CN206114120U - 一种镜面红外测温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种镜面红外测温装置，旨在提供一种可以准确测量镜面温度的镜面红外测温装置。该红外测温装置包括探测模块、球面凹面镜罩和用于连接探测模块及球面凹面镜罩的连接体；所述球面凹面镜罩的内表面为球面反射面，其顶点区域背面设置与连接体固定连接的圆形座；所述连接体的中心具有与探测模块的探头形状相应的通孔，探测模块的探头伸入连接体的通孔内；所述圆形座中心设置与探头形状相应的贯通孔，且该贯通孔延伸至球面凹面镜罩内表面，于球面凹面镜罩形成开口。本实用新型可有效提高镜面温度测量的精度。

Description

一种镜面红外测温装置

技术领域

本实用新型涉及红外测温领域，尤其涉及一种镜面红外测温装置。

背景技术

温度是影响光学成像设备像质的关键因素之一，对像质的影响主要包括：镜面与空气的温差起伏会在镜面附近空气中形成一层湍流，产生镜面视宁度（mirror seeing）；光学元件温度变化引起的热变形和折射率变化，使反射或透射后的波面偏离了理想波面，产生热致像差；温度引起的光学元件其它性能参数的变化。研究并消除温度对光学成像设备的影响，光学镜面的温度精确测量是不可缺失的一环。目前光学镜面温度测量法有接触测温和间接测温两种，但都有一定的局限性：接触测温通过在镜面布置测温探头获取温度，实际热环境中，镜面温度分布比较复杂，必须有足够多的测温点数才能反映温度分布。由于光学镜面膜层和面形精度的超高要求，不能在镜面黏贴很多测温探头。间接测温是基于镜面背部接触测温，通过数值计算间接反映镜面温度。镜体的热环境参数难以实测，包括镜体与支撑结构的复杂热传导、复杂多变的对流和辐射换热等，导致计算出的镜面温度不准确。

非接触测温不会影响镜面膜层和面形，与接触测温相比有明显的优势。非接触测温技术种类繁多，主要包括适用于高温物体的近红外测温、比色测温、亮度测温和多光谱辐射测温等、基于形变测量的激光干涉测温和全息干涉测温技术等。光学镜面的工作运行状态温度多处于常温范围，适合常温物体的非接触测温仪器为中、长波红外测温设备。光学镜面镀有各种用于提高反射或透射能力的膜层，表面红外波段反射率很高且热发射率很小，周边环境在镜面有强烈的反射辐射，严重干扰了测温精度。目前红外测温技术可对漫发射体（朗伯体）进行精准测温，对光学镜面等高反射率表面的红外测温被认为是不准确的。传统红外测温设备和测温方法难以精准测量镜面温度的原因主要体现在以下三个方面：

1）镜面自身热辐射远小于其反射的环境辐射。镜面红外波段的热发射率极低、反射率超高，部分镀金膜的镜面反射率可达95%以上，热发射率小于0.05。常温镜面自身热辐射小于周边环境甚至大气下行辐射在镜面的反射。传统红外测温设备进行镜面测温时，红外探测器接受的红外辐射主要是反射的环境辐射而非镜面自身热辐射。

2）光学镜面热发射率低，常温镜面的自身热辐射弱，部分超高反射镜面的自身热辐射小于传统红外测温设备标定的辐射测量下限。

3）传统红外测温设备，只能收集与镜面法线成小夹角的镜面自身热辐射，多数镜面的与法线呈小夹角的定向热发射率较小，小于其大夹角定向热发射率。红外测温仪收集的镜面热辐射只占镜面总热辐射的一小部分。

由于镜面红外波段的热发射率极低、反射率超高，传统红外测温设备对其的红外测温被是不准确的。为了实现镜面、金属表面的红外测温，诸多科学技术人员做了各种研究，概括如下：

（1）物体表面的反射率与温度、入射角度有关，科研人员包括Chayan Mitra，Norman Turnquist、Ayan Banerjee等人深入研究了测物体表面反射率获取温度的方法。反射率测量采用了直接测量入射/反射辐射强度、调制解调测和测量偏振分量计算反射率等方法。反射率测温法目前可用于高温金属表面测温，常温金属表面测量效果较差，不适合常温光学镜面测温。

（2）美国阿贡国家实验室材料科学部的W. A. Ellingson和弗罗里达大学的C. K.Hsieh提出了多波段红外成像测温的设计，多波段红外测温装置可应用于高温金属表面测温，但不适合具有超高反射率的常温镜面测温。

（3）德国国家计量院（PTB）的C.Monte、B.Gutschwager、J.Hollandt与全俄光学物理研究院（VNIIOFI）的S.P.Morozova联合设计了一种具备高精度红外测温和发射率测量的设备，代表着目前红外测温的前沿水平。为了消除周边环境的反射辐射干扰，设备关键部分和光路都进行了液氮冷却，光路和腔室处于真空环境。该设备可以对放置于其测量腔室内的光学镜面进行测温，不能测量运行状态下的镜面温度。

（4）中国计量科学研究院研制的真空红外温度标准设备（VRTSF），于2015年研制成功。设备内部采用液氮制冷和真空设计，内置有傅里叶红光光谱仪（BrukerVERTEX80V）。VRTSF代表着国内红外辐射测量的前沿水平，但只能测量放置于其测量腔内的镜面温度，不满足运行状态下的镜面测温要求。

光学镜面等低热发射率、红外波段高反射率物体表面一直被视为红外测温领域中的盲区，目前公开文献上尚未发现对运行状态下常温范围的光学镜面精准测量温度的研究报道。

实用新型内容

本实用新型克服了现有红外测温技术在光学镜面测温中的不足，提供了一种测量精度高的镜面红外测温装置。

为了解决传统红外测温设备测量镜面温度时的不足，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种镜面红外测温装置，包括探测模块、球面凹面镜罩和用于连接探测模块及球面凹面镜罩的连接体；所述球面凹面镜罩的内表面为球面，其顶点区域背面设置与连接体固定连接的圆形座；所述连接体的中心具有与探测模块的探头形状相应的通孔，探测模块的探头伸入连接体的通孔内；所述圆形座中心设置与探头形状相应的贯通孔，且该贯通孔延伸至球面凹面镜罩内表面，于球面凹面镜罩形成开口。

优选的是，所述探头的光线入射端与球面凹面镜罩内表面处的开口平齐。

优选的是，所述连接体包括与探测模块固定连接的连接板，位于连接板一侧、与连接板一体且轴线与连接板上通孔轴线重合的连接座。

优选的是，所述探测模块为制冷型红外热像仪的探测模块。

优选的是，所述球面凹面镜罩材质为具有高导热系数的金属材质，球面凹面镜罩内表面镀有金膜。

优选的是，所述球面凹面镜罩的外侧表面设有基于半导体控温技术的控温层。

优选的是，所述球面凹面镜罩的开口位于镜罩顶点和焦点的中心处。

优选的是，所述圆形座和连接体采用胶粘连接、卡接或螺接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

（1）本实用新型可提高红外测温时的镜面辐射收集能力。如图6所示，除了收集直接射向红外探测器的镜面辐射，通过球面凹面镜罩内表面反射，还可收集与法线呈一定夹角的镜面辐射，如图7所示。本实用新型的镜面辐射收集能力远大于传统红外测温设备。举例说明，美国FLIR公司生产的F数为1的photo640机芯是一款短焦红外热像仪机芯，为photo系列机芯产品中收集被测物体表面辐射能力最强的型号之一。计算显示，球面凹面镜罩内表面红外波段反射率为95%、球面凹面镜罩直径等于photo640在最小聚焦距离对应的被测区域长边时，本实用新型的镜面辐射收集能力约为photo640的10.9倍。

（2）本实用新型消除了镜面周边的周边环境在镜面的反射辐射干扰。实用新型采用球面凹面镜罩贴近镜面的测温设计，可有效屏蔽环境热辐射，保证红外探测器收集的辐射不受环境辐射干扰。测温时，装置的镜罩贴近被测镜面，在保证无触碰镜面风险的前提下，H_s应尽可能小，例如小于镜罩开口面直径的1/50。绝大部分环境热辐射被屏蔽在镜罩之外，极小部分环境辐射通镜罩与镜面之间的缝隙进入镜罩，经多次反射后被镜罩内表面吸收。

（3）本实用新型具有消除装置自身热辐射杂散光干扰的能力。装置测温光路内的热辐射杂散光主要来源于球面凹面镜罩内壁，内壁热辐射可直接或经被测镜面反射进入探测器并影响测温精度。为减弱热辐射杂散光，球面凹面镜罩内壁表面镀有对红外波段辐射反射率高的膜层，膜层的热发射率远小于原金属镜罩内壁的热发射率。光学镜面特别是反射式光学镜面多有金、银、铝等膜层，镜面热发射率和镜罩所镀膜层的热发射率可相差不大，所镀膜层的自身热辐射不能忽略。为了消除膜层自身热辐射干扰，采用半导体控温技术对镜罩外表面进行控温。镜罩被控温后，内表面膜层的温度和控温值基本相等且稳定不变。膜层的热辐射强度和空间分布基本稳定。探测器收集的热辐射杂散光基本稳定不变，为一个常数，收集的镜面辐射则随镜面温度而变。一个常数、一个变数，让本实用新型测温装置具有了消除热辐射杂散光干扰的能力。结合本实用新型的镜面测温定标方法，可消除测温装置的热辐射杂散光对镜面测温的影响。

（4）本实用新型设计用于镜面红外测温的温度定标法，保证镜面红外测温精度。由于被测镜面的定向发射率和黑体有显著差别，除了传统的黑体定标，项目设计了适合镜面测温的样镜定标法。球面凹面镜罩恒温下，等温度间隔调节样镜温度，建立样镜温度与对应定标测量值的定标数据库。镜面测温时，根据实际测量值，从定标数据库获取对应的镜面温度值。样镜温度定标法可以保证装置的镜面红外测温精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为连接体的结构示意图。

图3为探测模块的结构示意图。

图4为球面凹面镜罩的结构示意图，启示省略剖面线。

图5为球面凹面镜罩镀金膜和控温层的示意图。

图6为本实用新型测量时的示意图，其中仅示出了直接射向探测器的镜面辐射。

图7为本实用新型测量时的示意图，其中仅示出了反射进入探测器的镜面辐射。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1-5所示镜面红外测温装置，包括探测模块1、球面凹面镜罩2和用于连接探测模块1及球面凹面镜罩2的连接体3；所述球面凹面镜罩2的内表面为球面，其顶点区域背面设置与连接体3固定连接的圆形座6；所述连接体3的中心具有与探测模块1的探头7形状相应的通孔，探测模块1的探头7伸入连接体3的通孔内；所述圆形座6中心设置与探头7形状相应的贯通孔，且该贯通孔延伸至球面凹面镜罩2内表面，于球面凹面镜罩2形成开口。

所述探头7的光线入射端8与球面凹面镜罩内表面处的开口平齐，探测模块1探头7的外壁与圆形座通孔之间的间隙小于0.05毫米，防止连接体通孔内表面的自身热辐射进入红外探测器的探头7内，降低测量干扰，提高测量精度。

所述连接体3包括与探测模块1固定连接的连接板4，位于连接板4一侧、与连接板4一体且轴线与连接板4上通孔轴线重合的连接座5；本实施例的连接板上设置沉头孔，通过螺栓与探测模块连接；

所述探测模块1为制冷型红外热像仪的探测模块。制冷型红外测温仪是一种成熟的工业产品，所述探测模块1是指制冷型红外测温仪中扣除光学成像镜头的剩余部分，主要由红外探测器、控制电路、成像电路、读出电路、制冷机等构成。

所述球面凹面镜罩2材质为具有高导热系数的金属材质，球面凹面镜罩2内表面镀有金膜10。

所述球面凹面镜罩2的外侧表面设有基于半导体控温技术的控温层9。根据球面凹面镜罩2外形尺寸定制半导体控温层。

所述球面凹面镜罩2的开口位于镜罩顶点和焦点的中心处，即球面凹面镜罩的开口面与顶点的距离约是焦距的二分之一。

所述圆形座6和连接体3采用胶粘连接，显然还可以是卡接或者螺接等常规的连接方式。

球面凹面镜罩替代传统红外测温设备的成像镜头组件，红外探测器不仅收集直接射向探测器的镜面辐射，还能经反射收集与法线呈一定夹角的镜面辐射。本实用新型的测量装置不考虑被测镜面区域的温度空间分辨率，利用球面凹面镜罩的汇聚能力，大幅度提高了测温装置的镜面辐射收集能力。

采用如上所述的测量装置进行镜面温度测量包括以下步骤：

步骤1，测量装置的样镜定标

圆柱体样镜的上表面与待测温的光学镜面镀有一样的膜层，样镜的厚度小于直径的1/50，镜肧材质为高导热率金属；样镜柱侧面和底面设有高精准的温度控制装置，用于控制样镜温度。温度控制装置具有合理的控温范围，控温范围覆盖待测光学镜面的温度变化范围；

样镜定标前，测量装置的球面凹面镜罩2和连接体3的温度控制层的控温值为T_s，T_s可以自由设置，为了便于控温，T_s可设置为待测光学镜面的工作环境温度均值；测量装置的球面凹面镜罩2和样镜镜面之间距离设为恒定间距H_s，在保证无触碰镜面风险的前提下，H_s应尽可能小，例如小于镜罩开口面直径的1/50；

样镜定标时，以固定的温度变化量∆T调节样镜控温值并记录探测装置对应的定标测量值；探测装置的探测器为红外焦平面阵列探测器，所述定标测量值为红外焦平面阵列探测器各像元输出值的平均值；建立基于样镜温度和定标测量值的定标数据库，数据库中每个样镜温度值T（i）对应一个定标测量值Y（i）；

步骤2：测量装置测望远镜光学镜面

选取光学镜面的被测区域，测量装置的球面凹面镜罩2靠近该镜面区域，间距为H_s；球面凹面镜罩2和连接体3的温度控制为T_s；球面凹面镜罩2和连接体3恒温后，测量装置开始测量镜面温度，获取测量值；根据测量值和定标数据库，获取对应的镜面温度值T（i）；测量值位于数据库的两个定标测量值之间时，利用线性插值方法获取对应的温度值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种镜面红外测温装置，其特征在于：包括探测模块、球面凹面镜罩和用于连接探测模块及球面凹面镜罩的连接体；所述球面凹面镜罩的内表面为球面反射面，其顶点区域背面设置与连接体固定连接的圆形座；所述连接体的中心具有与探测模块的探头形状相应的通孔，探测模块的探头伸入连接体的通孔内；所述圆形座中心设置与探头形状相应的贯通孔，且该贯通孔延伸至球面凹面镜罩内表面，于球面凹面镜罩形成开口。

2.根据权利要求1所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述探头的光线入射端与球面凹面镜罩内表面处的开口平齐。

3.根据权利要求1所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述连接体包括与探测模块固定连接的连接板，位于连接板一侧、与连接板一体且轴线与连接板上通孔轴线重合的连接座。

4.根据权利要求1或2所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述探测模块为制冷型红外热像仪的探测模块。

5.根据权利要求1或2所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述球面凹面镜罩材质为具有高导热系数的金属材质，球面凹面镜罩的内表面镀有金膜。

6.根据权利要求1或2所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述球面凹面镜罩的外侧表面设有基于半导体控温技术的控温层。

7.根据权利要求1或2所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述球面凹面镜罩的开口位于镜罩顶点和焦点的中心处。

8.根据权利要求1或2所述镜面红外测温装置，其特征在于：所述圆形座和连接体采用胶粘连接、卡接或螺接。