CN112345088A - 一种实时双温标定红外测温装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时双温标定红外测温装置，用于测量待测单元的实时温度，所述装置包括：用于对待测单元进行热成像的红外摄像头，红外摄像头的成像区设置有第一恒温片和第二恒温片；测温控制模块，设置有主机，所述主机用于为装置提供电源并控制红外摄像头、恒温控制模块，并读取所述实时热成像图片中的信息，并根据两个恒温片的实时温度计算出待测单元的真实温度；恒温控制模块，与恒温片连接，并与主机通信连接。同时提出一种实时双温标定红外测温方法及其在人体额温测量装置，有效的降低黑体标定的成本，黑体和系统整体设置，减少了设备的配套布局，同时测量准确，不需要额外的人工校准。
Description
技术领域
本发明涉红外测温领域，尤其涉及一种实时双温标定红外测温装置及方法。
背景技术
物体都会因自身粒子的运动辐射出红外线，且辐射的强弱与物体温度直接相关。红外测温就是利用这个原理，吸收物体的辐射能并转换成电信号输出，根据电信号的强弱，我们可以模拟出物体不同部分的温度分布，形成热成像图片。
这种红外热成像图片的优点是能很直观的反馈出物体不同部位之间或不同物体之间的温度差异，但是不能直观精确地定量给出温度差异多少。这个是由红外线本身的性质所决定的。红外线容易受到环境的各种因素影响而发生变化。
当前主流的比较准确的红外测温方式，一般都采用单黑体标定，广泛用于车站、地铁、机场、商场等人流密集环境。但是采用这种方式存在如下问题：
1、黑体本身价格高昂，成本比较高；
2、整套系统部署存在局限性，红外测温系统与黑体需要分开部署，需要额外的提供配套额的电源、支架等辅助设备；
3、采用单一黑体标定存在误差，很容易因为环境的改变而导致测量结果偏差，需要额外的人工进行校准。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种实时双温标定红外测温装置及方法，有效地降低了现有单一黑体标定的成本，通过黑体和系统整体设置，优化了设备的配套布局，同时测量准确，不需要额外的人工校准。
本发明的第一方面，提出一种实时双温标定红外测温装置，所述装置包括：
用于对待测单元进行热成像的红外摄像头，所述红外摄像头的成像区设置有两个温度不同的恒温片，分别为第一恒温片和第二恒温片，使得所述红外摄像头形成的实时热成像图片同时具有所述待测单元、所述第一恒温片和所述第二恒温片的成像；
测温控制模块，设置有主机，所述主机用于为装置提供电源并控制红外摄像头、恒温控制模块，并读取所述实时热成像图片中的信息，并根据两个恒温片的实时温度计算出待测单元的真实温度；
恒温控制模块，与恒温片连接，并与主机通信连接，用于接收主机指令控制恒温片温度，并测量恒温片的实时温度数据传输给主机。
本发明的第二方面，提出一种实时双温标定红外测温计算方法，用于测量待测单元的实时温度，所述方法包括如下步骤：
形成实时热成像图片，所述实时热成像图片中同时包含所述待测单元、第一恒温片和第二恒温片的实时热成像，所述第一恒温片和第二恒温片的温度不同；
在形成实时热成像图片的同时，分别测量所述第一恒温片和第二恒温的实时温度；
读取实时热成像图片中所述待测单元、第一恒温片和第二恒温片所在区域的红外辐射强度转换值，按公式（1）计算待测单元的实时温度：
公式（1）中，
TC为待测单元的实时温度；
γC为实时热成像图片中待测单元的红外辐射强度转换值；
K为转换系数，按公式（2）计算：
公式（2）中，
TA为第二恒温片的实时温度；
TB为第一恒温片的实时温度；
γA为实时热成像图片中第二恒温片的红外辐射强度转换值；
γB为实时热成像图片中第一恒温片的红外辐射强度转换值。
本发明的第三方面，提出一种人体额温测量装置，采用上述的一种实时双温标定红外测温装置。
本发明集成了红外摄像头和两个高精度恒温发热单元，通过双温实时标定代替单一的黑体标定方案，有效地降低了成本，同时提高了测温精度；此外，采用一体化集成方案，有效地解决了场地布置问题。
附图说明
图1为本发明实施例中一种实时双温标定红外测温装置的功能框图。
图2为本发明实施例中一种实时双温标定红外测温装置的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例中人体实时热成像图片的示意图。
图4为本发明实施例中恒温控制模块（不含主机）的线路连接示意图。
图5为本发明实施例中ADS112C04芯片的示意图。
图6为本发明实施例中陶瓷发热片驱动电路的示意图。
图7为本发明实施例中嵌入式主机的示意图。
附图标记如下：
1、待测单元；2、恒温控制模块；3、第一恒温片；4、测温控制模块；5、红外摄像头；6、第二恒温片；7、主机；8、测温框架；9、摄像区；10、摄像头固定板；11、取景孔；12、恒温控制电路板；13、测温控制电路板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种实时双温标定红外测温装置，用于测量待测单元1的实时温度，所述装置包括：
用于对待测单元1进行热成像的红外摄像头5，所述红外摄像头5的成像区设置有两个温度不同的恒温片，分别为第一恒温片3和第二恒温片6，使得所述红外摄像头形成的实时热成像图同时具有所述待测单元1、所述第一恒温片3和所述第二恒温片6的成像；
测温控制模块4，设置有主机7，所述主机7用于为系统提供电源并控制红外摄像头5、恒温控制模块2，并读取所述实时热成像图片中的信息，并根据两个恒温片的实时温度计算出待测单元1的真实温度；
恒温控制模块2，与恒温片连接，并与主机7通信连接，用于接收主机7指令控制恒温片温度，并测量恒温片的实时温度数据传输给主机7。
实际应用中，第一恒温片3和第二恒温片6的温度不相同，一般设定为第一恒温片3高于待测单元1的温度，第二恒温片6低于待测单元1的温度。
根据该系统设计出一种实时双温标定红外测温装置，如图2所示，包括测温框架8，所述测温框架8具有中空的摄像区9，所述摄像区9一侧固定连接有摄像头固定板10，另一侧设置取景孔11，所述摄像头固定板10上设置红外摄像头5，所述红外摄像头5镜头朝向取景孔11方向且位于取景孔11中轴线上，所述取景孔11的两侧各设置一个恒温片，分别为第一恒温片3和第二恒温片6，所述恒温片具有伸出到取景孔11内的延伸端；所述恒温控制模块2包括设置在摄像区内的恒温控制电路板12，所述恒温控制电路板12与恒温片电性连接；所述红外摄像头5尾部电性连接在所述测温控制模块4上，所述测温控制模块4固定连接在测温框架8上，所述测温控制模块4上设置有主机7和测温控制电路板13，且主机与恒温控制电路板12电性连接。
本实施例中，所述恒温控制电路板12设置有两个，分别与第一恒温片3、第二恒温片6电性连接。恒温片上设置有测温传感器，所述测温传感器经采样电路和放大电路将恒温片实时温度数据传输给主机7。所述主机7包括内置复位芯片的嵌入式主机。为了保证使用寿命，所述恒温片采用稳定性好的陶瓷发热片。所述取景孔11为圆形，恒温片为方形，圆形取景孔11更方便红外摄像头5进行取景，方形的恒温片方便热辐射区域的划分。
下面以测量人体额温为例来具体描述整个系统工作流程以及计算过程。
系统上电后，由测温控制模块4发送数字信号，控制两个恒温控制模块2分别将恒温片的温度稳定在42摄氏度和30摄氏度，即第一恒温片3为42摄氏度，第二恒温片6为30摄氏度，恒温片采用陶瓷发热片。
主机7可以设置为嵌入式主机7，通过数字接口，采集红外摄像头5的实时热成像图片和两个恒温片的温度，并通过特定的计算公式，计算出实时热成像图片中目标区域的温度。
当人体处在红外摄像头5成像范围内时，红外摄像头5开始采集实时热成像图片。成像效果如图3所示。整个实时热成像图片中，左右两侧分别为低温、高恒温片热成像，中间为被测人体实时热成像。
将实时热成像图片的分为如下几个区域，如图3所示：
图3中A、B区域分别为第二恒温片、第一恒温片的热成像区域，C区域为待测单元的热成像区域。已知A区第二恒温片的当前温度（30摄氏度），具体数据可以通过数字信号实时读取和采集，记为TA。同时，在实时热成像图片的A区域的红外辐射强度转换值，可以通过主机读取到，记为γA。
同理，B区域的也能得到一个准确的TB和γB。
通过A区和B区可以计算出一个转换系数K：
那么C区的温度为：
γC为C区的热成像摄像头红外辐射强度转换值。
在实际使用过程中，由于环境等外部因数的变化，所以，K值也需要实时更新和计算。这样在计算TC的温度时，能够抵消掉因环境变化而引起的测温误差。
在实际使用过程中，第一、第二恒温片的恒温控制模块2是完全一致的，如图4和图7所示，恒温控制模块2通过接口P1与主机连通，由主机给出控制信号和电源，主机有一个温度控制模块U3，该温度控制模块U3的主要功能就是收集和控制两个恒温片的温度，然后汇总发送到上位机，即单片机U4。所述恒温控制模块2包括测温传感器电路U1和陶瓷发热片电路U2；其中，主机与陶瓷发热片电路U2通过PWM信号通讯连接以控制陶瓷发热片的温度，测温传感器电路U1通过测温传感器测得陶瓷发热片温度，通过I2C信号将陶瓷发热片上温度数据通过接口P1上传给主机。
虽然陶瓷发热片的温度是由主机控制设定的，但考虑环境的影响，要以实际测量的温度为主，ADS112C04芯片U6为TI公司提供的一个RTD测温传感器ADC转换的集成解决方案，主要用于对陶瓷发热片的温度进行精确测量。如图5所示，所述芯片U6内部集成恒流电源和24位ADC转换器，恒流电流通过PIN6脚输出，经过采样电路P3的PT100传感器P3和高精度采样电阻R3，在PT100传感器P3上形成一个当前温度的电压，经过芯片内部的PGA放大，然后由ADC采集。同时在，采样电阻R3上也形成了一个基准电压，用于提供给ADC进行采样和量化。该方案能有效的降低因干扰引起的ADC转换误差，保证了PT100传感器P3转化结果的精度。
图6为陶瓷发热片驱动电路，陶瓷发热片P2采用5V供电，PWM信号通过三极管Q1的导通和截止，来控制陶瓷发热片P2的发热量。陶瓷发热片一般采用MCH陶瓷加热片，规格为7x5x1.2mm，5V/0.4W。
在结构设计上，PT100传感器P3被设置为紧贴在陶瓷发热片P2上，用于实时测量陶瓷发热片P2的当前温度。在实际使用的时候，由主机的MCU通过恒温控制模块的I2C接口读取当前陶瓷发热片温度，根据比对当前温度与设定温度，通过PID控制算法，来计算当前PWM的占空比，使陶瓷发热片的温度恒定在一个设定温度。
如图7所示，U5为红外摄像控制模块，用于红外摄像头的控制和读取，U3为温度控制模块。嵌入式主机采用单片机U4，所述单片机U4具有MAX809复位芯片，提供复位信号，所述单片机U4通过接口P1读取到当前红外摄像头的热成像图片，以及两个恒温片的温度。所述单片机U4还设置有程序下载和调试接口以及晶振，用于给单片机提供稳定的时钟信号，具体参考现有技术。两个引脚PA4、PA5定义为I2C主机接口，用于读取恒温控制模块的第一恒温片的实时温度；引脚PA6为PWM信号控制引脚，用于控制第一恒温片的发热量，使第一恒温片温度恒定。同理，引脚PB12、PB13为第二恒温片的I2C接口，引脚PA7为第二恒温片的PWM控制引脚，引脚PB10和PB11为I2C从机的信号引脚。红外摄像头的相关电路采用3.3V电源，用于给摄像头供电（具体可参考现有技术）；同时摄像头的控制和图线信息，通过I2C和SPI接口连接。
所述单片机U4充当一个数据转换角色。对于两个恒温控制模块来说，温度控制模块U3是主机，其将两个恒温片的温度实时采集并稳定在一个合适的温度；对于嵌入式主机来说，温度控制模块U3又是一个I2C从设备，嵌入式主机通过P1接口的I2C引脚获取两个恒温片的实时温度数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于，所述装置包括：
用于对待测单元进行热成像的红外摄像头，所述红外摄像头的成像区设置有两个温度不同的恒温片，分别为第一恒温片和第二恒温片，使得所述红外摄像头形成的实时热成像图片同时具有所述待测单元、所述第一恒温片和所述第二恒温片的成像；
测温控制模块，设置有主机，所述主机用于为装置提供电源并控制红外摄像头、恒温控制模块，并读取所述实时热成像图片中的信息，并根据两个恒温片的实时温度计算出待测单元的真实温度；
恒温控制模块，与恒温片连接，并与主机通信连接，用于接收主机指令以控制恒温片温度，并测量恒温片的实时温度数据传输给主机。
2.如权利要求1所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：所述装置还包括测温框架，所述测温框架具有中空的摄像区，所述红外摄像头设置在所述摄像区，所述摄像区远离所述红外摄像头的一侧设置有取景孔，所述红外摄像头镜头朝向取景孔方向且位于取景孔中轴线上，所述第一恒温片和第二恒温片分别设置于所述取景孔的两侧，且所述第一恒温片和第二恒温片分别具有伸出到红外摄像头的成像区内的延伸端；
所述恒温控制模块包括设置在摄像区内的恒温控制电路板，所述恒温控制电路板与恒温片电性连接；
所述红外摄像头电性连接在所述测温控制模块上，所述测温控制模块固定连接在测温框架上，所述测温控制模块上还设置有测温控制电路板，所述主机与恒温控制电路板电性连接。
3.如权利要求2所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：所述恒温控制电路板设置有两个，且分别与所述第一恒温片和所述第二恒温片电性连接。
4.如权利要求1所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：所述恒温片上设置有测温传感器，所述测温传感器经采样电路和放大电路将恒温片实时温度数据传输给主机。
5.如权利要求1所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：所述主机包括内置复位芯片的单片机。
6.如权利要求1所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：所述恒温片采用陶瓷发热片。
7.如权利要求2所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：所述取景孔为圆形，所述恒温片为方形。
8.如权利要求1所述的一种实时双温标定红外测温装置，其特征在于：两个恒温片温度分别设定为30℃、42℃。
9.一种实时双温标定红外测温方法，其特征在于，用于测量待测单元的实时温度，所述方法包括如下步骤：
形成实时热成像图片，所述实时热成像图片中同时包含所述待测单元、第一恒温片和第二恒温片的实时热成像，所述第一恒温片和第二恒温片的温度不同；
在形成实时热成像图片的同时，分别测量所述第一恒温片和所述第二恒温片的实时温度；
读取实时热成像图片中所述待测单元、第一恒温片和第二恒温片所在区域的红外辐射强度转换值，按公式（1）计算待测单元的实时温度：
公式（1）中，
TC为待测单元的实时温度；
γC为实时热成像图片中待测单元的红外辐射强度转换值；
K为转换系数，按公式（2）计算：
公式（2）中，
TA为第二恒温片的实时温度；
TB为第一恒温片的实时温度；
γA为实时热成像图片中第二恒温片的红外辐射强度转换值；
γB为实时热成像图片中第一恒温片的红外辐射强度转换值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210209 |
|
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