CN2264366Y - 动态温度场实时检测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动态温度场实时检测传感器，该传感器由透镜、调色滤光片、光电接收及发射器件、图象电荷偶合器件、滤光片调速旋圈、微型电机以及光电开关及电机控制电路组成。调色滤光片及图象偶合器同轴安装于传感器外壳内，透镜置于外壳外，与滤光片同轴安装。光电接收、发射器件分别置于前、后滤光片支架的端部。调色滤光片由微型电机通过调速旋圈带动高速旋转。本实用新型具有测温范围大、实时检测的优点。

Description

动态温度场实时检测传感器

本实用新型涉及一种焊接温度场实时检测传感器，属于焊接自动化及高温测量交叉技术领域。

在焊接、冶金领域，对金属的轧制、磨削等加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题，实时检测并控制目标物体的温度场分布成为检验生产质量和提高生产效益的关键。按传感器与被测物体的位置关系区分，温度检测可分为接触式测温和非接触式测温。前者以热电偶为常见，由于接触式测量方法明显地改变了原物体的温度或物体的其它特征，测量结果不理想。如果物体是运动的、或距离很远、或者太热、或者其它的制约环境，就不能用这种测量方法，因此接触式测温方法无法满足动态、实时检测要求。非接触式测温方法主要包括：亮温法、辐射法和多色法，这种方法具有接触测温方法不可比拟的优点：不影响被测目标的温度分布，反应速度快同时容易实现温度场的测量，适合于进行实时控制。基于这种方法的测温系统已广泛应用在工业生产过程中。这种方法的缺点是基本上都是针对目标物体某点或局部很小区域进行测温。国内外研制的热图象仪应用于温度场的检测，本质上仍然是基于辐射测量法，不可避免受到目标发射率、环境等影向，需要一个参考温度进行标定，同时红外探测器需要制冷装置，价格昂贵、实时性也不如意，难以在国内广泛应用。

作为可见光和近红外光范围(0.34～1μm)灵敏的图象电荷偶合器件即ICCD传感器是一种新型、性能优越的视觉传感器，它具有独特的自扫描成像方式，从而省去了热像仪等光学系统中成像所需的笨重的光机或电子束扫描设备，使ICCD在体积、重量、价格上具有明显的优越性。中国专利《焊接温度场测量装置》(93213847.0)采用CCD作检测元件获取焊接温度场信息，使用数学方法定标，测量结果不受距离、角度等因素的影响，但由于采用单个曝光时间，测温范围小，而且调色板的设计无法满足实时性要求，因而难以对动态温度场进行实时检测。

本实用新型的目的是设计在宽温度范围内对动态温度场进行实时检测的传感器，采用温度分段处理的方法以扩大测温范围，通过光学、机械设计和图象处理达到实时检测的要求。

本实用新型设计的动态温度场实时检测传感器，由透镜、调色滤光片、光电发射及接收器件、图象电荷偶合器件、滤光片调速旋圈、微型电机以及光电开关及电机控制电路组成。调色滤光片及图象电荷偶合器同轴安装于传感器外壳内，透镜置于传感器外壳外，与调色滤光片同轴安装，光电发射及接收器件分别设置在前、后调色滤光片支架的端部，其上分别开有二个小孔，微型电机与滤光片调速旋圈同轴安装于传感器外壳底部，控制电路安装在外壳内。调色滤光片由二个不同波长的半园形滤光片组成，每个滤光片上开有控制信号穿透小孔。光电开关及电机控制电路包括电源、电机输入电压端口以及二路光电发射电路和二路光电接收电路，其中的光电发射电路包括置于调色滤光片端部的光电发射器件和光电接收器件，以及发射二极管D₁、D₃。其中的接收电路包括三极管BG₁、BG₂和接收二极管D₂、D₄。

根据普朗克公式灰体光谱辐射度为： $M(\mathrm{\λ},T)=a\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{\left(e^{\frac{C_2}{\mathrm{\λT}}}\right)}^{-1}({\mathrm{\ω}\·\mathrm{cm}}^{-2}\·\mathrm{\μ}{m}^{-1}).........\left(1\right)$

式中：C₁＝3.7415^*10^-16(ω·m²)，第一辐射常数，C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2(m·k)，T为物体绝对温度(K)，λ为物体辐射的波长，对红外辐射，其范围为0.75～1000μm，8为物体光谱发射率，对于灰体为常数。

设所选定的二个辐射波长分别为：λ₁、λ₂，在这二个波长下的光谱辐射度之比为： $R\left(T\right)=\frac{M({\mathrm{\λ}}_2,T)}{M({\mathrm{\λ}}_1,T)}=\frac{\mathrm{\ϵ}\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_2^5}{(e}^{\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_{2}T}{-1)}_{-1}}}{\mathrm{\ϵ}\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_2^5}{(e}^{\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_{2}T}-{1)}_{-1}}}={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^5{e}^{\frac{C_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})}$

从上式可以看出物体在二个波长下的光谱辐射度之比只与物体的温度有关，所以选定二个不同的辐射波长后就可以计算出物体温度。

对于辐射物体温度场，应用本实用新型设计的辐射成象系统，即可在ICCD器件上得到辐射物体的热图象。在辐射物体和ICCD之间利用调色滤光片，交替地让辐射中二波长辐射成分通过，则在ICCD上就可以交替地获得双色热图象，双色热图象的灰度之比的分布只与物体的温度分布有关，所以选定二个不同的辐射波长后就可以利用双色热图象的灰度之比计算出物体温度场。

本实用新型设计的传感器，主要特点有三：一是有一个具有两个波长、快速旋转的滤光片；二是有可以选择多个爆光时间的控制系统，因而可在极短时间内获得2或2n个双色热图象，从而获得实时的、宽范围温度场的全面信息；三是本传感器采用普通的ICCD器件，价格便宜，性能可靠。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为调色滤光片的结构示意图。

图3为光电开关及电机控制电路图。

图4为曝光时间、滤光片切换控制时序图。

图5为滤光片透过率特性曲线。

下面结合附图详细介绍本实用新型的内容及其工作过程。

图1中，1是来自焊件的热辐射源，2是保护玻璃，3是透镜，4是透镜架旋扭，5是传感器外壳，6是调色滤光片支架，7是ICCD，8是ICCD固定旋扭，9是二个发射器件，10是调色滤光片，11是滤光片调速旋圈，12是二个接收器件，13是微型电机，14是电机固定旋扭，15是电机及其光电开关控制电路，16是输入、输出接口。

图2中，17、18分别为二块不同波长的调色滤光片(λ₁＝0.78μm，λ₂＝0.92μm)，19、20分别为光电控制开关信号的穿透小孔。

图3中，E为5V电源，R₇为电机输入电压调节电阻，a、b为电机的输入电压端口，D₁、D₃为发射二极管3141T，D₂、D₄为接收二极管3121T，它们分别和图1中光电发射器件9、接收器件12以及R₁、D₁和R₄、D₃组成二路光电发射电路，BG₁、BG₂为三极管9011，BG₁、D₂、R₂、R₃和BG₂、D₄、R₅、R₆分别组成二种光电接收电路。

图4中，选择三个不同的曝光时间(2ms、0.5ms、0.1ms)，当调色滤光片上的小孔19、20旋转到光电发射、接收器件上对应小孔位置时则分别交替输出λ₁的光电信号和λ₂的光电信号，图象处理系统等待这二个信号到来后，分别获取λ₁、λ₂的热图象。

图5中，采用的调色滤光片的二色透过率特性曲线，峰值波长分别为0.78um、0.92um，峰值分别为0.8、0.71，带宽分别为0.14μ、0.14mμ。

本实用新型的工作过程如下所述：在动态焊接温度场检测中，将传感器与焊接小车固定在一起，安装在焊件背面。焊件背面的热辐射1通过保护玻璃2、透镜3和安装在调色滤光片支架4上的调色滤色滤光片10后，成象在ICCD8上。调色滤光片由微型电机13通过滤光片调速旋圈11带动高速旋转，旋转速度每周不少于100ms，利用温度控制系统将传感器进行实验标定，在不同的温度下获得双色热图象，计算其比值得出温度和比值的对应关系，计算机图象系统将这些系存储下来，在实时检测中可由测量的比值得出温度的大小。这里小曝光时间得到的是高温段的温度，而大曝光时间得到的是低温段的温度。

通过计算机图象系统选择曝光时间t1＝2ms，等待控制λ₁图象的光电信号，当该信号来之后便获取该色的一场图象，接着等待控制λ₂图象的光电信号，当该信号来之后获取λ2的一场图象。改变曝光时间为t2＝0.5ms、t3＝0.1ms，作同样的工作，这样一共得到六幅热图象。分别用于低温区、中温区、高温区，这样通过诸热图象比值的分布，可以得到整个温度场的分布，整个时间不超过300ms。满足一般动态温度场实时检测要求。

Claims (1)

1、一种动态温度场实时检测传感器，其特征在于该检测传感器由透镜、调色滤光片、光电发射及接收器件、图象电荷偶合器件、滤光片调速旋圈、微型电机以及光电开关及电机控制电路组成；所述的调色滤光片及图象电荷偶合器同轴安装于传感器外壳内，透镜置于传感器外壳外，与调色滤光片同轴安装，光电发射及接收器件分别设置在前、后调色滤光片支架的端部，其上分别开有二个小孔，微型电机与滤光片调速旋圈同轴安装于传感器外壳底部，控制电路安装在外壳内；所述的调色滤光片由二个不同波长的半园形滤光片组成，每个滤光片上开有控制信号穿透小孔；所述的光电开关及电机控制电路包括电源、电机输入电压端口以及二路光电发射电路和二路光电接收电路，其中的光电发射电路包括置于调色滤光片端部的光电发射器件和光电接收器件，以及发射二极管D₁、D₃；其中的接收电路包括三极管BG₁、BG₂和接收二极管D₂、D₄。

Images