盘(12)上；所述水平转角盘(12)安装在垂直升降台(14)上。
3.根据权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，所述光敏传感器(3)采用CCD相机。
4.根据权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，还包括电源(9)，所述电源(9)用于分别为两路光电倍增管(8)提供电压。
5.根据权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，所述分束器(2)将辐射光分为98:2的两部分，其中少部分的光进入光敏传感器(3)中然后传输到计算机(11)成像，用于对待测点的观察与定位。
6.根据权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，所述等比分光镜(6)的光路出口处安装有聚光镜(16)，所述聚光镜用于汇聚通过滤波片的辐射光。
7.根据权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，所述光电倍增管(8)将光信号转换为电信号，所述数据采集卡(10)将接收到的电信号经过模数转换传输至计算机(11)。
8.根据权利要求7所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，所述数据采集卡(10)通过BNC线将接收到的电信号经过模数转换传输至计算机(11)。
9.一种测温方法，利用权利要求1所述的非接触式定点测量的测温系统，其特征在于，包括：
辐射光线经过可调节镜头(1)被所述分束器(2)分为不等的两部分，小部分辐射光进入到光敏传感器(3)中，然后传输到计算机(11)成像，对待测点进行观察与定位；
其余大部分光通过微孔光阑(4)滤掉无用辐射后经过透镜(5)变为平行光，所述平行光经过等比分光镜(6)等比分为两路，两路平行光经过不同波长的滤波片滤波后，分别进入两个光电倍增管(8)转换为电信号，所述电信号经数据采集卡(10)输入计算机(11)，在计算机(11)中测得温度。
10.根据权利要求9所述的测温方法，其特征在于，将辐射光线沿途经过的区域离散化为矩形区域，得到m个矩形元；依据两个所述光电倍增管(8)分别接收到的不同波长单色波的辐射强度Pr，采用比色法计算得到辐射光源的温度；
单个所述光电倍增管的辐射强度Pr的计算公式如下：
式中：r＝1，2…n；Iλ,r,0为待测区域在单波长λ处的辐射强度；m为辐射光线经过的矩形元个数；Ibλ,r,i为处于波长λ、温度为T的沿途区域的黑体辐射强度；kλ,r,i为矩形元内部的辐射减弱系数；Sr,i为辐射光线r和矩形元的交线长度；
Iλ,r,0的计算方式如下：
Q0＝ελIbλ(T)ΔAΔω；
式中：Q0为通过微孔光阑的辐射通量；ΔA为镜头截面面积；Δω为出射立体角；ελ是波长为λ的单色吸收比；Ibλ(T)为待测区域处于波长λ、温度为T的黑体辐射强度；
Ibλ,r,i的计算方式如下：
式中：Ibλ,r,i为处于波长λ、温度为T的沿途区域的黑体辐射强度；c1是第一辐射常量；c2是第二辐射常量。
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