被测表面失焦情况下的红外测温装置及方法
【专利摘要】一种被测表面失焦情况下的红外测温装置，包括：一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有高透过率；一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场。本发明还涉及采用上述装置进行被测表面失焦情况下的红外测温方法。采用本发明的装置和方法，即便出现被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦的情况，也能有效地进行温度测量。
【专利说明】被测表面失焦情况下的红外测温装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种红外测温装置，尤其是涉及一种被测表面失焦情况下的红外测温 装置。本发明还涉及采用所述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法。
【背景技术】
[0002] 温度的检测和控制在电力系统、石化、冶金等行业中受到高度的重视，它关系着系 统的安全、产品的质量以及生产的效率。红外测温技术由于测温范围理论上无上下限、不改 变被测物体温度、测温响应时间短以及可以测量物料表面的温度分布等优点，在生产过程 监测、产品质量控制、设备在线故障诊断和节约能源等方面都发挥着重要作用。随着仪器的 制造水平的提高，现代红外测温具有较高的测量精度，满足当前电力系统、石化、冶金等行 业对温度监测的要求。
[0003] (XD作为一种新型半导体集成光电器件，自20世纪70年代初诞生以来，己经得到 了很快的发展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。CCD相机具有较宽的 光谱响应范围、1?分辨率、体积小、重量轻、低电压、低功耗、耐冲击、抗电磁干扰、可以长时 间工作于恶劣环境、图像畸变小、成像高速、能很好地与电子技术、图像处理技术、计算机技 术等学科相结合等优点，在工业诊断和过程监视中得到广泛应用，成为现代光电子学和测 试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。
[0004] 基于CCD图像传感器的测温技术是综合利用图像检测技术、数字图像处理技术和 辐射测温技术的新型测温技术。然而，在很多的测量条件下，被测表面不垂直于镜头的主 轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦，对于这种情况，现有的普通测量方法已经无法 进行温度的测量。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种被测表面失焦情况下的红外测 温装置。
[0006] 本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种被测表面失焦情况下采用上述 装置进行红外测温的方法。
[0007] 采用本发明的装置和方法，即便出现被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表 面上很多或者全部位置失焦的情况，也能有效地进行温度测量。
[0008] 解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0009] -种被测表面失焦情况下的红外测温装置，其特征是包括：
[0010] 一红外镜头（1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外C⑶相机 (3)的光谱响应范围内有高透过率；
[0011] 一红外C⑶相机（3)，用于采集红外镜头成像的图像；
[0012] 一滤波片（2)，设在红外镜头⑴和红外C⑶相机（3)的光敏器件之间，用于过滤 其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机（3)的光谱响应范围内；
[0013] 一电脑（4)，通过数据线连接红外C⑶相机（3)，用于处理图像数据得到温度场。 [0014] 解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0015] 一种采用上述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在于包括以下 步骤：
[0016] S1 :通过查询物性手册或者通过专业的测量手段得到在滤波片（2)中心波长λ。 下，不同温度Τ的表面发射率ε (入。，！0 ;
[0017] S2 :在测温范围内选择10个温度，利用标准黑体在滤波片⑵中心波长λ。下获 得不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到连续的系统响应函数 K(AC,T)；
[0018] S3 :将红外镜头⑴对准探测表面，让被测表面在红外CCD相机⑶的视场范围 内，利用红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线 传输到电脑（4)中，利用自编程的分析软件计算得到被测表面的温度场分布，所述的分析 软件的计算原理为：
[0019] 根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：
[0020]
【权利要求】
1. 一种被测表面失焦情况下的红外测温装置，其特征是包括： 一红外镜头（1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机（3)的 光谱响应范围内有高透过率； 一红外C⑶相机（3)，用于采集红外镜头成像的图像； 一滤波片（2)，设在红外镜头（1)和红外CCD相机（3)的光敏器件之间，用于过滤其他 波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机（3)的光谱响应范围内； 一电脑（4)，通过数据线连接红外CCD相机（3)，用于处理图像数据得到温度场。
2. -种采用如权利要求1所述装置在被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在 于包括以下步骤： S1 :通过查询物性手册或者通过专业的测量手段得到在滤波片（2)中心波长A。下，不 同温度T的表面发射率e U。，T); S2:在测温范围内选择10个温度，利用标准黑体在滤波片（2)中心波长A。下获得 不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到连续的系统响应函数 K (入 C，T); S3 :将红外镜头⑴对准探测表面，让被测表面在红外CCD相机⑶的视场范围内，利 用红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到 电脑（4)中，利用分析软件计算得到被测表面的温度场分布。
3. 根据权利要求2所述的在被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在于：所述 的分析软件的计算原理为： 根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：
式中：EbA表示黑体光谱辐射能量，Cl表示普朗克定律第一辐射常数，Cl = 3. 7418X 108W. iim4/m2,入表示光谱波长，c2表示普朗克定律第二辐射常数，c 2 = 1. 4388 X 104 ii m ? K，T 表示温度； 对于非黑体来说，在特定波长A。下，表面本身的半球发射能量由下式表示：
式中：E表不表面本身的半球发射能量，X。表不滤波片的中心波长，e 〇e，T)表不在 波长为A。、温度为T时的表面发射率，通过查询物性手册或者专业测量手段得到，A ^入2分别表示滤波片的透过范围的下限和上限； 对于被测表面失焦的情况，需要知道实际物平面与理想物平面之间的夹角9以及它 们中心之间的距离I由几何光学可知，在C⑶某个像素 A'上得到的能量是由理想物平面 上对应的一个微元面A通过镜头透镜投射的能量； 设像素 A'的中心坐标为P' (x'，y'，z')，则相对应的理想物平面上微元面A的 中心坐标为P(x，y，z)，对应的实际物平面上微元面i的中心坐标为卢(.?J，，f)，它们的具体 表达式为：
式中：U表示理想物距；V表示相距；G表示实际物平面与理想物平面中心的距离；0 表示实际物平面与理想物平面之间的夹角； 实际物平面和理想物平面中心的距离r为：
根据小孔成像的原理，与像素 A'对应的实际物平面上微元面J的面积为：
式中：J表示像素2的面积，a表示镜头光阑半径大小； 则在不考虑镜片衰减的情况下，由实际物平面的微元面发出的在滤波片通过波长范 围（入i，入2)内的能量经过透镜到达C⑶像素 A'的大小为：
式中：Q表示到达C⑶像素 A'的能量，A表示理想物平面上像素 A的面积，t为相机的 快门时间，p为射线;^与理想物平面之间的夹角，通过下式来计算：
由于相机的光电转换效率、镜片和空气的沿程衰减因素，将这些因素归结为一个系统 响应函数K (入。，T)，则CCD相机上测量得到灰度分布与实际物平面上的能量分布之前存在 如下关系：
式中：H表示C⑶相机上像素 A'的灰度； 进一步的得到灰度与温度之间的对应关系：
【文档编号】G01J5/00GK104280127SQ201410508755
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】钟万里, 王伟, 李慎兰, 许传龙, 张彪, 丁辉 申请人:广东电网有限责任公司电力科学研究院, 东南大学