一种THz被动辐射测温方法
本发明主要涉及测温技术领域，特指一种thz(terahertz太赫兹)被动辐射测温方法。
背景技术：
太赫兹波是一种波长介于微波与红外之间的电磁波。一般来说，太赫兹波长处于0.1～10thz之间。太赫兹波有着很多独特的优点，在成像方面，它能穿透特定材料，直接观察到物体内部信息；在通信上，它可以获得10gb/s的无限传输速度；在辐射上，它携带的巨大能量能瞬间将水烧开。以上的特性，让太赫兹在生物医疗、安防检测、信息通信上有着巨大的应用前景。目前常用对太赫兹波处理的有太赫兹光谱系统，它是一种相干探测，获得太赫兹脉冲的振幅和信息，通过对时间波形进行傅里叶变化能够得到太赫兹发射源的能量强度等信息。对于处于高温状态下的物体，会不断辐射出太赫兹波，通过对这些太赫兹波的收集并分析能量强度，能反映出被测物体真实温度，又由于太赫兹波对很多材料有着穿透效应，这为太赫兹检测复杂环境中高温物体温度提供了理论基础。
对于高温物体的温度的测量，现有接触式与非接触式两种方式。逐一说明如下：
接触式测温：常见的高温物体的接触式测温方式有热电偶测温，它通过设备两端导体或半导体由于温度不同，在回路中产生电动势，并对电动势测量与分析得到被测物体温度。这种检测方法能够较为精确的检测被测物体的温度，但由于检测需要与被测物体直接接触，这对热电偶的损伤的永久的，所以热电偶测温是一次性的，无法测量到连续区间段温度。
非接触测温：常见的非接触式有红外测温，比色测温等。红外测温仪的测温原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。红外测温装置虽然可以实时监测高温对象的温度，节省人力，但由于受潮湿、炮泥质量、自然风等各种因素影响，探头视野常常被灰尘、烟雾和蒸汽的严重阻挡，甚至完全阻挡。这种恶劣环境对于现有的红外测温装置产生极大不可消除的干扰，使得其无法精确得到实时的温度数据。
专利公布号cn101545808a发明专利是一种铁水流体的裂纹温度红外辐射测量系统。其测温方式是通过一种非接触式的比色红外辐射测温计。主要工作原理为通过测量被测物红外辐射中相邻波段的能量大小来确定被测物的温度,因此它受物体表面发射率影响小,并在一定程度上拥有良好的抗灰尘、烟雾、水汽等能力,比单色测温仪具有明显的优越性。但当空间布满烟雾的情况下，严重影响两个对比红外光的传播时，其测量的数据将被处理成低温无效数据。
专利公布号cn203320040u实用新型专利是一种新型高炉冶炼铁水的温度检测装置。其通过预制耐高温、耐冲刷材料的空管，使得可以将安装有反吹冷却装置的激光测温仪插入流动的铁水之中，直接测量铁水的内部温度。它属于接触式测温的，这种直接将装置接触被测温物体的测量方式受到使用寿命的影响，仅仅满足一段时间内的准确测量。一、若该装置仅仅用于代替热电偶工作，那么仍然无法解决传统测温所带来的诸多问题，如技术人员的劳力问题，以及无法实时检测铁水温度数据等等。二、若将该装置安装在出铁口那种极其恶劣的高温环境中，对于如何将数据传输到后端处理设备也是极难解决的一个问题，需要架设长距离的耐高温传输线路或者做诸多传输装置的冷却处理等等一系列问题。最为重要的是，如果测温设备一旦在出铁口处损坏，数据出现异常，在高炉顺产铁水的情况下，无法做到及时检修和更换测量装置，从而影响正常生产。
技术实现要素：
本发明提供的thz被动辐射测温方法，解决了现有非接触式测温方法在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的thz被动辐射测温方法包括：
获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头的安装偏角；
采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值；
根据太赫兹频域特征峰值、安装偏角以及检测距离，获得与被测高温源真实温度强相关的能量因子，检测距离为探头与被测高温源之间的检测距离；
根据能量因子，获得能量因子与温度的映射函数，并根据映射函数计算被测高温源温度值。
进一步地，获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头的安装偏角包括：
获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头与被测高温源之间的真实距离；
采用红外测距装置获取探头与被测高温源之间的检测距离；
根据真实距离和检测距离计算探头的安装偏角，且安装偏角的计算公式具体为：
其中，
进一步地，采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值包括：
采集被测高温源发射的太赫兹，并将太赫兹转换为电信号；
将电信号转换为频域信号；
根据频域信号，提取太赫兹频域特征峰值。
进一步地，将太赫兹转换为电信号之后，将电信号转换为频域信号之前还包括：
对电信号进行放大；
对放大后的电信号进行滤波。
进一步地，根据太赫兹频域特征峰值、安装偏角以及检测距离，获得与被测高温源真实温度强相关的能量因子包括：
根据太赫兹频域特征峰值的前九项特征峰值获得基础能量因子；
根据安装偏角以及检测距离，获得能量算子；
根据基础能量因子和能量算子计算获得能量因子。
进一步地，根据基础能量因子和能量算子计算获得能量因子的计算公式为：
其中，e(t)代表能量因子，et(t)代表基础能量因子，且
进一步地，根据能量因子，获得能量因子与温度的映射函数包括：
使用黑体作为温度源，建立先验数据库，绘制能量因子-温度曲线；
根据能量因子-温度曲线，拟合得到能量因子与温度的映射函数。
进一步地，获得被测高温源温度值之后还包括输出被测高温源温度值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出的thz被动辐射测温方法,通过获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头的安装偏角,采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值,根据太赫兹频域特征峰值、安装偏角以及检测距离，获得与被测高温源真实温度强相关的能量因子，检测距离为探头与被测高温源之间的检测距离以及根据能量因子，获得能量因子与温度的映射函数，并根据映射函数计算被测高温源温度值，解决了现有非接触式测温方法在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。
本发明的目的在于引入一种新型测温方式，通过测量设备检测到的太赫兹能量信号处理并转换为电信号进行定量描述。
本发明的目的在于减少一般非接触设备由于检测距离与检测角度造成的测量温度误差。
本发明的目的在于减少环境中遮挡物对测温结果造成的误差。
本发明的目的提供一套非接触式测温设备，解决接触式设备容易损坏且无法连续测温的难题。
附图说明
图1为本发明实施例一的thz被动辐射测温方法的流程图；
图2为本发明实施例二的thz被动辐射测温方法的测温流程示意图；
图3为本发明实施例二的thz被动辐射测温方法实现所需的各模块工作的总体示意图；
图4为本发明实施例二采用太赫兹检测设备获取太赫兹能量并转换为电信号处理的原理示意图。
附图标记：
u1、基于激光测距的测温距离捕捉模块；u2、基于高分辨率成像的设备安装偏角检测模块；u3、基于太赫兹能量的高温物体能量检测模块；u4、基于多源融合算法的测温模块；101、被测高温源；102、光学孔径；103、斩波器；104、反射镜片；105、处理器；106、锁相放大器；107、低噪声放大器；108、光源探测器。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
参照图1，本发明实施例一提供的thz被动辐射测温方法包括：
步骤s101,获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头的安装偏角；
步骤s102,采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值；
步骤s103,根据太赫兹频域特征峰值、安装偏角以及检测距离，获得与被测高温源真实温度强相关的能量因子，检测距离为探头与被测高温源之间的检测距离；
步骤s104,根据能量因子，获得能量因子与温度的映射函数，并根据映射函数计算被测高温源温度值。
本发明提供的thz被动辐射测温方法，通过获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头的安装偏角,采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值,根据太赫兹频域特征峰值、安装偏角以及检测距离，获得与被测高温源真实温度强相关的能量因子，检测距离为探头与被测高温源之间的检测距离以及根据能量因子，获得能量因子与温度的映射函数，并根据映射函数计算被测高温源温度值，解决了现有非接触式测温方法在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。
实施例二
参照图2，为了提供非接触、测量精度高的高温物体温度检测，本发明实施例提供一种thz被动辐射测温方法，包括：
步骤s201：在被测高温源101处于正常工作时，将检测探头垂直拍摄被测对象(即被测高温源101)，记录下被测对象到探头的距离hr。
步骤s202：使用滤光片截取可见光波段光谱并进行成像，根据可见光图像对探头位置进行细微修正并记录安装偏角
步骤s203：使用探头测量并记录被测物体发射出的太赫兹时域波谱ωt(t)。
步骤s204：分析处理太赫兹时域波谱ωt(t)，将太赫兹时域波谱ωt(t)在有效频域内做傅里叶变换得到工作温度下反射的频域谱ft(t)。
步骤s205：使用多源融合算法计算得到与被测物体真实温度强相关的能量因子。具体方法为提取频域谱ft(t)的特征峰值最大的前9项作为基础能量因子
步骤s206：使用黑体作为温度源，使用太赫兹能量探头获取能量因子，记录不同黑体温度下由基础能量源因子、距离、角度计算得到的能量因子与被测物体的温度，得到能量因子-温度关系曲线，拟合出能量因子与温度的函数关系t＝f(e)，作为测温函数关系，并作为先验数据库。
步骤s207：将被测物体更改为实际高温物体，使用太赫兹能量探头获取能量因子，并根据函数关系t＝f(e)，达到快速、非接触检测高温对象温度的目的。
为了实现上述7个步骤，本发明实施例包含以下四大模块。如图3所示，分别为：
1、基于激光测距的测温距离捕捉模块u1
根据电磁辐射原理可以知道，随之电磁波在可见中传播的距离越远，其携带的电磁波中单位空间内携带的电磁波能量会随之降低。换而言之，温度检测设备离被测物体的距离，将影响最终测温精度。所以针对该问题，本检测设备中添加激光测温模块，记录被测物体与测量设备间距离hl，并将该值作为参数传递给基于多源融合算法的测温模块u4，对温度进行校正。
2、基于高分辨率成像的设备安装偏角检测模块u2
在很多情况中，检测设备的测量精度与安装时位置角度等有着强相关。对于太赫兹波而言，由于波本身的光学特性，正对着高温物体进行能量接收与留有一定夹角接收太赫兹能量，在其他的条件不变的情况下所接受到的能量存在着较大区别。考虑到测量设备在实验室标定时采用的时正对着被测物体，故为了减少测量时误差，在实际使用在也应该采用垂直测量。
现有大多检测设备在考虑到该问题时，均依赖于安装人员本身保证安装误差的减少，这种依赖于人工的传统模式有着很大随机性。本实施例为解决该问题，引入高分辨率可见光测量角度校正模块。其具体工作模式为：
(1)打开测量设备，在设备显示界面上会显示当前拍摄的被测对象，移动本设备，使的被测对象出现在显示界面中心；
(2)确定好(1)中位置，将测温设备由人工大致安装在该位置；
(3)记录下被测对象到测温设备真实距离hr，并输入系统中；
(4)测量对象获取到真实距离hr与设备中激光测距模块检测的距离hl，根据这两个距离，根据公式计算安装偏角
(5)将安装偏差角度
3、基于太赫兹能量的高温物体能量检测模块u3
对于处于高温状态下的物体，会不断辐射出太赫兹波。温度越高的物体，其辐射从太赫兹波的能量强度越高，通过对这些太赫兹波的收集并分析能量强度，能反映出被测物体真实温度。太赫兹能量强度检测模块原理如图4所示，高温源发射的电磁波经过光学孔径102传递在斩波器103上，斩波器103主要功能为过滤波长处于0.1-10thz的太赫兹波，并由反射镜片104传递到光源探测器108中，将太赫兹波的光学信号转换为电信号。这些电信号通过低噪声放大器107与锁相放大器106放大与提纯，最终发送给处理器105中其他模块进行数据分析与处理。
4、基于多源融合算法的测温模块u4
由于波是向四面八方传送的,随着距离的加大,它所覆盖的区域急速加大，与距离的立方成正比,而电磁波的总能量不变,于是单位面积上的能量能量密度就越小与距离的立方成反比，所以接收到的能量与距离、拍摄角度相关。通过实验，本实施例引入太赫兹能量因子概念，简称能量因子，其具体表达为：
本发明提供的thz被动辐射测温方法，通过获取用于采集被测高温源发射的太赫兹的探头的安装偏角,采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值,根据太赫兹频域特征峰值、安装偏角以及检测距离，获得与被测高温源真实温度强相关的能量因子，检测距离为探头与被测高温源之间的检测距离以及根据能量因子，获得能量因子与温度的映射函数，并根据映射函数计算被测高温源温度值，解决了现有非接触式测温方法在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。
此外，本实施例通过采集的被测高温源发射的太赫兹实现对被测高温源的温度检测，能借助太赫兹的穿透特性减少环境中遮挡物对测温结果造成的误差，且本实施例拟合获得的能量因子与温度的映射函数，充分考虑到测温装置的安装位置、安装偏角等因素，能减少非接触设备由于检测距离与检测角度造成的测量温度误差，进一步提高被测高温源的温度检测精度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！