JP2014115262A

JP2014115262A - 非接触温度計測方法、及び、非接触温度計測装置

Info

Publication number: JP2014115262A
Application number: JP2012271645A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Sekiyama; 光晴関山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: JP5861190B2

Abstract

【課題】非接触の温度計測手段の計測対象物に対する角度及び距離が異なる場合であっても、温度計測の精度低下を防止することができる、非接触温度計測方法、及び、非接触温度計測装置を提供する。
【解決手段】非接触温度計測装置１０は、ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌで算出した計測対象物Ｗの三次元座標より、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度θ及び距離Ｌを算出する、位置算出部２１と、予め各計測条件において作成した補正係数マップを格納する、記憶部２２と、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度θ及び距離Ｌと、補正係数マップと、から、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度θ及び距離Ｌに対応する補正係数を抽出し、補正係数と、赤外線サーモグラフィ３１で計測した計測対象物Ｗの表面温度との関係から、計測対象物Ｗの表面温度を補正する、温度補正部２３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触温度計測方法、及び、非接触温度計測装置に関し、特に、非接触による温度計測における計測精度を向上させる技術に関する。

従来、赤外線サーモグラフィなどの非接触による温度計測手段によって計測対象物の表面温度を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−２３０３９２号公報

非接触による温度計測手段においては、計測対象物から温度計測手段までの距離の変動によって計測精度が低下する場合がある。前記特許文献１には、赤外線量測定部と測定対象（人の顔）との距離を距離測定部で測定し、赤外線量測定部が測定した測定対象からの赤外線量を前記距離に基づいて補正して、測定対象の温度を取得する技術が記載されている。

一方、非接触による温度計測手段において、計測対象物が複雑な形状をしている等の理由で温度計測手段が計測対象物の温度計測面に正対していない場合は、計測精度が低下することがある。具体的には、非接触の温度計測手段が計測対象物の温度計測面に対して斜め方向から温度を計測した場合、計測温度が実温度よりも低い値を示す場合がある。

特許文献１に記載の技術によれば、赤外線量測定部と測定対象との距離に基づいて補正しているものの、測定対象との角度については考慮されていない。このため、上記の如く温度計測手段が計測対象物の温度計測面に対して正対していない等、温度計測手段の計測対象物に対する角度が異なる場合には測定精度の低下を防止することができなかった。

本発明は、上記の状況を鑑み、非接触の温度計測手段の計測対象物に対する角度及び距離が異なる場合であっても、温度計測の精度低下を防止することができる、非接触温度計測方法、及び、非接触温度計測装置を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、非接触による温度計測手段によって計測対象物の表面温度を計測する、非接触温度計測方法であって、予備計測対象物である平面板に対する前記温度計測手段の角度及び距離を異なる複数の計測条件として、前記温度計測手段と、接触式温度計測手段と、で前記平面板の表面温度を予め計測し、それぞれの前記計測条件において、前記温度計測手段で計測した前記平面板の表面温度の計測値と、前記接触式温度計測手段で測定した前記平面板の表面温度の計測値と、の関係から補正係数を算出して、それぞれの前記計測条件における補正係数マップを作成する、補正係数マップ作成工程と、前記温度計測手段で前記計測対象物の表面温度を計測する、計測工程と、ステレオカメラにより、前記計測対象物の三次元座標を算出する、座標算出工程と、前記座標算出工程で算出した前記計測対象物の三次元座標より、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離を算出する、位置算出工程と、前記位置算出工程で算出した前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離と、前記補正係数マップ作成工程で作成した前記補正係数マップと、から、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離に対応する補正係数を抽出する、抽出工程と、前記計測工程で計測した前記計測対象物の表面温度と、前記抽出工程で抽出した補正係数の関係から、前記計測対象物の表面温度を補正する、温度補正工程と、を備えるものである。

請求項２においては、計測対象物の表面温度を計測する、非接触による温度計測手段と、前記計測対象物の三次元座標を算出する、ステレオカメラと、前記ステレオカメラで算出した前記計測対象物の三次元座標より、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離を算出する、位置算出部と、予備計測対象物である平面板に対する前記温度計測手段の角度及び距離を異なる複数の計測条件として、前記温度計測手段と、接触式温度計測手段と、で前記平面板の表面温度を予め計測し、それぞれの前記計測条件において、前記温度計測手段で計測した前記平面板の表面温度の計測値と、前記接触式温度計測手段で測定した前記平面板の表面温度の計測値と、の関係から補正係数を算出して、それぞれの前記計測条件において作成した補正係数マップを格納する、記憶部と、前記位置算出部で算出した前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離と、前記記憶部に格納された前記補正係数マップと、から、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離に対応する補正係数を抽出し、該補正係数と、前記温度計測手段で計測した前記計測対象物の表面温度との関係から、前記計測対象物の表面温度を補正する、温度補正部と、を備えるものである。

本発明によれば、非接触の温度計測手段の計測対象物に対する角度及び距離が異なる場合であっても、温度計測の精度低下を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る非接触温度計測装置の概略構成を示した図。本発明の一実施形態に係る非接触温度計測方法のフローを示した図。（ａ）は予備計測対象に対する角度及び距離の計測条件を示した図、（ｂ）は補正係数マップを示した図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

［非接触温度計測装置１０］
図１を参照して、本発明に係る非接触温度計測装置の一実施形態である非接触温度計測装置１０の概略構成について説明する。本実施形態の非接触温度計測装置１０は、非接触で計測対象物Ｗの表面温度を計測する温度計測手段である赤外線サーモグラフィ３１と、計測対象物Ｗの三次元座標を算出するステレオカメラ（右側カメラ３２ｒ・左側カメラ３２ｌ）と、これらの赤外線サーモグラフィ３１及びステレオカメラ３２ｒ・３２ｌを制御する制御装置２０と、を備える。

赤外線サーモグラフィ３１は、計測対象物Ｗから出ている赤外線放射エネルギーを検出して熱画像を撮像し、計測対象物Ｗの表面温度を計測する温度測定手段として一般的に用いられているものであり、図示せぬ支持部材に固定されている。

赤外線サーモグラフィ３１において設定するパラメータの関係は以下の数式１によって定義される。

上記数式１において、Ｌ（λ，Ｔ）は分光放射輝度、λは計測対象物Ｗから発散する放射の波長、Ｔは熱力学温度［Ｋ］、εは放射率、Ｃ１・Ｃ２はそれぞれ放射の第一定数及び第二定数である。赤外線サーモグラフィ３１は、数式１におけるＬ（分光放射輝度）を測定することにより、計測対象物Ｗの表面におけるＴ（熱力学温度）を計測するのである。

上記数式１において、ε（放射率）は所定の値を設定する必要がある。ここで、計測対象物Ｗにおける計測面の赤外線サーモグラフィ３１に対する角度によって実際の放射率が異なる。具体的には、赤外線サーモグラフィ３１に対して正対している計測面に対して、正対していない計測面は放射率が小さくなる。このため、放射率を一定値とした場合、計測対象物Ｗの表面温度が一定であったとしても、計測面と赤外線サーモグラフィ３１との角度によって計測する温度が異なってくるのである。

上記の測定誤差を補正するために、非接触温度計測装置１０はステレオカメラ３２ｒ・３２ｌを備えている。ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌは、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）素子などの固体撮像素子を用いて画像を撮像するものとして一般的に用いられているものであり、図示せぬ支持部材に固定されている。ステレオカメラは３２ｒ・３２ｌは、右側カメラ３２ｒ及び左側カメラ３２ｌの１対のカメラを水平方向に予め定められた間隔で配置して構成される。ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌは、右側カメラ３２ｒ及び左側カメラ３２ｌのそれぞれにより、２枚１組のステレオ画像を逐次撮像し、ステレオ画像データを生成する。

ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌを用いて、計測対象物Ｗの計測面の計測点Ｐにおけるワールド座標上の三次元座標（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）を求めることができる。
具体的には図１に示す如く、ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌのカメラキャリブレーション（幾何学的特性が既知のドットパターン等）により、右側カメラ３２ｒの投影中心Ｃｒにおけるワールド座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｒ）、及び、計測点Ｐが投影された二次元平面Ａｒにおける右側カメラ３２ｒの対応点Ｑｒのカメラ座標（Ｕｒ１、Ｖｒ１、Ｗｒ１）を算出する。同様に、左側カメラ３２ｌの投影中心Ｃｌにおけるワールド座標（Ｘｌ、Ｙｌ、Ｚｌ）、及び、計測点Ｐが投影された二次元平面Ａｌにおける左側カメラ３２ｌの対応点Ｑｌのカメラ座標（Ｕｌ１、Ｖｌ１、Ｗｌ１）を算出する。そして、対応点Ｑｒのカメラ座標（Ｕｒ１、Ｖｒ１、Ｗｒ１）をワールド座標（Ｘｒ１、Ｙｒ１、Ｗｒ１）に、対応点Ｑｒのカメラ座標（Ｕｌ１、Ｖｌ１、Ｗｌ１）をワールド座標（Ｘｌ１、Ｙｌ１、Ｚｌ１）にそれぞれ変換する。

計測点Ｐは、右側カメラ３２ｒの投影中心Ｃｒと対応点Ｑｒとを結んだ直線と、左側カメラ３２ｌの投影中心Ｃｌと対応点Ｑｌとを結んだ直線との交点となるため、ワールド座標上でそれぞれの直線の交点を算出することにより、計測対象物Ｗの計測点Ｐにおけるワールド座標上の三次元座標（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）を算出するのである。

同様に、赤外線サーモグラフィ３１と計測点Ｐとの距離を算出することができる。
具体的には赤外線サーモグラフィ３１とステレオカメラ３２ｒ・３２ｌのカメラキャリブレーション（幾何学的特性が既知のドットパターンで、且つ可視光でも赤外光でもパターンが撮影できるもの）により、赤外線サーモグラフィ３１の投影中心Ｃにおけるワールド座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、及び、計測点Ｐが投影された二次元平面Ａにおける赤外線サーモグラフィ３１の対応点Ｑのカメラ座標（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）を算出する。そして、対応点Ｑのカメラ座標（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）をワールド座標（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）に変換し、赤外線サーモグラフィ３１の投影中心Ｃと計測対象物Ｗの計測点Ｐとの距離を算出するのである。

同様に、赤外線サーモグラフィ３１と、計測点Ｐが位置する計測面とがなす角（計測面の計測点Ｐにおける法線と赤外線サーモグラフィ３１の光軸とがなす角）を算出することができる。具体的には、上記と同様に計測面における計測点Ｐの周囲に位置する三点のワールド座標を算出し、この三点を通る平面を規定する。この平面の法線方向を計測点Ｐにおける法線として、赤外線サーモグラフィ３１の光軸との角を算出するのである。

制御装置２０は、赤外線サーモグラフィ３１及びステレオカメラ３２ｒ・３２ｌと電気的に接続されており、入力機能、表示機能、記憶機能、通信機能、及び、各種演算機能等を備えている。制御装置２０は、ＣＰＵやＲＡＭやＲＯＭやインターフェース等を主体として構成された汎用的なコンピュータであり、その演算機能として位置算出部２１、記憶部２２、温度補正部２３等を備えている。また、制御装置２０は画像処理部を備えており、記憶部２２には赤外線サーモグラフィ３１及びステレオカメラ３２ｒ・３２ｌで撮像した画像データに画像処理部で画像処理を施すための画像処理プログラム及び後述する演算処理を施すための処理プログラム等が記録されている。

位置算出部２１は、前記の如く、ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌで算出した計測対象物Ｗにおける計測点Ｐの三次元座標より、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物における計測点Ｐに対する角度及び距離を算出する。

［非接触温度計測方法］
次に、図２を参照して、一実施形態に係る非接触温度計測方法について具体的に説明する。
まず、ステップＳ０１に示す如く、計測対象物Ｗを設置する。
次に、ステップＳ０２に示す如く、赤外線サーモグラフィ３１及びステレオカメラ３２ｒ・３２ｌを計測対象物Ｗの近傍に設置する。

次に、ステップＳ０３に示す如く、赤外線サーモグラフィ３１で計測対象物Ｗにおける計測点Ｐの表面温度を計測する（計測工程）。具体的には、赤外線サーモグラフィ３１により、前記数式１におけるＬ（分光放射輝度）を測定するのである。

次に、ステップＳ０４に示す如く、ステレオカメラ３２ｒ・３２ｌにより、計測対象物Ｗにおける計測点Ｐの三次元座標を算出する（座標算出工程）。さらに、位置算出部２１において、座標算出工程で算出した計測対象物Ｗの三次元座標より、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度及び距離を算出する（位置算出工程）。

一方、ステップＳ００に示す如く、赤外線サーモグラフィ３１で計測した計測対象物Ｗにおける計測点Ｐの表面温度を補正するための補正係数マップを予め作成しておく（補正係数マップ作成工程）。
具体的には図３（ａ）に示す如く、予備計測対象物である平面板Ｂを準備し、平面板Ｂの背後には加熱器Ｈを配置する。平面板Ｂの測定側と反対側（図３（ａ）における左側）の面には、接触式温度計測手段である熱電対Ｓを設置して、平面板Ｂの温度を測定可能に構成している。なお、本実施形態において平面板Ｂは充分薄く形成されているため、平面板Ｂの測定側の面と反対側の面とで表面温度の差はないものとする。

そして、図３（ａ）に示す如く、平面板Ｂに対する赤外線サーモグラフィ３１の角度（θ１、θ２・・・）及び距離（Ｌ１、Ｌ２・・・）を異なる複数の計測条件として、赤外線サーモグラフィ３１と、熱電対Ｓと、で平面板Ｂの表面温度を同時に計測する水準試験を行う。さらに、それぞれの計測条件において、赤外線サーモグラフィ３１で計測した平面板Ｂの表面温度の計測値と、熱電対Ｓで測定した平面板Ｂの表面温度の計測値と、の関係から、以下の数式２を用いて補正係数を算出し、それぞれの計測条件における補正放射率εｍｎのマップである補正係数マップ（図３（ｂ）を参照）を作成するのである。

上記数式２において、Ｌ（λ，Ｔ）は赤外線サーモグラフィ３１で測定した分光放射輝度、λは平面板Ｂから発散する放射の波長、熱電対Ｓで測定した平面板Ｂの表面温度の計測値［Ｋ］、εｍｎは補正放射率、Ｃ１・Ｃ２はそれぞれ放射の第一定数及び第二定数である。即ち、上記数式２に、赤外線サーモグラフィ３１で計測した平面板Ｂの分光放射輝度と、熱電対Ｓで測定した平面板Ｂの表面温度の計測値と、を代入することにより、その計測条件（平面板Ｂに対する赤外線サーモグラフィ３１の角度（θｎ）及び距離（Ｌｍ））における補正放射率εｍｎを算出するのである。即ち、図３（ｂ）に示す如く、上記の計測条件（角度（θ１・θ２・・・θｎ）及び距離（Ｌ１・Ｌ２・・・Ｌｍ））のそれぞれについて、補正放射率εｍｎを算出し、補正係数マップとして作成しておくのである。この補正係数マップは、制御装置２０における記憶手段である記憶部２２に格納される。

次に、ステップＳ０５に示す如く、ステップＳ０４において位置算出部２１で算出した赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗの計測点Ｐに対する角度及び距離と、補正係数マップ作成工程で作成し、記憶部２２に格納された補正係数マップと、から、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度及び距離に対応する補正係数を抽出する（抽出工程）。具体的には、図３（ｂ）に示す補正係数マップから、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度（θ１・θ２・・・θｎ）及び距離（Ｌ１・Ｌ２・・・Ｌｍ）に対応する補正放射率εｍｎを抽出するのである。

次に、ステップＳ０６に示す如く、温度補正部２３において、計測工程で計測した計測対象物Ｗの表面温度と、抽出工程で抽出した補正係数の関係から、計測対象物Ｗの表面温度を補正する（温度補正工程）。具体的には、計測対象物Ｗの表面温度を計測する際に、前記数式１を用いるのではなく、以下の数式３を用いるのである。

上記数式３において、Ｌ（λ，Ｔ）はステップＳ０３で測定した分光放射輝度、λは計測対象物Ｗから発散する放射の波長、Ｔは熱力学温度［Ｋ］、εｍｎはステップＳ０５の抽出工程で抽出した補正放射率、Ｃ１・Ｃ２はそれぞれ放射の第一定数及び第二定数である。即ち、数式３において、Ｌ（分光放射輝度）はステップＳ０３で測定した値を、εｍｎ（補正放射率）はステップＳ０５で抽出した値を代入することにより、計測対象物Ｗの表面における補正後のＴ（熱力学温度）を計測する（ステップＳ０７）のである。このように、上記数式３においては、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度θ及び距離Ｌに対応する補正放射率εｍｎを用いている。このため、ステップＳ０７で計測する温度Ｔは、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度及び距離を考慮して補正した値を算出することができるのである。

上記の如く、本実施形態に係る非接触温度計測装置１０を用いた非接触温度計測方法によれば、計測対象物Ｗが複雑な形状をしている等の理由で赤外線サーモグラフィ３１が計測対象物Ｗの温度計測面に正対していない場合でも、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物Ｗに対する角度及び距離に応じて補正を行うことができる。即ち、上記の如く赤外線サーモグラフィ３１が計測対象物Ｗの温度計測面に対して正対していない等、赤外線サーモグラフィ３１の計測対象物に対する角度が異なる場合であっても、測定精度の低下を防止することができるのである。

１０非接触温度計測装置
２１位置算出部
２２記憶部
２３温度補正部
３１赤外線サーモグラフィ
３２ステレオカメラ

Claims

非接触による温度計測手段によって計測対象物の表面温度を計測する、非接触温度計測方法であって、
予備計測対象物である平面板に対する前記温度計測手段の角度及び距離を異なる複数の計測条件として、前記温度計測手段と、接触式温度計測手段と、で前記平面板の表面温度を予め計測し、それぞれの前記計測条件において、前記温度計測手段で計測した前記平面板の表面温度の計測値と、前記接触式温度計測手段で測定した前記平面板の表面温度の計測値と、の関係から補正係数を算出して、それぞれの前記計測条件における補正係数マップを作成する、補正係数マップ作成工程と、
前記温度計測手段で前記計測対象物の表面温度を計測する、計測工程と、
ステレオカメラにより、前記計測対象物の三次元座標を算出する、座標算出工程と、
前記座標算出工程で算出した前記計測対象物の三次元座標より、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離を算出する、位置算出工程と、
前記位置算出工程で算出した前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離と、前記補正係数マップ作成工程で作成した前記補正係数マップと、から、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離に対応する補正係数を抽出する、抽出工程と、
前記計測工程で計測した前記計測対象物の表面温度と、前記抽出工程で抽出した補正係数の関係から、前記計測対象物の表面温度を補正する、温度補正工程と、を備えることを特徴とする、非接触温度計測方法。
計測対象物の表面温度を計測する、非接触による温度計測手段と、
前記計測対象物の三次元座標を算出する、ステレオカメラと、
前記ステレオカメラで算出した前記計測対象物の三次元座標より、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離を算出する、位置算出部と、
予備計測対象物である平面板に対する前記温度計測手段の角度及び距離を異なる複数の計測条件として、前記温度計測手段と、接触式温度計測手段と、で前記平面板の表面温度を予め計測し、それぞれの前記計測条件において、前記温度計測手段で計測した前記平面板の表面温度の計測値と、前記接触式温度計測手段で測定した前記平面板の表面温度の計測値と、の関係から補正係数を算出して、それぞれの前記計測条件において作成した補正係数マップを格納する、記憶部と、
前記位置算出部で算出した前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離と、前記記憶部に格納された前記補正係数マップと、から、前記温度計測手段の前記計測対象物に対する角度及び距離に対応する補正係数を抽出し、該補正係数と、前記温度計測手段で計測した前記計測対象物の表面温度との関係から、前記計測対象物の表面温度を補正する、温度補正部と、を備えることを特徴とする、非接触温度計測装置。