CN117516721A - 不规则细长物体的瞄准跟踪红外温度测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不规则细长物体的瞄准跟踪红外温度测量方法及装置。本发明包括热像仪，测温探头、一个支撑二维运动的平台。热像仪以及测温探头固定安装二维运动平台上。本发明还涉及一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，包括系统搭建、建立红外瞄准测温模型、采集物体外壁红外温度、求取物体不同位置下物体红外温度、绘制物体二维红外热图。本发明一次测量即能得到目标轴向温度数据分布，实现了细长不规则物体的轴向红外温度连续测量，增加了数据的丰富程度，提高了测量准确度。
Description
技术领域
本发明涉及物体温度红外测量技术领域，更具体地涉及一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法及装置。
背景技术
在微通道流体换热、细长钢管等应用领域，微细长不规则物体轴向温度的测量为后续热物性等参数的测定提供了相关的基础数据。但是目前缺乏专门为微细长不规则物体轴向温度测量的仪器。在测量过程中，细长不规则物体通过电加热或是自然升温等方式与周围的物质空间达到热平衡，这时物体温度场不随时间变化而变化。这时可以用一些测温仪器测量管道的外壁温度，从而得到细长物体轴向的温度场分布。
传统的测量细长不规则物体外壁温度的方式通常会在被测对象轴向分别等距布置热电偶进行测温，数量通常在10个以内；其它接触式测温方法类似。但是该方法测量得到的温度点较少，无法反映出管道轴向的整体温度分布。在不破坏原有的温度场的基础上，一些场景采用了非接触式测温方法，但类似的，也只能对被测物体轴向上几个离散点进行测温，无法得到完整的轴向温度场。还有通过升降台以及红外温度计以固定直线路径移动来测量外管壁温度，该方法可以进行一定程度上的轴向扫描测温，但是要求被测物体是一个规则的物体，即不存在弯曲现象。在管道轴向布置多个热像仪，后续进行图像拼接，这也是一种方法，然而该方法成本较高，且随着被测物体长度增加，所布置的热像仪也同样增加；如要求热像仪精度与探头一致，成本进一步提升。因此需要一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法及装置。
发明内容
本发明针对现有技术无法获取细长不规则物体完整轴向温度场的问题，提供了一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法及装置。
本发明的第一方面，提供了一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量装置，包括测温探头，热像仪以及二维移动台；
所述热像仪位于测温探头的上方，且热像仪倾斜设置，以使所述测温探头探测到的被测物体区域位于所述热像仪视场中心位置处；测温探头和热像仪均位于二维移动台上；所述被测物体为不规则细长物体；
所述热像仪用于确定瞄准区域中心；所述测温探头依据所述瞄准区域中心对被测物体进行测温，进而获得被测物体的位置与温度对应的关系。
本发明的第二方面，提供了一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤1,安装测温探头与热像仪；
步骤2,建立测温探头的三维坐标系；
步骤3,建立热像仪的三维坐标系以及二维平面坐标；
步骤4,根据步骤2与步骤3建立模型，离线标定d与瞄准区域中心的关系，其中d表示测温探头到被测物体的距离；所述被测物体为不规则细长物体；
步骤5,根据步骤4中已知的d与瞄准区域中心的关系，在线标定瞄准区域中心位置；
步骤6,根据步骤5获得的在线标定关系进行被测物体外壁的红外扫描测温；
步骤7,根据步骤6获得被测物体的轴向温度以及通过红外热图像进行红外热图拼接。
本发明的有益效果：
本发明采用一次测量即能得到目标轴向温度数据分布，实现了细长不规则物体的轴向红外温度连续测量，增加了数据的丰富程度，提高了测量准确度。
附图说明
图1面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量装置示意图；
图2红外探头以及热像仪位置示意图；
图3坐标建立示意图；
图4瞄准点y与d关系图；
图5瞄准点x与d关系图；
图6在线标定示意图；
图7轴向温度场分布图；
图8管道红外拼接图；
图9方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，被测物体材料选择为GH3128，形状为不规则细长的管状，GH3128管道经过氧化处理，发射率稳定。
本发明实施例提供了一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量装置，包括一个红外测温探头1，一个热像仪2、一个保护外壳3、水平运动轨道及运动电机4、竖直运动轨道及运动电机5、电控机箱6、可移动平台7、拖链8。如图1所示，测温探头1与热像仪2固定在保护壳3上，测温探头1与热像仪2通过数据线10与上位机9连接并传输数据信号；电控机箱通过数据线10与上位机9相连；
所述保护壳3与竖直运动轨道及运动电机5组合连接在一起，可进行竖直方向上的运动；所述竖直运动轨道及运动电机5与所述水平运动轨道及运动电机4组合连接在一起,可带动竖直运动轨道及运动电机5进行水平方向上的运动，由此构成二维移动台，所述；竖直运动轨道及运动电机5与所述水平运动轨道及运动电机4的连接线10通过拖链8延伸到电控机箱6，通过电控机箱6控制电机的运动；
其中水平运动轨道固定在所述可移动平台7上；所述拖链8固定在可移动平台7上；所述测温探头1距离被测对象11为测温探头光斑最小时的观测距离。
在一具体示例中，所述红外测温探头1的测量波段为Δλ，Δλ在2～2.6μm范围内，帧率为10Hz，可探测50～1100℃区间温度，输出模式为红外辐射温度。
被测物体11通过恒流源进行加热，通过调节加热电源使被测物体11稳定在不同的温度场。
热像仪2的像素为288×384，帧率为5Hz，可探测常温到500℃区间的温度，输出模式为红外辐射亮度。
在一具体示例中，所述水平运动轨道及运动电机4可调节运动距离达1.1m,竖直运动轨道及运动电机5可调节距离达150mm。
本发明实施例还提供了一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，见图9，包括如下步骤：
步骤1，安装红外测温探头1与热像仪2，固定可移动平台7：
将所述红外测温探头1与热像仪2固定安置在保护外壳3内，所述热像仪2固定在所述测温探头1上部，会保持一定的俯仰角，以使所述测温探头1探测到的物体区域位于所述热像仪2视场中心位置处，见图2。
将所述可移动平台移动到被测物体11前方，调整距离，使测温探头1到被测物体11之间的距离达到最佳测温距离；固定所述可移动平台7上的四个轮子，使所述可移动平台7不发生移动。
步骤2，建立红外测温探头1的三维坐标系：
将红外测温探头1到被测对象11的距离设为d，该方向设为三维坐标系的Z轴，并以红外测温探头1镜头中心为原点；水平运动方向为三维坐标系的X轴，垂直方向为三维坐标系的Y轴，见图3。
步骤3，建立热像仪2的三维坐标系以及二维平面坐标：
以热像仪2镜头中心为原点，热像仪2到被测物体11方向为Zc轴；水平方向为Xc轴；Yc轴垂直于Xc轴与Zc轴构成的平面。热像仪二维平面中，水平为x轴，垂直方向为y轴。
步骤4，根据步骤2和步骤3离线标定出d与瞄准点的关系：
所述红外测温探头1与所述热像仪2位置是固定的，但是距离d的变化会导致所述热像仪2视场中红外测温探头1的测温区域中心位置变化，即距离d与瞄准区域中心二维平面坐标之间存在关系。具体公式如下：
式(1)中，Zc为探头坐标原点在热像仪2坐标系下的坐标、K为相机矩阵是常矩阵、R为旋转矩阵、C为平移向量是常向量、x和y分别为瞄准区域中心的二维坐标。
根据公式(1)可以得到瞄准区域中心(x,y)与距离d之间的关系，在此标定实验过程中d与(x,y)是已知的，标定的参数为式(1)中K,R等未知的量，见图4和图5。
步骤5，根据步骤4中已知的d与瞄准区域中心的关系在线标定瞄准区域中心位置：
所述被测目标11为不规则形状，因此在红外测温探头1的三维坐标系中的Z轴方向上存在变化，即d是不确定的。根据式(1)可以知道当d变化时，x的变化非常小，因此可以将x视为常量。
在线标定中，每隔50mm距离，通过所述竖直运动轨道及运动电机5控制热像仪2与红外测温探头1从上到下通过被测物体，见图6，所述上位机9得到红外探头1对准管道时候的特征温度，从而分析出对准被测目标11时的瞄准区域中心y坐标。并通过公式(1)的外推公式得到d，两个相关公式如下：
Zc ＝sinβ(X-Xo)-cosβ·sinα(Y-Yo)+cosβ·cosα(d-Zo) (3)
式(2)、(3)中α为热像仪绕X轴角度、β为绕Y轴角度、γ为绕Z轴角度；Xo、Yo、Zo为平移向量C的分量；f为热像仪焦距；py为光轴中心在二维坐标下y轴的位置。
所述水平运动轨道及运动电机4每次在X轴方向上移动50mm，然后在线标定距离d与瞄准区域中心点y坐标，通过插值得到X轴上其它坐标下的瞄准区域中心点y坐标。
步骤6，根据步骤5获得的在线标定关系进行管道外壁的红外扫描测温：
所述水平运动轨道及运动电机4移动到最右边；所述竖直运动轨道及运动电机5带动所述红外测温探头1与所述热像仪2运动，使被测物体11进入到所述热像仪2的视场中。
根据步骤5得到的标定好的不同X下的瞄准区域中心位置，在所述上位机9中通过软件设置相应的图像识别算法以及PID跟踪算法便可跟踪管道进行测温。所述上位机9中软件识别当前物体的位置，计算与标定好的瞄准区域中心位置的差，通过所述竖直运动轨道及运动电机5将测温探头移动到被测物体11中心处；通过所述上位机9中软件设置X轴的移动距离，所述水平运动轨道及运动电机4带动红外探头1与热像仪2过程中，热像仪2不断识别被测物体11所处位置，并与步骤6得到的标定好的瞄准区域中心位置比较，所述竖直运动轨道及运动电机5便会移动，使得红外探头1对准管道进行测温，从而获得被测物体11的X位置与被测物体11温度TIR对应的关系。
步骤7，根据步骤6获得管壁轴向温度以及通过红外热图像进行红外热图拼接：
所述水平运动轨道及运动电机4移动过程中，热像仪不断记录被测物体11不同位置处的热图像，可以将该部分数据拼接得到完整的被测物体11热图像，从而更加直观的看到不同位置X下对应的温度。
至此，得到被测物体11的轴向温度场分布，见图7和图8。
进一步，所述红外探头1得到的TIR需要进一步发射率修正，发射率取决于所述被测物体11的材质。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量装置，其特征在于，包括测温探头(1)，热像仪(2)以及二维移动台；
所述热像仪(2)位于测温探头(1)的上方，且热像仪(2)倾斜设置，以使所述测温探头(1)探测到的被测物体(11)区域位于所述热像仪(2)视场中心位置处；测温探头(1)和热像仪(2)均位于二维移动台上；所述被测物体为不规则细长物体；
所述热像仪(2)用于确定瞄准区域中心；所述测温探头(1)依据所述瞄准区域中心对被测物体进行测温，进而获得被测物体的位置与温度对应的关系。
2.面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤:
步骤1,安装测温探头(1)与热像仪(2)；
步骤2,建立测温探头(1)的三维坐标系；
步骤3,建立热像仪(2)的三维坐标系以及二维平面坐标；
步骤4,根据步骤2与步骤3建立模型，离线标定d与瞄准区域中心的关系，其中d表示测温探头(1)到被测物体(11)的距离；所述被测物体为不规则细长物体；
步骤5,根据步骤4中已知的d与瞄准区域中心的关系，在线标定瞄准区域中心位置；
步骤6,根据步骤5获得的在线标定关系进行被测物体(11)外壁的红外扫描测温；
步骤7,根据步骤6获得被测物体(11)的轴向温度以及通过红外热图像进行红外热图拼接。
3.根据权利要求2所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于：
所述测温探头(1)与热像仪(2)固定安置在保护外壳(3)内，保护外壳(3)位于可移动平台(7)上，所述热像仪(2)固定在所述测温探头(1)上部，保持一定的俯仰角，以使所述测温探头(1)探测到的物体区域位于所述热像仪(2)视场中心位置处。
4.根据权利要求2所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于:
设距离d所在的方向设为三维坐标系的Z轴，以红外探头(1)镜头中心为原点；水平运动方向为三维坐标系的X轴，垂直方向为三维坐标系的Y轴。
5.根据权利要求4所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于：
以热像仪(2)镜头中心为原点，热像仪(2)到被测物体(11)方向为Zc轴；水平方向为Xc轴；Yc轴垂直于Xc轴与Zc轴构成的平面；热像仪二维平面中，水平为x轴，垂直方向为y轴。
6.根据权利要求4所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于：距离d与瞄准区域中心二维平面坐标之间存在关系，通过建立瞄准模型以及实验离线标定出该关系。
7.根据权利要求6所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于：在线标定中，每隔一定的固定距离，控制热像仪(2)与红外探头(1)从上到下通过被测物体(11)，得到红外探头(1)对准被测物体(11)时候的特征温度，从而分析出对准被测物体时的瞄准区域中心y坐标；通过插值得到X轴上其它坐标下的瞄准区域中心点y坐标。
8.根据权利要求4所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于：
根据不同X轴下的瞄准区域中心位置，计算当前物体的位置与标定好的瞄准区域中心位置的差，测温探头依据该差值移动到被测物体(11)中心处；
通过设置X轴的移动距离，二维移动平台带动红外探头(1)与热像仪(2)运动，运动过程中热像仪(2)不断识别被测物体(11)所处位置，并与标定好的瞄准区域中心位置比较，使得红外探头(1)对准被测物体(11)进行测温，从而获得被测物体(11)X位置与被测物体(11)温度对应的关系；
通过记录的热像仪数据将数据拼接得到完整的被测物体(11)热图像，至此，得到被测物体(11)的轴向温度场分布。
9.根据权利要求8所述的面向不规则细长物体的动态瞄准跟踪红外温度测量方法，其特征在于：所述红外探头(1)得到的温度需要进一步修正发射率，发射率取决于所述被测物体(11)的材质。
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