CN213120844U - 一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机 - Google Patents

一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机 Download PDF

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李昌立
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Abstract

本实用新型公开了一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，包括光学镜头、温度场相机和含显示软件的计算机；光学镜头与温度场相机连接；温度场相机与含显示软件的计算机电连接；温度场相机包括带通滤光片、彩色相机芯片、电路及温度图像处理单元，带通滤光片与彩色相机芯片相连；待测高温目标发出的光辐射，经光学镜头聚焦，经带通滤光片滤除带外噪声，成像到彩色相机芯片上，彩色相机芯片按照R、G、B三基色，将光信号转换成电信号，经电路及温度图像处理单元处理后传输到计算机，给出待测高温目标的温度场分布。本实用新型测试结果受待测目标状态、表面粗糙程度、表面化学特性等因素影响小，能够准确地实现高温待测目标的温度场分布的测试。

Description

一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机
技术领域
本实用新型属于温度测试技术领域，更具体的说是涉及一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机。
背景技术
在金属冶炼、陶瓷烧制等领域，高效精准地测量和监测生产过程中产品表面的温度，是保证产品质量的重要环节之一；在发动机领域，特别是航空发动机领域，为了保证发动机本身性能的稳定性和提高其使用寿命，需要对高速运转的轮叶温度进行精准的测试；在科学研究领域，航天飞机进入大气层的温度特性，超高速目标风洞研究过程中的温度特性、新工艺、新材料的研发等过程中的温度测试与控制，这些都离不开对高温的温度场分布，实时精确反应待测目标的温度场特性。
目前市场上的温度场测试设备主要有两类，基于辐射测温的热像仪和示温漆(温敏漆)。热像仪有两种，一种是工作在远红外(8μm-14μm)波段，一种是工作在可见光红光及近红外波(0.6μm-1.1μm)，这两种波段的热像仪均是采用单波段，认为材料的发射率是常量，不随温度和状态的变化而改变，而且在测试时，需要手工输入近似值，这对于具有明确发射率的材料，以及温度测试精度要求不太高的条件下，对测试结果的影响不大，但是对于高温情况，特别是固液状态转变、表面粗糙度变化以及有无氧化层等情况，材料发射率对测试结果的影响不可忽略。
示温漆是一种涂敷在待测物体表面，且其颜色随温度的变化而改变，通过对颜色的变化来判读物体表面温度及其分布的功能涂料。这种测温方式属于非侵入式，不需要测试引线，不会对试验件造成破坏，不会对目标温度场产生干扰，可用于恶劣环境下测量，不破坏被测件的结构和工作状态，不影响被测试件的启动和传热特性，对较高速度旋转结构和复杂构件的壁面温度以及显示大面积分布有独到之处，使用方便，成本低。其缺点是测温范围窄，所测温度低，温度分辨精度低，用完即废，属于易耗品。
因此，如何提供一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机是本领域技术人员亟需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，受待测目标状态、表面粗糙程度、表面化学特性等因素影响小，能够准确地实现高温待测目标的温度场分布的测试，实时精确反应待测目标的温度场特性。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，包括：光学镜头、温度场相机和含显示软件的计算机；
其中，所述光学镜头与所述温度场相机螺纹连接；所述温度场相机与所述含显示软件的计算机通过数据线电连接；
所述温度场相机包括带通滤光片、彩色相机芯片、电路及温度图像处理单元，所述带通滤光片与所述彩色相机芯片机械连接或采用光学胶粘接；
待测高温目标发出的光辐射，经所述光学镜头聚焦，经所述带通滤光片滤除带外噪声，成像到所述彩色相机芯片上，所述彩色相机芯片按照R、G、B三基色，将相应波段的光信号转换成电信号，经所述电路及温度图像处理单元放大、AD变换，运算后，经所述数据线传输到所述含显示软件的计算机，经显示软件，给出待测高温目标的温度场分布。
优选的，基于比色法的测温原理，待测目标的温度满足
Figure BDA0002697051410000031
Figure BDA0002697051410000032
式中，λR、λG、λB分别为相机芯片R、G、B三基色分色滤色片的中心波长；ΔλR、ΔλG、ΔλB分别指以λR、λG、λB为中心波长的光谱带宽；TR-G为用R与G表征的目标热力学温度；TB-G为用B与G表征的目标热力学温度；C2为普朗克第二辐射常数；AR、AG和AB分别为R、G、B三基色的灰度与信号强度转化系数，为常数；H(λR)、H(λG)、H(λB)分别为R、G、B三基色对应的光谱灰度；ε(λR,T)、ε(λG,T)、ε(λB,T)分别为R、G、B三基色谱段内中心波长的光谱发射率；I(λR)、I(λG)、I(λB)分别为λR、λG、λB为中心波长的强度分布函数；
在可见光范围内，
Figure BDA0002697051410000033
为常数，且设
Figure BDA0002697051410000034
Figure BDA0002697051410000035
Figure BDA0002697051410000041
式中，IR、IG、IB为相机芯片R、G、B三基色像元对应的强度信息；
则所以待测目标表面的辐射温度为
Figure BDA0002697051410000042
Figure BDA0002697051410000043
优选的，光学镜头具有焦距调节和光圈调节的功能。
优选的，带通滤光片的带宽为0.4μm～0.8μm。
优选的，所述彩色相机芯片为硅基CCD或CMOS彩色相机芯片。
优选的，所述电路及温度图像处理单元采取如下步骤进行待测目标对应点的温度解析：
步骤一：所述电路及温度图像处理单元(230)的中央处理器采集R、G、B三基色像元强度信息IR、IG、IB；
步骤二：判读IR、IG、IB数值，如果IR、IG均远大于0，根据公式(3)计算待测高温目标对应点的温度；如果IR接近或等于0，而IB、IG均大于0，则根据公式(4)计算待测高温目标对应点的温度；在式(6)或式(7)中，若IG等于0，或者IR、IG、IB的数值有二项为0，则目标的温度低于可判断阈值而无法判断温度，均显示最低可判断温度；
步骤三：将步骤二解析的各点温度信息，通过数据线，传输到所述含显示软件的计算机(300)，经显示软件，构建待测高温目标的温度场，给出温度场分布信息。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型受待测目标状态、表面粗糙程度、表面化学特性等因素影响小，能够工作在窑炉、热轧等能见度较低环境，可准确地实现高温待测目标的温度场分布的测试，满足窑炉、冶炼和风洞测试等需求，实时精确反应待测目标的温度场特性。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本实用新型的结构示意图。
图2附图为本实用新型的结构框图。
图3附图为本实用新型电路及温度图像处理单元进行待测目标对应点的温度解析的方法流程图。
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做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。
请参阅附图1-2，本实用新型提供了一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，包括：光学镜头100、温度场相机200和含显示软件的计算机300；
其中，光学镜头100与温度场相机200螺纹连接；温度场相机200与含显示软件的计算机300通过数据线电连接；
温度场相机200包括带通滤光片210、彩色相机芯片220、电路及温度图像处理单元230，带通滤光片210与彩色相机芯片220机械连接或采用光学胶粘接；
待测高温目标发出的光辐射，经光学镜头100聚焦，经带通滤光片210滤除带外噪声，成像到彩色相机芯片220上，彩色相机芯片220按照R、G、B三基色，将相应波段的光信号转换成电信号，经电路及温度图像处理单元230放大、AD变换，运算后，经数据线传输到含显示软件的计算机300，经显示软件，给出待测高温目标的温度场分布。
基于比色法的测温原理，待测目标的温度满足
Figure BDA0002697051410000061
Figure BDA0002697051410000062
式中，λR、λG、λB分别为相机芯片R、G、B三基色分色滤色片的中心波长，单位：m；ΔλR、ΔλG、ΔλB分别指以λR、λG、λB为中心波长的光谱带宽；TR-G为用R与G表征的目标热力学温度；TB-G为用B与G表征的目标热力学温度，单位：K；C2为普朗克第二辐射常数，
Figure BDA0002697051410000063
单位：m.K；AR、AG和AB分别为R、G、B三基色的灰度与信号强度转化系数，为常数；H(λR)、H(λG)、H(λB)分别为R、G、B三基色对应的光谱灰度；ε(λR,T)、ε(λG,T)、ε(λB,T)分别为R、G、B三基色谱段内中心波长的光谱发射率；I(λR)、I(λG)、I(λB)分别为λR、λG、λB为中心波长的强度分布函数；
在可见光范围内，
Figure BDA0002697051410000071
为常数，且设
Figure BDA0002697051410000072
Figure BDA0002697051410000073
Figure BDA0002697051410000074
式中，IR、IG、IB为相机芯片R、G、B三基色像元对应的强度信息；
则所以待测目标表面的辐射温度为
Figure BDA0002697051410000075
Figure BDA0002697051410000076
在另一种实施例中，光学镜头100具有焦距调节和光圈调节的功能。
在另一种实施例中，带通滤光片210的带宽为0.4μm～0.8μm。
在另一种实施例中，彩色相机芯片220为硅基CCD或CMOS彩色相机芯片。
参阅附图3，电路及温度图像处理单元230采取如下步骤进行待测目标对应点的温度解析：
步骤一：电路及温度图像处理单元230的中央处理器采集R、G、B三基色像元强度信息IR、IG、IB；
步骤二：判读IR、IG、IB数值，如果IR、IG均远大于0，根据公式(3)计算待测高温目标对应点的温度；如果IR接近或等于0，而IB、IG均大于0，则根据公式(4)计算待测高温目标对应点的温度；在式(6)或式(7)中，若IG等于0，或者IR、IG、IB的数值有二项为0，则目标的温度低于可判断阈值而无法判断温度，均显示最低可判断温度；
步骤三：将步骤二解析的各点温度信息，通过数据线，传输到含显示软件的计算机300，经显示软件，构建待测高温目标的温度场，给出温度场分布信息。
本实用新型公开了一种自适应发射率的高温温度场相机，可克服待测目标表面的固液状态、表面粗糙度、表面化学特性和发射率等对目标温度场测试影响，可准确地实现高温待测目标的温度场分布的测试，满足窑炉、冶炼和风洞测试等需求，实时精确反应待测目标的温度场特性。
本实用新型测温范围为500℃-5000℃，既适用于陶瓷、玻璃等各类炉窑的高温温度场测试，也适合于高温风洞的温度场测试，同时适合于能见度较低恶劣环境的高温温度场测试，具有灵敏度高，测温范围大，使用寿命长和安全等优点和特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，其特征在于，包括：光学镜头(100)、温度场相机(200)和含显示软件的计算机(300)；
其中，所述光学镜头(100)与所述温度场相机(200)螺纹连接；所述温度场相机(200)与所述含显示软件的计算机(300)通过数据线电连接；
所述温度场相机(200)包括带通滤光片(210)、彩色相机芯片(220)、电路及温度图像处理单元(230)，所述带通滤光片(210)与所述彩色相机芯片(220)机械连接或采用光学胶粘接；
待测高温目标发出的光辐射，经所述光学镜头(100)聚焦，经所述带通滤光片(210)滤除带外噪声，成像到所述彩色相机芯片(220)上，所述彩色相机芯片(220)按照R、G、B三基色，将相应波段的光信号转换成电信号，经所述电路及温度图像处理单元(230)放大、AD变换，运算后，经所述数据线传输到所述含显示软件的计算机(300)，经显示软件，给出待测高温目标的温度场分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，其特征在于，基于比色法的测温原理，待测目标的温度满足
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000011
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000012
式中，λR、λG、λB分别为相机芯片R、G、B三基色分色滤色片的中心波长；ΔλR、ΔλG、ΔλB分别指以λR、λG、λB为中心波长的光谱带宽；TR-G为用R与G表征的目标热力学温度；TB-G为用B与G表征的目标热力学温度；C2为普朗克第二辐射常数；AR、AG和AB分别为R、G、B三基色的灰度与信号强度转化系数，为常数；H(λR)、H(λG)、H(λB)分别为R、G、B三基色对应的光谱灰度；ε(λR,T)、ε(λG,T)、ε(λB,T)分别为R、G、B三基色谱段内中心波长的光谱发射率；I(λR)、I(λG)、I(λB)分别为λR、λG、λB为中心波长的强度分布函数；
在可见光范围内，
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000021
为常数，且设
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000022
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000023
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000024
式中，IR、IG、IB为相机芯片R、G、B三基色像元对应的强度信息；
则所以待测目标表面的辐射温度为
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000025
Figure DEST_PATH_FDA0002924070530000026
3.根据权利要求1所述的一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，其特征在于，光学镜头(100)具有焦距调节和光圈调节的功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，其特征在于，带通滤光片(210)的带宽为0.4μm～0.8μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于彩色相机芯片的高温温度场相机，其特征在于，所述彩色相机芯片(220)为硅基CCD或CMOS彩色相机芯片。
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CN112082659A (zh) * 2020-09-23 2020-12-15 菲兹克光电(长春)有限公司 一种基于彩色相机的高温温度场分布测试装置和方法

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