CN113758573A - 基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统、方法及装置，包括：透镜模块、分光模块、接收与电流放大转化模块、A/D转换模块和数据处理模块；透镜模块汇聚红外辐射光子，分光模块分割红外辐射信号，使红外辐射信号成为独立的三路信号，三路信号通过不同的滤光片后被三个探测器接收；接收与电流放大转换模块实时接收三个光路的光子流，产生电流，并将电流放大输出至A/D转换模块；A/D转换模块将接收到的电流进行数字转换，数据处理模块处理计算测物的温度值。本发明利用分光镜与反射镜，设置三个波段的波长进行光学检测，并且每个波段的波长相差较大，利用不同波长的不同穿透与检测特性，适应不同检测环境与检测精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及红外测温领域，具体地，涉及一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统、方法及装置。
背景技术
红外测温装置是一种用于检测装置周围温度分布的装置，但随着科技的发展，人们对测温装置的要求越来越高，导致传统的测温装置已经无法满足人们的使用需求；
现有的红外测温装置校准方法主要是，先由红外测温装置对每一物体进行测温后，再由人工使用测温装置在对物体进行精确测温，在与摄像机检测的温度进行对比，由此检测测温装置检测温度与实际物体温度的误差，但是由于物体温度受环境因素较大，因此容易导致检测结果出现误差，同时由于此方法只能对测温装置在每一特定距离和特定温度的检测误差，因此检测出的温度结果不具普遍性。尤其在冶金生产过程中会存在高温、粉尘、水雾等干扰，限制了红外测温装置在这种测温场景中的应用。
许多研究尝试提出校正方法或补偿方法以克服环境因素对红外测温精度的影响，比如针对测温距离、视场角、大气透射率等对红外测温影响的研究。上述研究在一定程度上减小了环境因素对红外测温方法造成的误差，提高了红外测温方法的精度。粉尘是工业生产过程中常见的环境因素，对红外测温方法有着不可忽视的影响。但是，关于如何克服粉尘对红外测温影响的研究鲜有报道，这也限制了红外测温装置在有粉尘的测温场景中的应用。
申请号201610096695.7一种红外温度检测精度校正方法，该专利文献通过综合研究观测角度和观测距离对红外热像仪实际测温过程的影响,得到测量视角、观测距离、测量结果与实际温度值之间的关系式，从而对实际测温结果进行校正，提高红外热像仪的测温精度。该专利只针对测量视角和观测距离对红外热像仪测温精度的影响，无法适用于光路中存在粉尘的测温场景。
申请号201910969515.5红外测温标定方法、装置、红外热成像设备及存储装置该专利公开了一种红外测温标定方法、装置、红外热成像设备及存储装置。其中方法包括：使用第一待标定红外热成像设备测量黑体在等温差间隔的多个温度点的灰度值；基于灰度值绘制曲线模板。将该曲线模板输入至第二待标定红外热成像设备中，并对该第二待标定红外热成像设备的基准温度进行补偿、以及对红外探测器参数进行调节。通过上述方式，能够缩短标定工艺周期、且工序简便高效。但由于该第二待标定红外热成像设备为第一待标定红外热成像设备、或与该第一待标定红外热成像设备具有相同类型的红外探测器的待标定红外热成像设备，因此其适应环境必须与第一代表丁红外热像设备保持一致，对环境不具有广泛适应性。
在公告号为CN111272296B的中国专利文献中，介绍了一种降低光路中粉尘对红外测温影响的校正方法及系统，根据红外测温原理，建立原始机理模型，基于原始机理模型和粉尘影响下的参考体，获取粉尘透射率，基于原始机理模型和粉尘透射率，建立粉尘影响下的机理校正模型，基于机理校正模型，获得粉尘影响下的红外测温结果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统、方法及装置。
根据本发明提供的一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，包括：透镜模块、分光模块、接收与电流放大转化模块、A/D转换模块和数据处理模块；
所述透镜模块将待测物体发出的红外辐射光子汇聚成一束光子流后，达到分光模块；
所述分光模块用于分割汇聚后的光子流，使汇聚后的光子流成为相对独立的三路信号，三路信号分别通过不同的滤光片后被三个相同的探测器接收；
所述接收与电流放大转换模块实时接收三个光路的光子流，产生相应的电流，并将电流放大输出至A/D转换模块；
所述A/D转换模块将接收到的电流进行数字转换，转换成数字量后供数据处理模块运算分析；
所述数据处理模块对采集到的数字量进行处理，得到当前时刻被测物的温度值。
优选的，所述透镜模块包括透镜、准直镜和光路保护外壳，所述透镜和准直镜均设置在光路保护外壳中，所述透镜用于阻挡空气中的粉尘、烟雾杂质，所述准直镜将待测物体所发射的红外辐射光子汇聚成一束光子流后，达到分光模块；
优选的，所述分光模块包括第一分光镜、第二分光镜、第一反光镜、第二反光镜、第一滤光片、第二滤光片以及第三滤光片，准直镜发出的光子流到达第一分光镜后分成两路，一路构成光路A，所述光路A经过第一滤光片；另一路射向第一反光镜，经第一反光镜后到达第二分光镜，通过第二分光镜再次二分，一路构成光路B，所述光路B经过第二滤光片；另一路射向第二反光镜，经第二反光镜反射后形成光路C，所述光路C经过第三滤光片。
优选的，所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片具有不同的中心波长和有效带宽。
优选的，所述数据处理模块运算分析时，将光路A的入射辐射值按照二分之一计算。
根据本发明提供的一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用维恩公式得出非黑体的光谱辐射亮度之比与其温度之间的关系式，将光路A、光路B以及光路C不同波长的辐射能按照两两配对原则，计算三条光路比色测温计计算温度T1 i、
和
，并计算出理论计算温度Ti，i表示时间序列中第i时刻；
步骤S2：根据三条光路比色测温计计算温度与理论计算温度的差值，修改三条光路的发射率，修改后重新计算三条光路的比色测量计计算温度以及理论计算温度，当连续两次计算的理论计算温度小于设定值时，迭代计算结束，将最后一次计算的理论计算温度作为待测物体的温度，否则继续修改三条光路的发射率。
优选的，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S2.1：初始化参数，令i＝1，设置参数α,β∈(0.01,0.1)，且α＞β，设置三条光路发射率的初始值；
步骤S2.2：计算三个光路的理论温度检测值T1 i、
和计算理论真实温度Ti，
步骤S2.3：若i≥2且|Ti-Ti-1|≤5，则迭代计算结束，物体检测温度为Ti，反之进入步骤S2.4；
步骤S2.4：计算三个光路的理论温度检测值T1 i、
与理论真实温度Ti的差值，分别记作
和
并对
和
进行大小排序，对最大值记
中间值记
最小值记
对应的光路发射率表示为
计算两个差值
步骤S2.5：若
则
并且α＞β、α,β∈(0.01,0.1)否则
步骤S2.6：将更新后的
代入其所对应的光路，令i的值增加1，返回步骤S2.2。
优选的，所述步骤S2.1中三条光路发射率的初始值设置为：
和
优选的，所述三条光路比色测温计计算温度T1 i、
和
之间的差值在设定范围内时，不用调整光路发射率，直接计算出理论计算温度Ti作为物体的温度。
根据本发明提供的一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温装置，采用上述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.利用分光镜与反射镜，设置三个波段的波长进行光学检测，并且每个波段的波长相差较大，从而利用不同波长的不同穿透与检测特性，适应不同的检测环境与检测精度要求。
2.无需校准发射率，可以利用检测温度时间序列的相关性，考虑到检测物体的温度在及其短的相邻时间段内不会发生跳变，可以在若干时间段内，建立关于温度与发射率之间的函数关系式，利用发射率迭代的方法不断逼近当前温度情况下真实发射率，进而求得当前时刻检测温度。
3.通过三波长检测温度值，拟合出真实检测温度，避免了由于选取波长带来的检测误差，提高了检测精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统分布图；
图2为基于发射率迭代的三波长比色红外测温方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明介绍了一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，如图1所示，包括透镜模块、分光模块、接收与电流放大转换模块、A/D转换模块和数据处理模块。
透镜模块包括透镜、准直镜和光路保护外壳，所述光路保护外壳内设置有透镜、准直镜。透镜将环境中的粉尘、烟雾等杂质阻挡，只允许待测物体所发射的红外辐射光子通过，准直镜将其进行汇聚成一束光子流后，达到分光模块。
分光模块是利用反射镜、分光镜等光学器件，将辐射信号进行分隔，使其成为相对独立的三路信号，然后三路信号分别通过不同波长的滤光片，最后三路辐射信号被同三个探测器接收。由于每个滤光片都有自己的中心波长和有效带宽，因此滤光片也无法完全保证仅仅是所需波长的光子通过。在滤光片的中心波长较为接近时，更易造成检测误差。
分光模块包括第一分光镜、第二分光镜、第一反光镜、第二反光镜、第一滤光片、第二滤光片以及第三滤光片，准直镜发出的光子流到达第一分光镜后分成两路，一路构成光路A，所述光路A经过第一滤光片；另一路射向第一反光镜，经第一反光镜后到达第二分光镜，通过第二分光镜再次二分，一路构成光路B，所述光路B经过第二滤光片；另一路射向第二反光镜，经第二反光镜反射后形成光路C，所述光路C经过第三滤光片。
考虑到光路B、光路C是经过二次分光的，其所接收到的光路辐射值仅为光路A入射辐射值的二分之一，因此在进行比色测温计算时，光路A的入射辐射值按照其二分之一进行计算。
接收与电流放大转换模块通过实时接收三个光路的光子流时，产生相应的电流。由于电流为μA级，因此需要将电流放大并转换成mV级的电压值进行输出。
A/D转换模块将接收到的mV级电压值进行数字转换，转换成一定范围内的数字量，供数据处理模块进行运算分析。
数据处理模块采用发射率迭代的方法对采集的数据进行处理，进而得到当前时刻被测物温度值。
上述基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统的测温方法如图2所示，具体如下：
红外测温多为比色测温法，又称双色法，比色测温法是根据同一时刻同一点的两个相邻波长辐射能的比值来确定温度值，这样就可以消除器件特性调整、镜头污染等时变因素的影响，实现图像处理的灰度归一化。其思路是在两个波长λ1和λ2下同时测量到同一点发出的单色辐射能
和
单色辐射强度信号经过计算机数字化处理后，根据两者的比值即可计算出该点的温度T,利用维恩公式得出非黑体的光谱辐射亮度之比与其温度之间的关系式：
其中C2是第二辐射常数，当实际物体是灰体或接近灰体时，物体的发射率ε(λ1,T)＝ε(T)，则可以认为实际物体的比色温度等于它的真实温度。若两个波长选择得合适，则在测量精度允许范围内，可以认为吸收率基本不随波长变化。因而可把实际物体看是“灰体”，用比色测量公式所测得的结果作为物体的实际温度。
通过上述结构设计，在同一时刻，测温仪可以得到三个光路的不同波长情况下的辐射能，按照两两配对的原则，则同一时刻可以建立如下关系式：
式中，上标i表示时间序列中第i时刻。拟合多项式，可以得到
假设真实温度为Ti，则
令
并对上式进行泰勒级数展开
进一步整理后，可得
显然，A+B+C＝0
可得
由于三个光路的波长彼此相差较大，不能简单的认为εi(λ1,T)≈εi(λ2,T)≈εi(λ3,T)，而应该认为εi(λ1,T)≠εi(λ2,T)≠εi(λ3,T)。同时，由于是同一时刻测量的结果，因此，计算温度检测值应该为
假设
即认为采用光路A计算的温度值与真实值相差最大，光路B次之，光路C的计算误差最小路。此时可以采取适当减小光路A的发射率，同时适当增加光路C的发射率的方法来进行调整。其具体的调整方法如下：
步骤1：初始化参数，令i＝1，设置
步骤2：通过比色测温计算公式(2)，计算三个光路的理论温度检测值T1 i、
计算理论真实温度Ti。
步骤3：若i≥2，|Ti-Ti-1|≤5，则迭代计算结束，物体检测温度为Ti。
步骤3：计算
和
按照从大到小对
和
进行排序，对最大值记
中间值记
最小值记
其所对应的光路发射率表示为
计算两个差值
步骤4：若
则
并且α＞β、α,β∈(0.01,0.1)否则
步骤5：将更新后的
代入其所对应的光路，i＝i+1，返回步骤2。
考虑到检测物体的温度变化是连续的，缓慢的。因此，可以假设，在相邻两个单位间隔内，温度变化非常小。则在下一个单位时间内
因此，下一时刻的发射率可以用上一时刻的发射率替代，当T1 i、
之间的差值在一定范围内可以不用调整发射率，可按照公式求得最终检测的温度。
下面结合具体参数对本发明做进一步说明。
对于三波长发射率参数
的确定，本实施例选用的红外光的三个中心波长分别为850nm，990nm，1250nm。光子流探测器为高精度硅光二极管，其芯片尺寸为10mm×10mm，响应时间8μs。分光镜采用平面非偏振分光镜，其分光比为50R/50T。滤光片中心波长即为三个红外光设定波长，其半带宽为10nm。电流放大模块高精度IV转换模块，其暗电流可达到pA级别。A/D转换模块采用ADS1256模块，其检测精度可达24位。数字处理单元采用stm32数据处理模块，其内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。红外检测装置信号通过网线连接到计算机。被测目标即红外辐射体为Fluke红外黑体源。
将红外黑体源放置于检测装置前3米处，并将红外检测装置固定于三角支架上面，实验过程中将红外黑体源的温度设定为恒温1100℃，利用红外热像装置的三个光路可分别测得光子流的电流辐射强度大小。
光路A的接收辐射能在进行计算时需要按照其能量的二分之一进行计算。通过接收装置与IV转换放大装置的转换，最终在A/D转换前可以得到光路A、B、C的输出电压分别为3.65V、3.74V、3.2V。
初始计算时，可以设置
利用公式(2)对所测实验数据进行计算，可以得到T1 1＝1090.34℃、T1 1＝1188.21℃、T1 1＝1142.98℃。通过公式(6)可计算得到理论真实温度T1＝1140.51℃而实际真实温度为1100℃，此时计算存在较大误差。
依据三条光路比色测温计算温度T1 1、
与理论计算温度T1可以分别求出三个光路的检测误差
和
此时
进一步，可以求得
由于
因此，
下一时刻，将更新后的三个光路发射率代入后，重新进行计算。通过三次迭代计算后，T1 4＝1080.3℃，
理论计算温度T4＝1101.22℃，由于上次迭代计算时，计算的理论计算温度为T3＝1102.32℃，|T4-T3|≤5℃，满足迭代计算结束条件，计算结束，系统输出检测温度为1102.32℃。
综上，本发明建立三个波长的光路通道，通过迭代计算每个光路的发射率来不断逼近真实发射率，进而求得被测物体表面真实温度，本装置检测速度快，并且检测精度极高，对于红外热辐射检测的广泛应用具有重大的意义。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，其特征在于，包括：透镜模块、分光模块、接收与电流放大转化模块、A/D转换模块和数据处理模块；
所述透镜模块将待测物体发出的红外辐射光子汇聚成一束光子流后，达到分光模块；
所述分光模块用于分割汇聚后的光子流，使汇聚后的光子流成为相对独立的三路信号，三路信号分别通过不同的滤光片后被三个相同的探测器接收；
所述接收与电流放大转换模块实时接收三个光路的光子流，产生相应的电流，并将电流放大输出至A/D转换模块；
所述A/D转换模块将接收到的电流进行数字转换，转换成数字量后供数据处理模块运算分析；
所述数据处理模块对采集到的数字量进行处理，得到当前时刻被测物的温度值。
2.根据权利要求1所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，其特征在于：所述透镜模块包括透镜、准直镜和光路保护外壳，所述透镜和准直镜均设置在光路保护外壳中，所述透镜用于阻挡空气中的粉尘、烟雾杂质，所述准直镜将待测物体所发射的红外辐射光子汇聚成一束光子流后，达到分光模块。
3.根据权利要求1所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，其特征在于：所述分光模块包括第一分光镜、第二分光镜、第一反光镜、第二反光镜、第一滤光片、第二滤光片以及第三滤光片，准直镜发出的光子流到达第一分光镜后分成两路，一路构成光路A，所述光路A经过第一滤光片；另一路射向第一反光镜，经第一反光镜后到达第二分光镜，通过第二分光镜再次二分，一路构成光路B，所述光路B经过第二滤光片；另一路射向第二反光镜，经第二反光镜反射后形成光路C，所述光路C经过第三滤光片。
4.根据权利要求3所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，其特征在于：所述第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片具有不同的中心波长和有效带宽。
5.根据权利要求1所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，其特征在于：所述数据处理模块运算分析时，将光路A的入射辐射值按照二分之一计算。
6.一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温方法，采用权利要求1-5任一项所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：利用维恩公式得出非黑体的光谱辐射亮度之比与其温度之间的关系式，将光路A、光路B以及光路C不同波长的辐射能按照两两配对原则，计算三条光路比色测温计计算温度T1 i、
和
并计算出理论计算温度Ti，i表示时间序列中第i时刻；
步骤S2：根据三条光路比色测温计计算温度与理论计算温度的差值，修改三条光路的发射率，修改后重新计算三条光路的比色测量计计算温度以及理论计算温度，当连续两次计算的理论计算温度小于设定值时，迭代计算结束，将最后一次计算的理论计算温度作为待测物体的温度，否则继续修改三条光路的发射率。
7.根据权利要求6所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S2.1：初始化参数，令i＝1，设置参数α,β∈(0.01,0.1)，且α＞β，设置三条光路发射率的初始值；
步骤S2.2：计算三个光路的理论温度检测值T1 i、
和计算理论真实温度Ti，
步骤S2.3：若i≥2且|Ti-Ti-1|≤5，则迭代计算结束，物体检测温度为Ti，反之进入步骤S2.4；
步骤S2.4：计算三个光路的理论温度检测值T1 i、
与理论真实温度Ti的差值，分别记作
和
并对
和
进行大小排序，对最大值记
中间值记
最小值记
对应的光路发射率表示为
计算两个差值
步骤S2.5：若
则
并且α＞β、α,β∈(0.01,0.1)否则
步骤S2.6：将更新后的
代入其所对应的光路，令i的值增加1，返回步骤S2.2。
8.根据权利要求7所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温方法，其特征在于：所述步骤S2.1中三条光路发射率的初始值设置为：
和
9.根据权利要求6所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温方法，其特征在于：所述三条光路比色测温计计算温度T1 i、
和
之间的差值在设定范围内时，不用调整光路发射率，直接计算出理论计算温度Ti作为物体的温度。
10.一种基于发射率迭代的三波长比色红外测温装置，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的基于发射率迭代的三波长比色红外测温系统。
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