基于单相机的温度场测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单相机的温度场测量系统及方法，包括测量装置以及计算装置；测量装置包括入射窗、平板分光镜、第一反射镜组、第二反射镜组、窄带滤光片组以及相机；计算装置包括温度预订模块、图像接收模块、匹配模块以及温度计算模块；测量时将入射窗对准待测试件，光线经过入射窗射入平板分光镜后被分为光束一和光束二，光束一和光束二在经过第一反射镜组和第二反射镜组的反射后射入相机，从而在相机拍摄的图象中存在两个像，进而可以通过比色测温公式计算待测件的温度场。本发明专利技术仅需一个相机即可拍摄到具有两个目标图像的图片，同时适用于超高温温度场以及高速温度场测量，并且测量精度很高。

Temperature Field Measurement System and Method Based on Single Camera

The invention discloses a temperature field measurement system and method based on a single camera, including a measuring device and a calculating device; the measuring device includes an incident window, a flat-panel spectroscope, a first reflector group, a second reflector group, a narrowband filter group and a camera; the calculating device includes a temperature reservation module, an image receiving module, and a camera. Matching module and temperature calculation module; when measuring, the incident window is aligned with the object to be tested, and the light beam is divided into beam one and beam two after it is injected into the flat-plate spectroscope through the incident window, and beam one and beam two are injected into the camera after it is reflected by the first reflector group and the second reflector group, thus there are two in the image taken by the camera. The temperature field can be calculated by the formula of colorimetric temperature measurement. The invention can take pictures with two target images with only one camera, and is applicable to the measurement of ultra-high temperature field and high-speed temperature field, and the measurement accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
基于单相机的温度场测量系统及方法
本专利技术属于红外高温测量
，更具体地，涉及一种基于单相机的温度场测量系统及方法。
技术介绍
测量材料表面高温温度场在航天航空、机械制造、车辆工程等领域具有重要意义。应用于航空、汽车、轮船等工程中的发动机发展是以高温为主要特征的，发动机涡轮叶片作为受热的关键部件，准确测量其表面温度场分布是评估其性能、预测其寿命的重要环节，是涡轮叶片合理选材、冷却设计、热障涂层防护设计的必要前提。然而目前发动机涡轮叶片表面的温度场测量受发动机内部温度极高，空间狭小，涡轮叶片高速旋转等一系列不利因素制约，传统接触式测温计不仅响应速度慢、只能单点测温，而且还可能对材料表面造成破坏，，故不适用于涡轮叶片的温度场测量，而以双波段比色测温法为代表的非接触式红外测温计既可以测量材料表面全场温度，又有响应快、分辨率高、测量距离可调、测温范围广等诸多优势，故成为航空、汽车、轮船等工程中发动机涡轮叶片表面温度场测量的主要方法。随着增材制造技术的不断发展，为了提高增材制造产品的强度与可靠性，就必须在制造过程中进行在线监测与调控。在金属增材制造过程中，高能激光束将金属粉末熔化产生熔池本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单相机的温度场测量系统，其特征在于，包括测量装置以及计算装置；所述测量装置包括入射窗、平板分光镜、第一反射镜组、第二反射镜组、窄带滤光片组以及相机；所述入射窗为一块透明玻璃片，所述玻璃片对所述窄带滤光片组中的每个滤光片所透过波段的光透过率相同，用于接收待测件发出的光线；所述平板分光镜与所述入射窗之间的夹角为第一预定角；所述平板分光镜用于将从所述入射窗处接收到的光线平分为两束完全相同的光束一和光束二；所述第一反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜用于接收并反射所述光束一，所述第二反射镜用于接收并反射所述光束二；所述第一反射镜和所述第二反射镜关于所述平板分光镜面对称，且所述...

【技术特征摘要】
1.一种基于单相机的温度场测量系统，其特征在于，包括测量装置以及计算装置；所述测量装置包括入射窗、平板分光镜、第一反射镜组、第二反射镜组、窄带滤光片组以及相机；所述入射窗为一块透明玻璃片，所述玻璃片对所述窄带滤光片组中的每个滤光片所透过波段的光透过率相同，用于接收待测件发出的光线；所述平板分光镜与所述入射窗之间的夹角为第一预定角；所述平板分光镜用于将从所述入射窗处接收到的光线平分为两束完全相同的光束一和光束二；所述第一反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜用于接收并反射所述光束一，所述第二反射镜用于接收并反射所述光束二；所述第一反射镜和所述第二反射镜关于所述平板分光镜面对称，且所述平板分光镜的中心点与所述第一反射镜的中心点以及所述第二反射镜的中心点的距离相同；所述第二反射镜组包括第三反射镜和第四反射镜，分别用于接收并反射所述第一反射镜组反射出的所述光束一和所述光束二；并且所述第三反射镜和所述第四反射镜之间的夹角为第二预定角，所述第二预定角的开口朝向所述平板分光镜，所述第三反射镜和所述第四反射镜关于所述平板分光镜面对称；所述窄带滤光片组包括第一滤光片和第二滤光片，分别用于接收所述第二反射镜组反射出的所述光束一和所述光束二；所述第一滤光片与所述第二滤光片位于同一平面且并排设置在所述第二反射镜组远离所述平板分光镜的一侧，并且所述第一滤光片和所述第二滤光片关于所述平板分光镜面对称；所述第一滤光片和所述第二滤光片的中心波长不同，且所述第一滤光片和第二滤光片的中心波长之差的绝对值小于150nm；所述第一滤光片和第二滤光片的中心波长均大于760nm；所述相机设置在所述窄带滤光片组远离所述平板分光镜的一侧，并且所述相机的镜头正对所述窄带滤光片组的中间位置；所述光束一和所述光束二经过所述第一反射镜组、所述第二反射镜组以及所述窄带滤光片组后射入所述相机；所述计算装置用于根据所述相机拍摄到的图像，计算所述待测件表面的温度场。2.根据权利要求1所述的基于单相机的温度场测量系统，其特征在于，所述平板分光镜与所述入射窗之间的夹角为45°；所述第一反射镜和所述第二反射镜与所述平板分光镜之间的夹角分别为θ，所述夹角θ的开口方向朝向所述入射窗一侧，且0°<θ<20°。3.根据权利要求1所述的基于单相机的温度场测量系统，其特征在于，所述计算装置包括：温度预订模块，用于接收所述待测件被加热的目标温度值，根据所述目标温度值和标定系数曲线确定标定系数K，其中，所述标定系数曲线为温度与标定系数的相关曲线；图像接收模块，用于接收所述相机拍摄的目标图像，所述目标图像上包括第一目标区域和第二目标区域；所述第一目标区域为所述光束一对应的虚像；所述第二目标区域为所述光束二对应的虚像；所述第一目标区域和所述第二目标区域呈镜像关系；所述第一目标区域和所述第二目标区域上均包含N个标记点，所述标记点为在对所述待测件进行拍摄之前，对所述待测件表面制作的与未标记区域粗糙程度不同的标记；匹配模块，用于执行以下步骤：以任意一条直线为轴对所述第二目标区域做镜像变换，得到第三目标区域；将所述第一目标区域上的每一个像素单元与所述第三目标区域上的每一个像素单元一一对应；所述像素单元为像素点或亚像素点；温度计算模块，对于所述第一目标区域和所述第三目标区域上相对应的一个所述像素单元，采用以下公式计算所述待测件上所述像素单元对应的温度：其中，C2表示第二辐射常数，λ1、λ2分别表示所述第一滤光片以及所述第二滤光片的中心波长，η1、η2分别表示所述相机在λ1和λ2波长下的光谱响应值，N1和N2分别表示所述第一目标区域和所述第三目标区域上相对应的一个所述像素单元的灰度值，K为所述标定系数。4.根据权利要求3所述的基于单相机的温度场测量系统，其特征在于，所述温度预订模块采用以下方法确定所述标定系数曲线：将黑体炉的炉口正对所述测量装置的入射窗；在预设的温度范围内逐步升高所述黑体炉的温度，得到a个实验温度T1、T2···Ta，其中，所述目标温度值位于所述预设的温度范围内；对于每一个实验温度，分别对所述黑体炉的炉壁进行拍照，得到a个参照图像，其中，所述参照图像包括第一参照目标区域和第二参照目标区域，所述第一参照目标区域和所述第二参照目标区域呈镜像关系；对于每一个所述参照图像，以任意一条直线为轴对所述第二目标区域做镜像变换，得到第三参照目标区域，将所述第一参照目标区域和所述第三参照目标区域上的每一个像素单元一一匹配，将每一个所述实验温度分别带入所述公式(1)中，求出每一个所述实验温度对应的标定系数K；利用每一个所述实验温度和各个所述标定系数K形成所述标定系数曲线。5.根据权利要求3所述的基于单相机的温度场测量系统，其特征在于，所述匹配模块采用以下步骤将所述第一目标区域上的每一个像素单元与所述第三目标区域上的每一个像素单元一一对应：将所述第一目标区域和所述第三目标区域分别划分为p*q个子区域，每一个所述子区域上都包含若干个标记点；所述子区域为正方形且边长为2M个像素，M为正整数；选取所述第一目标区域中的任意一个所述子区域作为第一目标子区域；依次选取所述第三目标区域中的每一个所述子区域作为第三目标子区域，采用以下公式计算所述第三目标子区域与所述第一目标子区域之间的相关性：其中，C为相关性的值，C值越小表示相关性越强，f(x,y)和g(x',y')分别表示所述第一目标子区域和所述第三目标子区域的坐标，fm和gm分别为所述第一目标子区域和所述第三目标子区域的平均灰度值；选取与所述第一目标子区域的相关性最强的第三目标子区域，与所述第一目标子区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘战伟，郝策，谢惠民，刘胜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11