CN113218515A - 一种红外多光谱温度校准仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外多光谱温度校准仪,包括高温红外镜头、多波段精密控制系统、短波红外探测器、高温防护组件、嵌入式控制显示模块、电源和温度反演软件,高温防护组件内部安装有高温红外镜头,高温红外镜头的位置和被测物体的位置相对应,高温防护组件的内部安装有多波段精密控制系统和InGaAs短波红外探测器。本发明所述的一种红外多光谱温度校准仪,通过利用单个镜头和单个探测器,对不同波段的红外辐射进行成像,利用多波段精密控制系统,保证不同波段的红外辐射能够成像于探测器的同一点,创造性地提出了测量被测物体不同波段的红外辐射的强度反演温度的方法和创新的温度反演方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学遥感、红外光谱、光电探测领域,具体为一种基于红外探测的多光谱同时检测的温度探测设备。
背景技术
温度是用来表征物体的冷热程度的物理特征量,是物体的一种重要的状态特性,它的变化必然会引起其它物理状态的改变。对温度的测量可以分为接触式测量和非接触式测量。
接触式测量是将测量元件直接放置于被测量的温度场或者介质中,使其与物体处于热平衡状态,如利用传统温度计或者热电偶传感器,直接测量温度场或者被测物体的温度。这种方法测温准去度高,使用方便。但是其主要缺点在于:第一,如果被测物体对测温元件有物理损坏能力(包括高温、高压或者高腐蚀性等)时,测量准确性会受到较大影响;第二,由于接触式测量要求测量元件与温度场或者被测物体达到热平衡状态,而达到这种状态需要一定的时间。那么,在被测物体的温度变化过程具有瞬态脉冲型变化时,接触式测温方法就会失效无法获得真正的温度。同时,由于这个原因,接触式测量具有滞后性,无法获得实时的温度变化特征;第三,由于测温元件的材料限制,其在极端环境中(包括高温、高压或者高腐蚀性等),可能会由于无法获得满足条件的探测元件材料而导致无法应用。
非接触式测温主要有两种,一是利用被测物体的热力学性质参数测量来反推温度,另一种则是通过光学的方法,通过测量被测物体的辐射情况检测温度。光学检测的方法,最常用的是红外热成像技术。现代科学证明,任何高于绝对零度的物体,都在无时无刻地向空间辐射红外线。黑体的单色辐射出射度随着出射波长的变化而变化,但是总有唯一峰值。随着温度的升高,出射度会指数级增加,但不同温度下的出射度曲线永远不会相交。因此,通过测量特定波长的辐射度,可以确定黑体的温度。但是现实中不存在绝对的黑体。因此常用的光学测温的方法是比色测温法,是通过对同一时刻同一被测物体两个不同波长下的能量积分的比值来反演被测物体的温度。但是,传统的比色测温红外系统,由于成像光学系统和现场环境的原因,其两个波长的成像无法位于同一位置,而多镜头会导致更多的不确定性,从而导致测量误差。
为此,我们提出一种红外多光谱温度校准仪,采用特殊设计,能够利用一套光学系统,采集被测物体的多个波长的红外辐射,准确地确定被测物体的红外辐射特性,进而更准确地计算出物体温度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种红外多光谱温度校准仪,可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种红外多光谱温度校准仪,包括高温红外镜头、多波段精密控制系统、短波红外探测器、高温防护组件、嵌入式控制显示模块、电源和温度反演软件,所述高温防护组件内部安装有高温红外镜头,所述高温红外镜头的位置和被测物体的位置相对应,所述高温防护组件的内部安装有多波段精密控制系统和InGaAs短波红外探测器,所述多波段精密控制系统安装在高温红外镜头和InGaAs短波红外探测器之间,所述嵌入显示模块连接有多波段精密控制系统和InGaAs短波红外探测器,所述电源连接有多波段精密控制系统、InGaAs短波红外探测器和嵌入式控制显示模块。
进一步的,所述高温红外镜头将被测物体辐射的红外线接收,并在通过后续的多波段精密控制系统后,成像到探测器上。
进一步的,所述多波段精密控制系统由滤光片及其调谐控制单元组成。
进一步的,所述短波红外探测器为砷镓铟阵列探测器。
进一步的,所述高温防护组件采用耐高温和绝热材料加工而成。
进一步的,所述嵌入式控制显示模块为红外多光谱校准仪的数据处理、控制和显示单元,其主要由嵌入式系统和显示屏组成,所述反演软件在嵌入式控制的显示模块中运行。
进一步的,所述电源为稳压电源,为红外多光谱校准仪的各个单元进行供电。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明是一种基于被测物体红外辐射探测的红外多光谱温度校准仪,作为工业和其他领域,尤其是高温领域的物体的点、面温度测量设备。红外多光谱温度校准仪接收被测物体发射的红外辐射,利用特有的多波段精密控制系统,对入射的红外辐射的波段进行选择,使探测器能够接收到不同波段的红外辐射的强度,拟合后能够准确地获得被测物体的红外辐射谱线,从而精确地反演出被测物体的温度。由于该温度校准仪采用成像镜头和阵列探测器,对被测物体进行成像,能够获得被测物体各个位置的点或者面的温度,精确获得其温度分布。
红外多光谱温度校准仪包括高温红外镜头、多波段精密控制系统、短波红外探测器、高温防护组件、嵌入式控制显示模块、电源和温度反演软件等单元。其核心部件为高温红外镜头、多波段精密控制系统和温度反演软件。高温红外镜头能够在高温环境下,保证非常宽的透过带宽内的各波段的红外辐射的透过率相同,同时能够保证其光学特性不随着高温环境改变。多波段精密控制系统由滤光片及其调谐控制单元组成,能够使不同波段的红外辐射在不同时刻到达探测器,并成像于探测器的同一位置。温度反演软件利用获得的被测物体的不同波段的红外辐射强度,拟合出被测物体的红外辐射谱线,并利用黑体辐射的相关定律,精确地反演出被测物体温度。
本发明与现有技术相比,其优点有:
1)利用单个镜头和单个探测器,对不同波段的红外辐射进行成像。利用多波段精密控制系统,可以保证不同波段的红外辐射能够成像于探测器的同一点。而目前方法中,每个探测波段需要一个镜头和一个探测器。
2)创造性地提出了测量被测物体不同波段的红外辐射的强度反演温度的方法。相比现有技术常用的比色测温法只探测两个波段的红外辐射,本发明能够测量多个波段的红外辐射,温度测量精度更高。
3)创新的温度反演方法。由于本发明能够测量被测物体的多个波段的红外辐射,因此反演方法与现有技术不同,能够准确地拟合出被测物体的整个红外辐射光谱,从而更加精确地得到温度信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对本发明技术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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种红外多光谱温度校准仪的整体结构示意图。
图中:1、被测物体;2、高温红外镜头;3、多波段精密控制系统;4、InGaAs短波红外探测器;5、高温防护组件;6、被测物体的像;7、嵌入式控制显示模块;8、电源。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制,为了更好地说明本发明的具体实施方式,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸,对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的,基于本发明中的具体实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1,一种红外多光谱温度校准仪,包括高温红外镜头(2)、多波段精密控制系统(3)、InGaAs短波红外探测器(4)、高温防护组件(5)、嵌入式控制显示模块(7)、电源(8)和温度反演软件,高温防护组件(5)内部安装有高温红外镜头(2),高温红外镜头(2)的位置和被测物体(1)的位置相对应,高温防护组件(5)的内部安装有多波段精密控制系统(3)和InGaAs短波红外探测器(4),多波段精密控制系统(3)安装在高温红外镜头(2)和InGaAs短波红外探测器(4)之间,嵌入显示模块连接有多波段精密控制系统(3)和InGaAs短波红外探测器(4),电源(8)连接有多波段精密控制系统(3)、InGaAs短波红外探测器(4)和嵌入式控制显示模块(7)。主要的作用是利用高温红外镜头(2),接收被测物体(1),尤其是高温物体发射的红外辐射,经过多波段精密控制系统(3),滤出特定的多个波段的红外辐射,并且通过对多波段精密控制系统(3)中的滤光片设计和调谐系统的控制,将不同波段的红外辐射成像在短波红外探测器的相同位置,从而测量出被测物体(1)在不同波段的红外辐射强度,拟合出物体的红外辐射谱线,从而计算出被测物体(1)的温度,用于被测物体(1)的温度校准。
高温红外镜头(2)将被测物体(1)辐射的红外线接收,并在通过后续的多波段精密控制系统(3)后,成像到探测器上。镜头由红外光学玻璃加工而成,其在红外波段具有很高的透过率,并对在所测波段范围内的所有红外辐射具有相同的透过率。考虑该温度校准仪将在高温环境下工作,材料具有耐高温的特性,并且在大范围温度变化的环境中,其光学特性不发生变化。
多波段精密控制系统(3)由滤光片及其调谐控制单元组成。滤光片用于滤出所需要的特定的多波段的红外辐射,同时抑制其他波段的辐射,保证探测器能够探测到所需要的波段的红外辐射。滤光片是一块镀多层膜的光学镜片,通过光学设计,在镜片上镀上不同材料和厚度的光学膜层,能够让滤光片拥有不同的波长选择透过性。本发明中,通过探测多波段的红外辐射的强度,获得被测物体(1)的辐射谱线,需要透过较多的波段的红外辐射。解决方法是定制特殊的滤光片,对滤光片的镀膜的材料和厚度进行设计,在滤光片上度不同厚度不同材料的膜层,能够实现在不同入射角度的情况下,通过滤光片后的光的波长和滤光片的角度一一对应。由于镀膜材料的不同和红外辐射通过膜层和镜片的距离不同,那么不同的红外辐射通过滤光片的光程是可以通过膜层的厚度、材料和角度去控制的,那么通过设计,可以达到使得不同波段的红外辐射,在各自特定的入射角度的情况下,其在滤光片中的光程是相等的。调谐控制单元利用滤光片透过波长与角度的对应关系,对滤光片的角度进行调谐,从而改变透过滤光片的光的波长,达到滤出所需波长的目的。依次调谐滤光片的角度,获得不同波段的红外辐射,并进入后续的探测器。同时,不同的波长的光在通过光学系统时,由于光学元件对于不同波长的光或辐射的折射率不同,因此,在正常情况下,不同波段的红外辐射,通过相同的光学系统后,由于折射率的不同,它们通过的光程也不同,那么,不同波段的红外辐射无法在探测器上的同一位置成像,导致无法探测。如之前,不同波段的红外辐射,在特定的角度下,其到达探测器的光程相同,那么不同波段的红外辐射的会聚点是相同的,从而保证入射的不同波段的红外辐射成像在探测器的同一位置。
短波红外探测器为砷镓铟阵列探测器。作用是对通过红外镜头和滤光片的红外辐射进行探测。被测物体(1)的红外辐射,经过镜头和滤光片后,会在阵列探测器上成像,该像的各点与被测物体(1)自身一一对应。阵列探测器上的各个探测单元上由于不同强度的红外辐射的作用,会产生不同强度的电压,从而能够探测出入射到阵列探测器上的红外辐射的强度,也就是被测物体(1)不同位置的红外辐射的强度。
高温防护组件(5)采用耐高温和绝热材料加工而成。主要作用在于保护整个红外多光谱温度校准仪在高温的环境下能够正常工作。由于红外光学镜头和滤光片作为红外辐射的入口,外部热量能够通过该处进入温度校准仪的内部,对探测器的光谱响应和量子效率产生影响,造成探测器输出的电压变化,从而影响测量结果。高温防护组件(5)的外壳在外部将红外多光谱温度校准仪进行包裹,隔绝热量进入系统,同时,在入光口的位置,采用耐高温并隔热的光学玻璃材料,同时镀宽谱的增透膜,保证红外辐射能够进入红外多光谱温度校准仪。
嵌入式控制显示模块(7)为红外多光谱校准仪的数据处理、控制和显示单元,其主要由嵌入式系统和显示屏组成,嵌入式系统的优点在于体积小、重量轻,同时具有丰富的硬件接口,能够与其他各组件进行连接,控制红外多光谱温度校准仪的各个单元组件按照设定的流程进行工作,并对各单元组件和红外多光谱温度校准仪系统的工作状态进行监测,同时接收各组件的反馈信号和错误信号,进行系统的自检。嵌入式系统的第二个作用是与多波段精密控制系统(3)进行通信,保证特定波段的红外辐射进入探测器。嵌入式系统的第三个作用是对短波红外探测器的输出信号进行检测、采样和存储,对存储的数据进行去噪、滤波、反演等处理,输出温度数据。显示模块为一块具有触屏功能的显示屏,主要的作用是显示最终数据和与用户进行交互,用户能够通过显示屏上的交互界面,查看不同显示模式的数据图像和数据文本,设置红外多光谱校准仪的工作参数和显示模式,查看各个组件的工作状态,查看和处理故障信息;
反演软件在嵌入式控制的显示模块中运行,本发明中温度反演软件主要的作用是利用探测器采集的红外辐射强度数据,反推出被测物体(1)的温度。其主要的方法是通过调谐多波段精密控制系统(3),获得被测物体(1)的不同波段的红外辐射强度,拟合出被测物体(1)的红外辐射谱线,并利用黑体辐射的相关定律,精确地反演出被测物体(1)温度。同时由于探测器对于各个波段的红外辐射的响应不同,因此,温度反演软件中,根据探测器的光谱特性,对于各个波段的红外辐射的输出值进行修正。
电源(8)为稳压电源(8),为红外多光谱校准仪的各个单元进行供电。
实施例2
如图1,一种红外多光谱温度校准仪包括高温红外镜头(2)、多波段精密控制系统(3)、InGaAs短波红外探测器(4)、高温防护组件(5)、嵌入式控制显示模块(7)、电源(8)和温度反演软件(软件在嵌入式控制显示模块(7)中运行,图中未画出)等单元。其核心部件为高温红外镜头(2)、多波段精密控制系统(3)和温度反演软件。
被测物体(1)发射的红外辐射通过高温红外镜头(2)和多波段精密控制系统(3)后,被测物体(1)的像成像于短波红外探测器,在短波红外探测器上形成与被测物体(1)一样的像。由于多波段精密控制系统(3)的波长选择透过性,当多波段精密控制系统(3)位于某个角度时,仅能够透过第一个波段的红外辐射,此时短波红外探测器输出电压,电压强度即可代表该波段的红外辐射强度,短波红外探测器各个像元代表被测物体(1)的各个部分。嵌入式控制显示模块(7)采集并记录短波红外探测器传过来的图像数据,并存储。
调谐多波段精密控制系统(3),透过第二个波段的红外辐射,并重复以上处理。之后继续调谐多波段精密控制系统(3),采集后续波段的红外辐射并存储。
完成所有波段的红外辐射的图像采集后,利用温度反演软件,拟合被测物体(1)各个部分的辐射曲线,并计算出各个部分的温度。
电源(8)为整个系统供电。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种红外多光谱温度校准仪,包括高温红外镜头、多波段精密控制系统、短波红外探测器、高温防护组件、嵌入式控制显示模块、电源和温度反演软件,其特征在于,所述高温防护组件内部安装有高温红外镜头,所述高温红外镜头的位置和被测物体的位置相对应,所述高温防护组件的内部安装有多波段精密控制系统和InGaAs短波红外探测器,所述多波段精密控制系统安装在高温红外镜头和InGaAs短波红外探测器之间,所述嵌入显示模块连接有多波段精密控制系统和InGaAs短波红外探测器,所述电源连接有多波段精密控制系统、InGaAs短波红外探测器和嵌入式控制显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种红外多光谱温度校准仪,其特征在于:所述高温红外镜头将被测物体辐射的红外线接收,并在通过后续的多波段精密控制系统后,成像到探测器上。
3.根据权利要求1所述的一种红外多光谱温度校准仪,其特征在于:所述多波段精密控制系统由滤光片及其调谐控制单元组成。
4.根据权利要求1所述的一种红外多光谱温度校准仪,其特征在于:所述短波红外探测器为砷镓铟阵列探测器。
5.根据权利要求1所述的一种红外多光谱温度校准仪,其特征在于:所述高温防护组件采用耐高温和绝热材料加工而成。
6.根据权利要求1所述的一种红外多光谱温度校准仪,其特征在于:所述嵌入式控制显示模块为红外多光谱校准仪的数据处理、控制和显示单元,其主要由嵌入式系统和显示屏组成,所述反演软件在嵌入式控制的显示模块中运行。
7.根据权利要求1所述的一种红外多光谱温度校准仪,其特征在于:所述电源为稳压电源,为红外多光谱校准仪的各个单元进行供电。
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