CN212133888U - 基于辐射光谱的彩色ccd自标定测温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置，属于辐射法测温技术领域，装置包括沿测量对象的辐射光波的光轴依次设置的透镜组、分束镜和彩色CCD；辐射光波被所述分束镜分成两束后，其中一束透射进入彩色CCD，另一束被反射进入光谱测量模块；彩色CCD用于记录测量对象的彩色图像，光谱测量模块用于测量测量对象的光谱特性；彩色CCD和光谱测量模块均与计算机通讯连接，计算机对所述彩色CCD的测温常数进行自标定，并计算测量对象的温度分布。可实现系统的自标定，装置简单，测温准确性高，应用场景广泛，易推广。

Description

基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置

技术领域

本实用新型涉及辐射法测温技术领域，具体地说，涉及一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置。

背景技术

不同燃料燃烧产生的火焰其辐射光谱不同，根据火焰辐射光谱的不同特点，火焰可分为发光火焰和透明火焰两大类。发光火焰内部含有烟粒或固体粒子，火焰辐射处的是0～∞的连续光谱，在可见光谱区内有辐射；透明火焰的辐射光谱多在红外区段，并呈带状或线状辐射。

鉴于火焰发光机理不一，且发射的光谱具有多样性，火焰温度的测量方法亦是多种多样。依据感温元件是否接触火焰对象，火焰温度的测量方法可以分为接触法和非接触法两大类。接触法测温主要有热电偶、热电阻和光纤测温等；非接触式温度传感器不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场，动态响应特性也相对较好，适用于高温条件下的温度测量，其测温上限不受感温元件的耐温程度限制。非接触式温度传感器主要有声波测温、辐射法测温、激光干涉法测温以及光谱法测温等。

辐射法测温法具有测量精度高、非接触、实时连续测量，且可以测高温的优势。在热辐射波长范围400nm到750nm之间，以及温度范围3000K以下，普朗克辐射定律可由维恩辐射定律取代：

其中，I_bλ(T)为火焰单色辐射能(w/m³)，λ为波长(m)，T为温度(K)，ε(λ,T)是火焰发射率(无量纲量)。C₁＝3.741844xl0^-16(W·m²)，C₂＝0.01438833(W·m²)。

如果在两个波长λ₁和λ₂下同时测得同一点发出的单色辐射能

和

则由两者比值可得该点的温度：

在火焰辐射的灰性假设意义下：

有ε(λ₁,T)＝ε(λ₂,T)＝ε_T，故可得双色测温公式：

此即为比色测温法基本公式。

彩色CCD相机是以CCD图像传感芯片为核心部件，将其光敏元件上所获得的光强信号转换为电信号，并通过一系列处理电路后输出RGB三基色信号。也就是说彩色CCD对发光火焰成像后，令λ_R、λ_G、λ_B分别为R、G、B三通道光谱响应曲线峰值对应的波长，则彩色图像卡采集到的信号就包含了λ_R、λ_G、λ_B对应3个波长下的强度值，任取其中两个波长下的强度值，代入比色测温公式即可以计算出温度T。实际上，由于CCD器件本身的特性，加上信号的光/电转换和A/D转换以及拍摄条件的不同，使得实测温度T与真实温度差别较大。为了增加系统的测量精度，一般利用黑体炉对测温系统进行标定。但是实际测量对象复杂多变，辐射特性与黑体炉有一定的差异，即使用黑体炉进行标定，测量偏差仍较大。

实用新型内容

本实用新型的目的为提供一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置，实现彩色CCD测温系统的自标定，同时提高彩色CCD测温系统的测量精度。

为了实现上述目的，本实用新型提供的基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置，包括沿测量对象的辐射光波方向依次设置的透镜组、分束镜和彩色CCD；

所述辐射光波被所述分束镜分成两束后，其中一束透射进入所述彩色CCD，另一束被反射进入光谱测量模块；所述彩色CCD用于记录所述测量对象的彩色图像，所述光谱测量模块用于测量所述测量对象的光谱特性；

在对彩色CCD和针孔光阑、光纤探头的位置进行校准时，将激光放置到所述测量对象的位置，并在激光的光路上设置光阑。

为了获得测量对象的辐射光谱分布，可选地，在一个实施例中，所述的光谱测量模块包括针孔光阑，光纤探头，光纤和光谱仪；被所述分束镜反射后的辐射光依次进入针孔光阑、光纤探头和光纤，并被光谱仪接收。针孔光阑用来控制物体辐射光通过光纤探头的面积，光纤探头用来接收物体辐射光，光纤用来传输物体辐射光，光谱仪用来测量物体的辐射光谱。

为了利用光谱仪自标定彩色CCD测温系统常数，可选地，在一个实施例中，经过所述分束镜后的辐射光到彩色CCD的光程与到所述光纤探头的光程相等；且被彩色CCD中心记录的辐射光和所述光纤探头接收的辐射光为测量对象同一位置的辐射光。

为了提高装置自标定的准确性，可选地，在一个实施例中，所述的针孔光阑位于所述光纤探头前1～2mm处，针孔直径为彩色CCD像素尺寸的8～10倍，且针孔与光纤探头同轴。

为了提高根据光谱计算温度的准确性，可选地，在一个实施例中，所述的光谱仪的波长范围380nm～780nm，光谱分辨率小于0.1nm。

为了避免辐射光经过光学元件对不同波长的透过率不同而引入误差，可选地，在一个实施例中，所述的辐射光波经过的所有光学元件对可见光的透过率相等。

为了调节测量视场的大小，可选地，在一个实施例中，所述的透镜组包括至少一个成像透镜。

为了对彩色CCD和针孔光阑、光纤探头的位置进行校准，要求激光的单色性好，激光经过设置在透镜前的光阑后形成直径达到微米级的光束，使光束经过透镜的光轴，在彩色CCD上会形成很小的亮点，移动彩色CCD使亮点位于相机的中心，记录亮点图像。微调精密针孔光阑和光纤探头，使光谱仪接收的光强信号最大，此时光谱仪接收到的物体辐射光对应相机中心接收的物体辐射光。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的自标定测温装置和测温方法能够实现系统的自标定，装置简单，测温准确性高，应用场景广泛，易推广。

附图说明

图1为本实用新型彩色CCD自标定测温装置示意图；

图2为本实用新型彩色CCD自标定测温装置的光程示意图；

图3为本实用新型彩色CCD自标定测温装置的光学元器件位置校准示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。

实施例

参见图1和图2，本实施例的基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置包括以下部分：成像透镜2，分束镜4，彩色CCD5，光谱测量模块及计算机7，其中光谱测量模块包括精密针孔光阑601，光纤探头602，光纤603和光谱仪604。成像透镜2、分束镜4和彩色CCD5沿测量对象1的光路轴线3依次布置。

测量对象1辐射出可见光波，成像透镜2收集测量对象1的辐射光波，在彩色CCD5的记录平面上成像。测温装置光轴，同成像透镜2的光轴，对应彩色CCD5记录平面中心。分束镜4将物体的辐射光波分为两束，一束被彩色CCD5记录，一束被光谱测量模块接收，彩色CCD5记录测量对象1的彩色图像，包含R、G、B三个通道，光谱测量模块对测量对象的光谱特性进行测量分析，计算机7处理分析测量对象1的光谱，自标定彩色CCD5的测温常数，并计算测量对象1的温度分布。

为了获得测量对象的辐射光谱分布，光谱测量模块中精密针孔光阑601用来控制物体辐射光进入光纤探头602的面积，光纤探头602用来接收物体辐射光，光纤603用来传输物体辐射光，光谱仪604用来测量物体的辐射光谱。

为了利用光谱仪自标定彩色CCD测温系统常数，分束镜4布置在成像透镜2和彩色CCD5之间，且经过分束镜2后物体辐射光到彩色CCD5的光程与到光纤探头602的光程相等，图2中L₁+L₂＝L。经过测温系统光轴被彩色CCD5中心记录的辐射光和光纤探头602接收的辐射光为测量对象同一位置的辐射光。

测试前，首先需要对彩色CCD5、针孔光阑601和光纤探头602的位置进行校准，将激光8放置到测量对象处，参见图3，激光8的单色性好，在激光8的光路上放置光阑9。激光8经过光阑9后形成直径达到微米级的光束，使光束经过透镜的光轴，在彩色CCD5上会形成很小的亮点，移动彩色CCD5使亮点位于相机的中心，记录亮点图像。微调精密针孔光阑601和光纤探头602，使光谱仪604接受的光强信号最大，此时光谱仪接收到的物体辐射光对应相机中心接收的物体辐射光。

测试时，测量对象的辐射光波分为两束，一束被彩色CCD5记录，另一束依次通过针孔光阑601和光纤探头602进入光谱仪604，此时根据测量对象的辐射光谱信号计算温度，利用光谱仪604的光谱信号计算的温度标定彩色CCD5对应像素点的系统测温常数。随后根据自标定结果计算彩色CCD5记录物体的温度分布。

为了给彩色CCD5提供准确的标定温度，利用光谱仪604测量的不同波长的光谱辐射力拟合黑体辐射曲线，计算测量对象温度。由于一般物体辐射有特征谱线，在拟合黑体辐射曲线时会引入误差，所以波长的选择要避开特征谱线。

彩色CCD测温系统常数C计算公式如下：

其中，T是根据测量对象的辐射光谱信号计算的温度；λ_g，λ_b分别为彩色CCD相机G、B通道光谱响应曲线峰值对应的波长；

分别为彩色CCD相机G、B记录的光强。

在得到彩色CCD测温系统常数C后，根据各个像素点的G、B通道强度值，计算测量对象的温度分布，计算公式如下：

其中，T(x,y)为彩色CCD每个像素点的温度。

为了提高根据光谱计算温度的准确性，光谱仪604的波长范围380nm～780nm，光谱分辨率小于0.1nm。为了提高彩色CCD测温系统自标定的准确性，精密针孔光阑601布置在光纤探头602前端1～2mm处，针孔直径为彩色CCD5像素尺寸的8～10倍。为了调节测量视场的大小，成像透镜可以为透镜组。为了避免辐射光经过光学元件对不同波长的透过率不同而引入误差，光路系统中辐射光经过的所有光学元件对可见光的透过率相等。

上述彩色CCD自标定测温装置的测温方法包括以下步骤：

(1)测试前，利用激光对彩色CCD和针孔光阑、光纤探头的位置进行校准；

(2)测试时，将测量对象放置到激光的位置，测量对象辐射光经过透镜后被分束镜分为两束，一束辐射光被彩色CCD记录，另一束辐射光经过精密针孔光阑后被光纤探头接收进入光谱仪；

(3)根据测量对象的辐射光谱信号计算温度；

(4)利用光谱信号计算的温度标定彩色CCD对应像素点的系统常数；

(5)根据标定结果计算彩色CCD记录物体的温度分布。

Claims (7)

1.一种基于辐射光谱的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，包括沿测量对象的辐射光波方向依次设置的透镜组、分束镜和彩色CCD；

所述辐射光波被所述分束镜分成两束后，其中一束透射进入所述彩色CCD，另一束被反射进入光谱测量模块；所述彩色CCD用于记录所述测量对象的彩色图像，所述光谱测量模块用于测量所述测量对象的光谱特性；

在对彩色CCD和针孔光阑、光纤探头的位置进行校准时，将激光放置到所述测量对象的位置，并在激光的光路上设置光阑。

2.根据权利要求1所述的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，所述的光谱测量模块包括针孔光阑，光纤探头，光纤和光谱仪；被所述分束镜反射后的辐射光依次进入针孔光阑、光纤探头和光纤，并被光谱仪接收。

3.根据权利要求2所述的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，经过所述分束镜后的辐射光到彩色CCD的光程与到所述光纤探头的光程相等；且被彩色CCD中心记录的辐射光和所述光纤探头接收的辐射光为测量对象同一位置的辐射光。

4.根据权利要求2所述的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，所述的针孔光阑位于所述光纤探头前1～2mm处，针孔直径为彩色CCD像素尺寸的8～10倍，且针孔与光纤探头同轴。

5.根据权利要求2所述的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，所述的光谱仪的波长范围380nm～780nm，光谱分辨率小于0.1nm。

6.根据权利要求1所述的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，所述的辐射光波经过的所有光学元件对可见光的透过率相等。

7.根据权利要求1所述的彩色CCD自标定测温装置，其特征在于，所述的透镜组包括至少一个成像透镜。

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