被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫裝置及方法
【專利摘要】一種被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫裝置，包括：一紅外鏡頭(1)，用于收集視場(chǎng)內(nèi)的紅外線，其鏡片材料在下面的紅外CCD相機(jī)(3)的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)有高透過率；一紅外CCD相機(jī)(3)，用于采集紅外鏡頭成像的圖像；一濾波片(2)，設(shè)在紅外鏡頭(1)和紅外CCD相機(jī)(3)的光敏器件之間，用于過濾其他波段的雜光，其中心波長(zhǎng)在紅外CCD相機(jī)(3)的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)；一電腦(4)，通過數(shù)據(jù)線連接紅外CCD相機(jī)(3)，用于處理圖像數(shù)據(jù)得到溫度場(chǎng)。本發(fā)明還涉及采用上述裝置進(jìn)行被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫方法。采用本發(fā)明的裝置和方法，即便出現(xiàn)被測(cè)表面不垂直于鏡頭的主軸，導(dǎo)致被測(cè)表面上很多或者全部位置失焦的情況，也能有效地進(jìn)行溫度測(cè)量。
【專利說明】被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紅外測(cè)溫裝置，尤其是涉及一種被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫 裝置。本發(fā)明還涉及采用所述裝置在被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 溫度的檢測(cè)和控制在電力系統(tǒng)、石化、冶金等行業(yè)中受到高度的重視，它關(guān)系著系 統(tǒng)的安全、產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)的效率。紅外測(cè)溫技術(shù)由于測(cè)溫范圍理論上無上下限、不改 變被測(cè)物體溫度、測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間短以及可以測(cè)量物料表面的溫度分布等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)過程 監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、設(shè)備在線故障診斷和節(jié)約能源等方面都發(fā)揮著重要作用。隨著儀器的 制造水平的提高，現(xiàn)代紅外測(cè)溫具有較高的測(cè)量精度，滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)、石化、冶金等行 業(yè)對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的要求。
[0003] (XD作為一種新型半導(dǎo)體集成光電器件，自20世紀(jì)70年代初誕生以來，己經(jīng)得到 了很快的發(fā)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。CCD相機(jī)具有較寬的 光譜響應(yīng)范圍、1?分辨率、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、耐沖擊、抗電磁干擾、可以長(zhǎng)時(shí) 間工作于惡劣環(huán)境、圖像畸變小、成像高速、能很好地與電子技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)等學(xué)科相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)診斷和過程監(jiān)視中得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測(cè) 試技術(shù)中最活躍、最富有成果的研究領(lǐng)域之一。
[0004] 基于CCD圖像傳感器的測(cè)溫技術(shù)是綜合利用圖像檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和 輻射測(cè)溫技術(shù)的新型測(cè)溫技術(shù)。然而，在很多的測(cè)量條件下，被測(cè)表面不垂直于鏡頭的主 軸，導(dǎo)致被測(cè)表面上很多或者全部位置失焦，對(duì)于這種情況，現(xiàn)有的普通測(cè)量方法已經(jīng)無法 進(jìn)行溫度的測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題，就是提供一種被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè) 溫裝置。
[0006] 本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題，就是提供一種被測(cè)表面失焦情況下采用上述 裝置進(jìn)行紅外測(cè)溫的方法。
[0007] 采用本發(fā)明的裝置和方法，即便出現(xiàn)被測(cè)表面不垂直于鏡頭的主軸，導(dǎo)致被測(cè)表 面上很多或者全部位置失焦的情況，也能有效地進(jìn)行溫度測(cè)量。
[0008] 解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫裝置，其特征是包括：
[0010] 一紅外鏡頭（1)，用于收集視場(chǎng)內(nèi)的紅外線，其鏡片材料在下面的紅外C⑶相機(jī) (3)的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)有高透過率；
[0011] 一紅外C⑶相機(jī)（3)，用于采集紅外鏡頭成像的圖像；
[0012] 一濾波片（2)，設(shè)在紅外鏡頭⑴和紅外C⑶相機(jī)（3)的光敏器件之間，用于過濾 其他波段的雜光，其中心波長(zhǎng)在紅外CCD相機(jī)（3)的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)；
[0013] 一電腦（4)，通過數(shù)據(jù)線連接紅外C⑶相機(jī)（3)，用于處理圖像數(shù)據(jù)得到溫度場(chǎng)。 [0014] 解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0015] 一種采用上述裝置在被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫方法，其特征在于包括以下 步驟：
[0016] S1 :通過查詢物性手冊(cè)或者通過專業(yè)的測(cè)量手段得到在濾波片（2)中心波長(zhǎng)λ。 下，不同溫度Τ的表面發(fā)射率ε (入。，！0 ;
[0017] S2 :在測(cè)溫范圍內(nèi)選擇10個(gè)溫度，利用標(biāo)準(zhǔn)黑體在濾波片⑵中心波長(zhǎng)λ。下獲 得不同溫度所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)光譜響應(yīng)函數(shù)值，通過分段差值的方法得到連續(xù)的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù) K(AC,T)；
[0018] S3 :將紅外鏡頭⑴對(duì)準(zhǔn)探測(cè)表面，讓被測(cè)表面在紅外CCD相機(jī)⑶的視場(chǎng)范圍 內(nèi)，利用紅外CCD相機(jī)光敏部件采集得到的被測(cè)表面的能量分布的灰度矩陣，通過數(shù)據(jù)線 傳輸?shù)诫娔X（4)中，利用自編程的分析軟件計(jì)算得到被測(cè)表面的溫度場(chǎng)分布，所述的分析 軟件的計(jì)算原理為：
[0019] 根據(jù)普朗克定律，黑體的光譜輻射能量和溫度之間的關(guān)系為：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫裝置，其特征是包括： 一紅外鏡頭（1)，用于收集視場(chǎng)內(nèi)的紅外線，其鏡片材料在下面的紅外CCD相機(jī)（3)的 光譜響應(yīng)范圍內(nèi)有高透過率； 一紅外C⑶相機(jī)（3)，用于采集紅外鏡頭成像的圖像； 一濾波片（2)，設(shè)在紅外鏡頭（1)和紅外CCD相機(jī)（3)的光敏器件之間，用于過濾其他 波段的雜光，其中心波長(zhǎng)在紅外CCD相機(jī)（3)的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)； 一電腦（4)，通過數(shù)據(jù)線連接紅外CCD相機(jī)（3)，用于處理圖像數(shù)據(jù)得到溫度場(chǎng)。
2. -種采用如權(quán)利要求1所述裝置在被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫方法，其特征在 于包括以下步驟： S1 :通過查詢物性手冊(cè)或者通過專業(yè)的測(cè)量手段得到在濾波片（2)中心波長(zhǎng)A。下，不 同溫度T的表面發(fā)射率e U。，T); S2:在測(cè)溫范圍內(nèi)選擇10個(gè)溫度，利用標(biāo)準(zhǔn)黑體在濾波片（2)中心波長(zhǎng)A。下獲得 不同溫度所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)光譜響應(yīng)函數(shù)值，通過分段差值的方法得到連續(xù)的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù) K (入 C，T); S3 :將紅外鏡頭⑴對(duì)準(zhǔn)探測(cè)表面，讓被測(cè)表面在紅外CCD相機(jī)⑶的視場(chǎng)范圍內(nèi)，利 用紅外CCD相機(jī)光敏部件采集得到的被測(cè)表面的能量分布的灰度矩陣，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?電腦（4)中，利用分析軟件計(jì)算得到被測(cè)表面的溫度場(chǎng)分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的在被測(cè)表面失焦情況下的紅外測(cè)溫方法，其特征在于：所述 的分析軟件的計(jì)算原理為： 根據(jù)普朗克定律，黑體的光譜輻射能量和溫度之間的關(guān)系為：
式中：EbA表示黑體光譜輻射能量，Cl表示普朗克定律第一輻射常數(shù)，Cl = 3. 7418X 108W. iim4/m2,入表示光譜波長(zhǎng)，c2表示普朗克定律第二輻射常數(shù)，c 2 = 1. 4388 X 104 ii m ? K，T 表示溫度； 對(duì)于非黑體來說，在特定波長(zhǎng)A。下，表面本身的半球發(fā)射能量由下式表示：
式中：E表不表面本身的半球發(fā)射能量，X。表不濾波片的中心波長(zhǎng)，e 〇e，T)表不在 波長(zhǎng)為A。、溫度為T時(shí)的表面發(fā)射率，通過查詢物性手冊(cè)或者專業(yè)測(cè)量手段得到，A ^入2分別表示濾波片的透過范圍的下限和上限； 對(duì)于被測(cè)表面失焦的情況，需要知道實(shí)際物平面與理想物平面之間的夾角9以及它 們中心之間的距離I由幾何光學(xué)可知，在C⑶某個(gè)像素 A'上得到的能量是由理想物平面 上對(duì)應(yīng)的一個(gè)微元面A通過鏡頭透鏡投射的能量； 設(shè)像素 A'的中心坐標(biāo)為P' (x'，y'，z')，則相對(duì)應(yīng)的理想物平面上微元面A的 中心坐標(biāo)為P(x，y，z)，對(duì)應(yīng)的實(shí)際物平面上微元面i的中心坐標(biāo)為盧(.?J，，f)，它們的具體 表達(dá)式為：

式中：U表示理想物距；V表示相距；G表示實(shí)際物平面與理想物平面中心的距離；0 表示實(shí)際物平面與理想物平面之間的夾角； 實(shí)際物平面和理想物平面中心的距離r為：
根據(jù)小孔成像的原理，與像素 A'對(duì)應(yīng)的實(shí)際物平面上微元面J的面積為：
式中：J表示像素2的面積，a表示鏡頭光闌半徑大?。? 則在不考慮鏡片衰減的情況下，由實(shí)際物平面的微元面發(fā)出的在濾波片通過波長(zhǎng)范 圍（入i，入2)內(nèi)的能量經(jīng)過透鏡到達(dá)C⑶像素 A'的大小為：
式中：Q表示到達(dá)C⑶像素 A'的能量，A表示理想物平面上像素 A的面積，t為相機(jī)的 快門時(shí)間，p為射線;^與理想物平面之間的夾角，通過下式來計(jì)算：
由于相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換效率、鏡片和空氣的沿程衰減因素，將這些因素歸結(jié)為一個(gè)系統(tǒng) 響應(yīng)函數(shù)K (入。，T)，則CCD相機(jī)上測(cè)量得到灰度分布與實(shí)際物平面上的能量分布之前存在 如下關(guān)系：
式中：H表示C⑶相機(jī)上像素 A'的灰度； 進(jìn)一步的得到灰度與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：
【文檔編號(hào)】G01J5/00GK104280127SQ201410508755
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】鐘萬里, 王偉, 李慎蘭, 許傳龍, 張彪, 丁輝 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 東南大學(xué)