基于光辐射的测温设备、系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及测溫领域，特别设及一种基于光福射的测溫设备、系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在航空航天、冶金及汽车制造业等领域，常常需要对待测对象W及各种在线工件 进行快速、实时监控，W最大限度地减少事故隐患、提高产品的安全性能及其质量。沿用传 统的接触式测溫仪进行测量，虽然精度高，但必须使探测器接触待测对象。可是在某些特殊 的场合下（如对发动机燃烧室及高溫炉中的火焰进行测溫时)无法使用接触式测溫仪，由此 产生了非接触式测溫方法。红外测溫方法就属于一种非接触式测溫方法，该方法通过检测 物体表面发射的能量来测量溫度，具有测溫范围广、响应速度快和不明显破坏测溫度场等 特点，被广泛应用于工业各个方面。
[0003] 红外测溫方法主要基于黑体福射理论，而黑体是个理想化的物理模型，而自然界 中实际存在的物体(测溫对象），其吸收能力及福射能力都比黑体小，称为灰体。根据普朗克 福射定律，一个绝对溫度为T的黑体，单位表面积在波长、八2(、的附近单位波长)的间隔内 向整个半球空间发射的福射功率(简称光谱福射度)为e〇(a，t)，而灰体的光谱福射能量的 计算公式为:6^，1') = 6(\，1'化〇(、1')，其中6(、1')为该灰体的福射率。
[0004] 现有技术中红外测溫主要经历了=个阶段的发展。
[0005] 第一阶段:传统的红外测溫设备，一律按黑体的热福射定律来设计。该设计方式假 设红外测溫仪实际接收到的热福射是与被测物的光谱福射能量E(A，T)是成比例，故在使用 红外测溫仪时，必须求出待测对象的福射率e(A，T)数值，即进行福射率修正。遗憾的是，该 福射率e(A，T)与待测对象的材料、表面状态、波长，溫度W及福射条件、环境因素等均有复 杂的关系，因而很难准确确定测定e(A，T)，同时由于在某些情况下待测对象的福射率随溫 度变化太大，因而传统红外测溫仪还存在着较大的误差。
[0006] 第二阶段:科学家们为解决传统的红外测溫设备存在的问题，研究出了基于单波 长窄带滤波红外测溫技术。可是由于存在诸如水蒸气等的周围环境对红外线的吸收，在很 大幅度上影响了单波长红外测溫的准确性。
[0007] 第=阶段:利用双波长滤波红外测溫技术来进行红外测溫。双波长滤波红外测溫 技术的原理为:利用黑体福射曲线中相邻两个波长对应的能量等比吸收的原理，在保证红 外测溫高精度测量的基础上，克服了环境对物体发射红外线吸收造成的测量误差。根据普 朗克福射定律，一个绝对溫度为T的黑体，单位表面积、八2(、的附近单位波长)的间隔内向 整个半球空间发射的福射功率(简称光谱福射度化o(、T)，满足下式的变化关系：
[0009] 其中，C为真空光速C = 2.99792458 X l〇8m/s;
[0010] h为普朗克常数，h = 6.62607004X l〇-34j ? S;
[0011] k为玻尔兹曼常数，k = 1.3806488 X 1〇-23j/K ;
[0012] Cl为第一福射常数，Cl = 2地c2 = 3.741771790075259X10-l6w?m2;
[0013] C2为第二福射常数，C2 = hc/k=1.4387770620391X 10-2m?K。
[0014] 而灰体的光谱福射能量公式
[001 引 ￡U，r)二巧A，r)￡,,aT)二占乂 -1):-! . ，'
[0016] 其中，Eo(A，T)为黑体发射的光谱福射通量密度，A为光谱福射时的波长，T为黑体 的绝对溫度，单位为K，e (A，T)为待测对象溫度为T，福射波长为A时的福射率，0 < e (A，T) < Io
[0017] 在经典近似情况下，卢"7 >>!，在红外测溫仪的测溫范围内满足此条件，贝化〇(A，T) 可近似简化为Wien公式：￡〇化r) = Q/T，(￡?心")-1。
[0018] 若波长为定值，则上式只与溫度有关，可改写为：
[0019] Eo(T)=Aoexp(BoZT),
[0020] 其中，Ao = CiA-S，Bo = -CsA，且仍然只适用于黑体。若将Ao和Bo视为可变参量A和B， 则可推广到灰体的情况，则灰体的光谱福射能量为：
[0021] E(T)=A exp(B/T)
[0022] 不同于公式。i，7-)二/;(/;.，nC,义i的是，前者只需简单改变A和B参量 的值就可实现从黑体到灰体的修正，而无需确定复杂的福射率函数e(A，T)。
[0023] 利用相邻两波长等比吸收的原理。取2个波长的吸收能量比作为溫度的函数，即可 避免由于水蒸气等环境对红外线吸收的因素而造成的测量误差。
[0024] 现在分别取、和A2,则有：
[0025] Ei(T)=Ai(Ai)exp(Bi(Ai)/T),
[0026] E2(T)=A2(A2)exp(B2(A2)/T)。
[0027] 上述两式作比值得：
[0029] 其中：
=Bi(、)-B2(A2)。因此，只要利用实验数据拟合确定y和两 个参数，即可获得被测物体的溫度T与该比值X之间的关系。即，根据上述拟合系数y和， 可W得到此种环境下的该福射体的溫度。
[0030] 图1(a)示出了现有技术中一种双波长滤波红外测溫设备的示意图。图1(b)示出了 图1(a)中调制盘的结构示意图。参考图1(a)和图1(b)，该双波长滤波红外测溫设备的工作 方法是：
[0031] 待测对象发出的一束光福射沿水平方向通过透镜9射向反射镜8,由反射镜8将光 福射反射至分光镜1(或二向色镜）。分光镜1将运束光福射进行反射和透射，形成水平方向 上的反射的第一光福射和垂直方向上的透射的第二光福射。水平方向上的第一光福射经过 窄带滤光片7滤为波长为第一波长的光(例如波长为、的光）。波长为Al的光通过反射镜6反 射为垂直方向后并射向带有电机的调制盘5。垂直方向上的第二光福射经过反射镜2反射后 形成水平方向上的第二光福射，经过窄带滤光片3滤为波长为第二波长的光(例如波长为入2 的光）。波长为^2的光射向带有电机的调制盘5。电机带动调制盘进行转动，波长为A2的光可 W通过调制盘5上的通孔(参见图1(b))射向光敏传感器4,波长为、的光可W通过调制盘5 上的镜面反射后射向光敏传感器4。光敏传感器4获取波长为、和A2的光的能量，再经过放大 电路、计算电路进行数据处理生成待测对象的溫度，该溫度在显示的设备上进行显示。
[0032] 本申请的发明人做了大量的实验，发现利用该双波长滤波红外测溫设备测得的溫 度的精度尽管相对于单波长红外测溫设备有了明显的提高，但仍然存在一定的误差。本发 明人还发现:一方面，双波长光福射测溫的精度与光福射分成的双波的平均度成正比。即： 当入射的光福射分成的两束光束的光子数或者能量越平均，其测溫的精度越高。另一方面， 该双波长滤波红外测溫设备测得的溫度的精度还受能量损失制约，如果光福射在测量过程 中能量损失越大，测得的溫度的精度越低。本发明人根据上述发现的理论，再对照现有技术 中双波长滤波红外测溫设备发现：
[0033] 分光镜(或者二向色镜）的反射或透射效率都不高，存在较大的能量损失，所W造 成后期测溫精度下降；
[0034] 分光镜透射和反射的第一光福射和第二光福射的光子数或者能量分配比例的区 间大约为[5()%T20%:5()%±20%~50%+ 10%:50%± 10%]，该比例离理想中的1:1的绝对等 分的差距很大，所W造成后期测溫精度下降。此外，双波长滤波红外测溫设备中的二向色镜 依赖在光学平片的正反面锻上不同的膜W实现滤光，如果需要选择其它的波长，则需要更 换整块二向色镜。所W双波长滤波红外测溫设备测得的溫度的精度不高，且使用不太方便， 其适应性不广。
[0035] 另外，传统的双波长测溫设备均在像平面设置光电探测元件，其灵敏度受限于所 采用的光电探测元件的探测灵敏度，在弱信号探测情况下，将受到散粒噪声的严重影响，精 度较差，应用环境受限。
【发明内容】
[0036] 本发明的目的在于克服现有技术中的测溫精度低、测溫应用场合窄、结构复杂等 缺陷。
[0037] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于光福射的测溫设备。该设备包括：
[0038] 光福射等分装置，配置为接收待测对象的光福射，将接收到的光福射等分为第一 光福射和第二光福射，并使所述第一光福射沿第一路径射出、所述第二光福射沿不同于第 一路径的第二路径射出；
[0039] 布置在所述第一路径上的第一滤光元件，配置为接收所述第一光福射，并将接收 到的第一光福射过滤为波长为第一波长的光；
[0040] 布置在所述第二路径上的第二滤光元件，配置为接收所述第二光福射，并将接收 到的第二光福射过滤为波长为第二波长的光；
[0041] 布置在第一路径上的第一探测装置，配置为接收波长为第一波长的光并将其转换 为相应的第一光电信号参量；
[0042] 布置在第二路径上的第二探测装置，配置为接收波长为第二波长的光并将其转换 为相应的第二光电信号参量；
[0043] 溫度确定装置，配置为接收来自所述第一探测装置和第二探测装置的所述第一和 第二光电信号参量，并根据所述第一和第二光电信号参量与溫度的预定关系确定出所述待 测对象的溫度。
[0044] 本实施方式舍去传统的反射效率和透射效率均不高、无法将接收的光福射进行精 确等分的二向色镜(半透半反镜），利用光福射等分装置将接收的光福射进行精确等分(此 处的等分为光子数和光的能量的等分），大幅度提高了后期的测溫的精度。
[0045] 进一步，利用光福射等分装置提高了反射的效率，减少了能量的损失，进一步提高 了后期的测溫的精度。
[0046] 本实施方式结构简单，操作简便，可W用于不同要求测溫场合，适用范围广。
[0047] 本实施例通过光路左右两路的双波测量可W有效地克服了传统测溫中"福射率修 正"难题，克服了测量条件复杂、现场测量条件波动或者水蒸气等因素的环境吸收造成的测 量误差，进一步提高了测溫的精度。
[0048] 在一些实施方式中，根据权利要求1所述的测溫设备，其特征在于，所述溫度确定 装置根据如下的所述预定关系确定待测对象的溫度：
[0049] T = B7ln(X/A'）
[0050] 其中，X = Ei(T)/E2(T)，A'、B'为预设系数，T为所述待测对象的溫度，Ei(T)为所述 第一光电信号参量，E2(T)为所述第二光电信号参量。
[0051 ]在一些实施方式中，所述光福射等分装置包括：
[0052] 空间光调制器，配置为根据预定控制将接收到的待测对象的光福射等分为所述第 一光福射和第二光福射，并使第一光福射沿第一路径射出、第二光福射沿不同于第一路径 的第二路径射出；
[0053] 控制元件，配置为根据预定输入对所述空间光调制器进行上述预定控制。
[0054] 由此，本实施方式开创性的将空间光调制器运用于测溫设备，大幅度提高了测溫 精度。
[0055] 在一些实施方式中，所述空间光调制器为选自数字微镜器件、光强数字调制器或 '浓晶光阀。