CN113237559B - 多光谱辐射测温装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光谱辐射测温装置及使用方法，其中，装置包括：多光谱辐射采集模块和多光谱温度场重建模块，多光谱辐射采集模块包括控制单元、分光单元、红外热像仪，控制单元包括电机和频率计，用于根据频率计的示数控制电机转速，与红外热像仪拍摄速率同步；分光单元包括滤光片和调制盘，用于当电机带动调制盘转动时，使被测目标与调制盘相对运动，以切割被测目标的图像，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片，透射出被测目标在不同波长下的光束；红外热像仪用于将透射后的光束转化为数字图像序列；另一模块用于处理并分析数字图像序列得到被测目标的真温场。该装置针对激光加热测温的实际需求，解决现有测温装置无法测量真温场的问题。

Description

多光谱辐射测温装置及使用方法

技术领域

本发明涉及辐射测温装置技术领域，特别涉及一种多光谱辐射测温装置及使用方法。

背景技术

在自然界中，所有高于绝对零度的物体均在向外发射辐射能量，其中波长在0.76μm-1000μm之间称为红外光波。红外光波具有很高的温度效应，温度越高则辐射能量越强，这是红外热成像测温技术的基础理论。

红外热像仪是能够实现热像测温的精密仪器，作为红外测温技术的核心设备，已经广泛应用于工业、军事、航天和民用等领域。2010年，华东理工大学，段冀渊等人针对现有的家用电器升温检测问题，研制了一套运用红外热像仪的非接触式测温装置，实验结果表明，红外测温方法比传统的热电偶测温方法效率高、自动化程度高、数据实时性好；2011年，天津大学，安俊超等人使用红外热成像仪记录焊接过程，借助其配套的后处理软件，可以方便的测出焊缝和热响应区任意伟指出的焊接热循环曲线；2015年，华北理工大学，马翠红等人为了提高钢水的测温精度，搭建了一套红外热像测温装置，通过小波去噪方法获得信噪比较高的红外灰度图像，使其真实的再现溶池表面温度场情况；2016年，中北大学，田培培等人搭建了一套用于测量温压弹爆炸温度场的红外测温装置，测量所得爆炸火球的最高温度为2881℃，精度约为+8.7％；2019年，中北大学，王凌宇等人运用红外热像仪进行了弹药热毁伤的数据测量，并进行了误差来源理论分析，提升了热图像辨识度，改善了火球毁伤范围定位的准确度。目前人们使用的基于红外热像仪的辐射测温装置，测量所得结果均是被测目标的亮温而不是真实温度，如果要获取被测物体的真实温度，则必须知道被测物体的发射率，然而大多数被测物体的发射率参数均未知，故无法根据发射率求得被测目标的真温。

因此，目前亟待一种针对激光加热的真温场信息测量的装置。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种多光谱辐射测温装置。

本发明的另一个目的在于提出一种多光谱辐射测温装置的使用方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了多光谱辐射测温装置，包括：多光谱辐射采集模块和多光谱温度场重建模块，其中，所述多光谱辐射采集模块包括控制单元、分光单元、红外热像仪，所述控制单元包括电机和频率计，用于根据所述频率计的示数控制所述电机的转速，与所述红外热像仪的拍摄速率同步；所述分光单元包括滤光片和调制盘，用于当所述电机带动所述调制盘转动时，使被测目标与所述调制盘相对运动，以切割所述被测目标的图像，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片，经由所述滤光片透射出所述被测目标在不同波长下的光束；所述红外热像仪用于将被测目标不同波长下被测目标的光束转化为数字图像序列；所述多光谱温度场重建模块包括工控机，用于处理并分析所述数字图像序列得到所述被测目标的真温场。

本发明实施例的多光谱辐射测温装置，解决了单目标多光谱成像技术，实现真温场的测量；装置内部光路较为简单，易于实现，可以获得4个波长的温度场；软件系统兼容性强、功能完整，可以实时显示出被测目标的真温场，同时也可以记录下完整的升温曲线。

另外，根据本发明上述实施例的多光谱辐射测温装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述被测目标放置在所述多光谱辐射采集模块的焦平面上，所述被测目标与所述多光谱辐射采集模块距离2米至20米。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述频率计用于测量所述电机的转速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电动机通过传送带带动所述调制盘，使所述调制盘的转速与所述红外热像仪的拍摄速率同步。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述红外热像仪的重量小于100g。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调制盘设有五个孔，其中，任意四个孔用于放置所述滤波片，剩余的一个孔不放置所述滤波片，作为基准孔，其中，任意四个孔中放置的为四种不同波长的滤波片。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述工控机中安装有基于QT编制的图像匹配算法和多光谱辐射测温法的软件平台。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多光谱温度场重建模块中还包括：触摸显示屏，用于显示测温点和所述被测目标的真温场；语音装置，用于语音播报所述被测目标的真温场信息。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了多光谱辐射测温装置的使用方法，包括以下步骤：将所述被测目标放置在距离所述多光谱辐射采集模块的2米至20米焦平面上，同时选取四种不同波长的滤光片放置在所述调制盘的任意四个孔内；观察并根据所述频率计的示数控制所述电机的转速，使所述电机以及所述电机带动的调制盘与所述红外热像仪的拍摄速率同步；通过所述调制盘切割所述被测目标的辐射能量，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片，经由滤光片透射出所述被测目标的在不同波长下的光束；利用所述红外热像仪将不同波长下的光束转化为数字图像序列，并将所述数字图像序列发送至所述多光谱温度场重建模块中；当所述多光谱温度场重建模块接收到所述数字图像序列后，利用工控机处理并分析所述数字图像序列，将所述被测目标的真温场显示在所述触摸显示屏上，并进行语音播报。

本发明实施例的多光谱辐射测温装置的使用方法，解决了单目标多光谱成像技术，实现真温场的测量；装置内部光路较为简单，易于实现，可以获得5个波长的温度场；软件系统兼容性强、功能完整，可以实时显示出被测目标的真温场，同时也可以记录下完整的升温曲线。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的多光谱辐射测温装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的多光谱辐射采集模块的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的分光单元的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的软件平台界面示意图；

图5是本发明一个实施例的多光谱辐射测温装置的使用方法流程图。

附图标记说明：10-多光谱辐射测温装置、1-多光谱辐射采集模块、11-控制单元、111-电机、112-频率计、12-分光单元、121-滤光片、122-调制盘、13-红外热像仪、2-多光谱温度场重建模块和21-工控机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多光谱辐射测温装置及使用方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的多光谱辐射测温装置。

图1是本发明一个实施例的多光谱辐射测温装置的结构示意图。

如图1所示，该装置10包括：多光谱辐射采集模块1和多光谱温度场重建模块2。

其中，多光谱辐射采集模块1包括控制单元11、分光单元12、红外热像仪13。

控制单元11包括电机111和频率计112，用于根据频率计112的示数控制电机111的转速，与红外热像仪13的拍摄速率同步。

具体地，控制单元由电机1111、频率计112组成，频率计112用于测量电机111的转速，用户通过观察频率计112示数来控制电机的转速，以满足红外热像仪12的拍摄速率，保证所拍摄热图像的完整性。举例而言，电机可以为宁波东莱机电有限公司的WS4255标准型直流无刷电机，驱动器产品型号：WS2403DY01V04，总重量18g，额定电压24V。

分光单元12包括滤光片121和调制盘122，用于当电机111带动调制盘122转动时，使被测目标与调制盘122相对运动，以切割被测目标的图像，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片121进行透射，其中，被测目标放置在多光谱辐射采集模块1的焦平面上，被测目标与多光谱辐射采集模块1距离2米至20米。

具体而言，如图2所示，分光单元12由滤光片121、调制盘122组成，当电机111通过传送带带动调制盘112转动时，使调制盘122与红外热像仪13同步，被测目标的图像与调制盘112之间有相对运动，透辐射与不透辐射栅格切割图像，使得通过调制盘112的辐射能量变成断续形式，由此实现了目标图像的红外辐射能量调制，同时滤光片121可以对特定波段的光束进行选择性透射，并根据探测波段选取对应的滤光片121。

进一步地，如图3所示，调制盘122设有五个孔，滤光片121镶嵌在调制盘上任意四个孔上，放置在四个孔上的滤光片121的波长均不相同，剩余的一个孔不放置滤波片121，作为基准孔。

红外热像仪13用于将被测目标不同波长下被测目标的光束转化为数字图像序列。

具体地，经由滤光片121聚焦的光束显示在红外热像仪13的焦平面上，通过红外热像仪13形成数字图像序列(即采集到的一定带宽的单色热图像)，实现对目标的采集，并通过以太网(或USB接口)传输到工控机21中。举例而言，红外热像仪13可以为武汉闻立光电科技有限公司生产的Z30型号的热像仪，重量小于100g，帧频为50Hz。

进一步地，多光谱温度场重建模块2包括工控机21，用于处理并分析数字图像序列得到被测目标的真温场；触摸显示屏，用于显示测温点和被测目标的真温场；语音装置，用于语音播报被测目标的真温场信息。

具体地，工控机21中安装有基于QT编制的图像匹配算法和多光谱辐射测温法的软件平台，可以在Windows系统和Linux系统下使用。软件的具体功能是依据辐射测温装置所编制的，主要功能包括：打开设备、调整测温距离、调整衰减率、设置调色板、零点矫正、测温点显示(矩形、椭圆)以及温度场显示功能。

下面通过几个具体实施例对本发明提出的多光谱辐射测温装置进一步说明。

实施例一，如图1所示，将被测目标放置在多光谱辐射采集模块1的焦平面上，通过控制单元11使无刷电机进行高速转动，电机111通过传送带带动多孔调制盘122转动，实现多波长的调试；打开内嵌于多光谱辐射测温装置的工控机21，调整网口使红外热像仪13连接成功；通过工控机21中的软件系统控制红外热像仪13进行目标图像的摄录，将摄录的多波长图像进行多波长真温场的运算，如图4所示，并将运算结果触摸显示屏，实现测温装置的真温场实时显示。

实施例二，如图2所示，多光谱辐射采集模块1内部装有红外热像仪13、电机111、多光谱调制盘122和传送带，通过电机111的转动可以实现多光谱图像的采集；结合如图3所示，电机111的高速运转带动调制盘122转动，实现多个波长的调制，调制盘122上包含5个滤光片口镜，本发明装置中采用了其中4个孔径放置四种波长的滤光片；如图4所示，基于QT编制图像匹配算法和多光谱辐射测温法的软件平台，该软件平台可以在Windows系统和Linux系统下使用，具体功能是依据辐射测温装置所编制的，主要功能包括：打开设备、调整测温距离、调整衰减率、设置调色板、零点矫正、测温点显示(矩形、椭圆)以及温度场显示功能。

根据本发明实施例提出的多光谱辐射测温装置，针对激光加热测温的实际需求，解决单目标多光谱成像技术，实现真温场的测量，测温范围在800K-2200K之间，测温精度≤3％；其中，装置内部光路较为简单，易于实现，可以获得4个波长的亮温场信息；同时构建的软件兼容性强、功能完整，可以运用多光谱理论求取目标的真实温度场信息，同时也可以记录下完整的升温曲线。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的多光谱辐射测温装置的使用方法。

图5是本发明一个实施例的多光谱辐射测温装置的使用方法流程图。

如图5所示，该多光谱辐射测温装置的使用方法包括以下步骤：

在步骤S501中，将被测目标放置在距离多光谱辐射采集模块的2米至20米焦平面上，同时选取四种不同波长的滤光片放置在调制盘的任意四个孔内。

在步骤S502中，观察并根据频率计的示数控制电机的转速，使电机以及电机带动的调制盘与红外热像仪的拍摄速率同步。

在步骤S503中，通过调制盘切割被测目标的辐射能量，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片，经由滤光片透射出被测目标的在不同波长下的光束。

在步骤S504中，利用红外热像仪将不同波长下的光束转化为数字图像序列，并将数字图像序列发送至多光谱温度场重建模块中。

在步骤S505中，当多光谱温度场重建模块接收到数字图像序列后，利用工控机处理并分析数字图像序列，将被测目标的真温场显示在触摸显示屏上，并进行语音播报。

根据本发明实施例提出的多光谱辐射测温装置的使用方法，针对激光加热测温的实际需求，解决单目标多光谱成像技术，实现真温场的测量，测温范围在800K-2200K之间，测温精度≤3％；其中，装置内部光路较为简单，易于实现，可以获得4个波长的亮温场信息；同时构建的软件兼容性强、功能完整，可以运用多光谱理论求取目标的真实温度场信息，同时也可以记录下完整的升温曲线。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种多光谱辐射测温装置，其特征在于，包括：多光谱辐射采集模块和多光谱温度场重建模块，其中，

所述多光谱辐射采集模块包括控制单元、分光单元、红外热像仪，

所述控制单元包括无刷电机和频率计，用于根据所述频率计的示数控制所述无刷电机的转速，与所述红外热像仪的拍摄速率同步；

所述分光单元包括滤光片和调制盘，用于当所述无刷电机带动所述调制盘转动时，使被测目标与所述调制盘相对运动，以切割所述被测目标的图像，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片，经由所述滤光片透射出所述被测目标在不同波长下的光束，其中，所述调制盘设有五个孔，其中，任意四个孔用于放置所述滤光片，剩余的一个孔不放置所述滤光片，作为基准孔，任意四个孔中放置的为四种不同波长的滤光片；

所述红外热像仪用于将被测目标不同波长下被测目标的光束转化为数字图像序列；

所述多光谱温度场重建模块包括工控机，用于处理并分析所述数字图像序列得到所述被测目标的真温场；

所述无刷电机通过传送带带动所述调制盘，使所述调制盘的转速与所述红外热像仪的拍摄速率同步；

所述工控机中安装有基于QT编制的图像匹配算法和多光谱辐射测温法的软件平台。

2.根据权利要求1所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于，所述被测目标放置在所述多光谱辐射采集模块的焦平面上，所述被测目标与所述多光谱辐射采集模块距离2米至20米。

3.根据权利要求1所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于，所述频率计用于测量所述无刷电机的转速。

4.根据权利要求1所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于，所述红外热像仪的重量小于100g。

5.根据权利要求1所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于，所述多光谱温度场重建模块中还包括：

触摸显示屏，用于显示测温点和所述被测目标的真温场；

语音装置，用于语音播报所述被测目标的真温场信息。

6.一种多光谱辐射测温装置的使用方法，基于上述权利要求1-5中任一项所述的多光谱辐射测温装置，其特征在于，包括以下步骤：

将所述被测目标放置在距离所述多光谱辐射采集模块的2米至20米焦平面上，同时选取四种不同波长的滤光片放置在所述调制盘的任意四个孔内；

观察并根据所述频率计的示数控制所述无刷电机的转速，使所述无刷电机以及所述无刷电机带动的调制盘与所述红外热像仪的拍摄速率同步；

通过所述调制盘切割所述被测目标的辐射能量，再根据预设探测波段选取对应波长的滤光片，经由滤光片透射出所述被测目标的在不同波长下的光束；

利用所述红外热像仪将不同波长下的光束转化为数字图像序列，并将所述数字图像序列发送至所述多光谱温度场重建模块中；

当所述多光谱温度场重建模块接收到所述数字图像序列后，利用工控机处理并分析所述数字图像序列，将所述被测目标的真温场显示在触摸显示屏上，并进行语音播报。

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