本发明专利技术公开一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及方法，属于红外数字全息应用领域。本发明专利技术装置包括红外激光器、分束镜、扩束镜、透镜、反射镜、温度场检测腔、红外焦平面阵列成像传感器、图像处理单元、U形不透光外壳。本发明专利技术装置使用U形不透光外壳保护和固定，装置上只留两个圆孔位置镶嵌锗材质的透镜III、透镜IV，避免可见光干扰，以达到提高测量精度的目的。本发明专利技术方法通过图像相减结合像素点大小计算出条纹位移量，通过条纹位移量推算出温度场变化量；采用红外数字全息技术用于温度场测量，能够保证对温度场检测实时性的同时，同也提升了温度场检测装置对各种干扰的抗性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及方法
本专利技术公开一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及方法，属于红外数字全息应用领域。
技术介绍
现有的温度场测量手段主要有探针接触式、纹影定量检测式、红外热成像检测式以及可见光全息干涉检测手段四种，探针接触式在日常生活中最常使用，其测量精度高，可做到对温度的实时监测，但其测量时无法做到无损检测，可检测的温度场的空间范围也有限，在众多工业领域无法应用；红外热成像检测式是通过接收物体辐射出的红外波进行温度检测，其检测速度快但精度有限，且易受使用环境影响，而且在面对存在烟雾或火焰的检测环境时，其检测精度会急剧下降，使得其在工业生产中的实际应用价值较低；纹影定量检测式方法简单，但测量精度略低，无法满足高精度温度场检测的要求。一般来说，现有全息干涉计量手段是利用两束相干光干涉产生干涉条纹，当物光所经过区域的物理量发生变化时，所有物理量的变化都会体现为条纹的变化，而条纹的变化是光的波长级别的变化量，使得该手段可以测量物理量非常微小的变化。当温度场发生变化时，空气密度会发生变化，进而改变空气的折射率，折射率的改变会使得在其中传播的光的光程发生改变，当两束相干光之间的光程差发生变化后，可观察到的现象是干涉条纹会发生位移，我们可以通过对条纹位移量进行测量，从而推算出温度场的微小变化。使用全息干涉计量手段测量温度场，具有无损检测及高精度检测的优点，但由于可见光的波长限制，使得以可见光作为光源的基于全息干涉计量手段为基础的温度场检测装置及方法对环境稳定性要求较高，还易受可见光干扰；且由于可见光波长较短，可检测的温度场的空间范围也有限，可检测的温度场变化量的范围也有限；除此以外，在面对存在烟雾或火焰的检测环境时其检测精度会急剧下降，在要求黑暗的场景中也无法使用；上述多方面的不足使得这种温度场检测手段无法大规模应用。为了解决上述技术手段的诸多不足，考虑到红外数字全息的各项优秀特性，将红外数字全息技术与全息干涉计量手段相结合，可大大提高系统的抗干扰性，降低系统对稳定性的要求，扩大系统的使用范围，得到一种可在多场景使用的高精度温度场实时测量及监控的装置及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，不仅发挥了全息干涉计量手段高精度测量的优点，还结合了红外数字全息抗干扰性强及实时检测的优点。为达到上述技术要求，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，包括红外激光器1、分束镜I2、扩束镜I3、扩束镜II4、透镜I5、透镜II6、反射镜I7、反射镜II8、透镜III9、透镜IV10、分束镜II11、红外焦平面阵列成像传感器12、微型计算机13、U形不透光外壳14。红外焦平面阵列成像传感器12设置在U形不透光外壳14内部，微型计算机13设置在U形不透光外壳外部；微型计算机13通过数据线缆与红外焦平面阵列成像传感器12相连接；U形不透光外壳14侧壁上设置有两个圆孔用于安置透镜III9、透镜IV10，且两圆孔中心点的连线与红外物光束的光路相重合，透镜III9、透镜IV10固定于U形不透光外壳侧壁上的圆孔内；红外激光器1发射红外激光，经分束镜I2将分束成为两束红外激光，一束红外激光经扩束镜I3扩束后，经透镜I5准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜I7后，经反射到达透镜III9，通过透镜III9射出U形不透光外壳，然后到达透镜IV10，再通过透镜IV10进入U形不透光外壳，该光束通过透镜IV10后到达分束镜II11，该光束称为红外物光束；透镜III9与透镜IV10之间沿光路方向为温度场测量区域。分束镜I2分束的另一束红外激光束经过扩束镜II4扩束后，经透镜II6准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜II8后，经反射镜II8反射后到达分束镜II11，此光束称为红外参考光束。红外物光束与红外参考光束在分束镜II11上形成一系列干涉条纹，这一系列干涉条纹被称为红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列成像传感器12进行接收记录，并将接收到的光信号转化为电信号，再将电信号传送至微型计算机13进行存储及数据处理。所述红外激光器1选用发射激光波长为10.64μm的红外激光器，该波长的红外激光束在空气中衰减效应较弱，可以避免红外激光束在空气中过快衰减；同时该波长的红外激光束与火焰发射出的波长为780nm-7000nm的红外光波长不同，可以通过图像处理的手段剔除掉火焰所发出的红外光对干涉图样的影响，从而使得该装置可以精确测量火焰的温度场分布。进一步的，本专利技术所述红外激光器1选用发射激光波长为10.64μm的红外激光器，可以使得物光光束与参考光光束对烟雾等粒子场的穿透性相较于使用可见光波段的激光束有较大的提升，使得该装置可以在有烟雾等粒子场的环境中精确测量温度场分布。本专利技术所述U形不透光外壳14侧壁内侧为纯黑色，以吸收进入U形不透光外壳14内的红外光，防止红外光在不U形透光外壳14内部来回反射被红外焦平面阵列成像传感器12接收而影响红外焦平面阵列成像传感器12对干涉条纹图样的接收。本专利技术所述透镜III9、透镜IV10位锗材质透镜，以防止可见光进入光路对干涉图样产生影响。本专利技术所述红外物光束与红外参考光束皆为扩束过后的平行光，且红外物光束与红外参考光束所经过光路的光程最大差值为1cm。使用红外焦平面阵列成像传感器12接收红外全息图，红外焦平面阵列成像传感器12灵敏度的选取和红外激光器1功率大小相匹配，其感应波段需与红外激光器1波长相匹配，即应能感应到所选取的红外激光器1的波长的波段，以达到较好的成像效果。所述红外焦平面阵列成像传感器12用感应波段包含红外激光器1波长波段的CCD图像传感器替代，不影响整个装置的功能实现。微型计算机13能够对接收到的红外全息图进行滤波处理，对处理后的全息图进行再显示，使得该装置可以测量火焰的温度场分布和可以在有烟雾等粒子场的环境中测量温度场分布。一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量方法，依托全息干涉计量的基本理论，根据温度场的微小变化会导致干涉条纹发生位移这一现象，通过测算条纹的位移量，便可推算出温度场的变化值，包括以下步骤：（1）打开红外激光器1，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的干涉图样，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中，该干涉图样被称为初始温度场红外全息图。（2）将所需测量温度场区域置于透镜III9与透镜IV10之间的U形不透光外壳（14）的凹陷区域，且让所需测量温度场区域处于光路中；一般来说，由于采用的光路是透射式光路，所以所需测量温度场区域要求透明。（3）待放入的被测目标物稳定后，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的干涉图样，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中，该干涉图样被称为变化后温度场红外全息图。（4）将初始温度场红外全息图与变化后温度场红外全息图做图像相减处理，计算本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，其特征在于：包括红外激光器（1）、分束镜I（2）、扩束镜I（3）、扩束镜II（4）、透镜I（5）、透镜II（6）、反射镜I（7）、反射镜II（8）、透镜III（9）、透镜IV（10）、分束镜II（11）、红外焦平面阵列成像传感器（12）、微型计算机（13）、不透光外壳（14）；/n红外焦平面阵列成像传感器（12）设置在U形不透光外壳（14）内部，微型计算机（13）设置在U形不透光外壳外部；微型计算机（13）通过数据线缆与红外焦平面阵列成像传感器（12）相连接；U形不透光外壳（14）侧壁上设置有两个圆孔用于安置透镜III（9）、透镜IV（10），且两圆孔中心点的连线与红外物光束的光路相重合，透镜III（9）、透镜IV（10）固定于U形不透光外壳侧壁上的圆孔内；/n红外激光器（1）发射红外激光，经分束镜I（2）将分束成为两束红外激光，一束红外激光经扩束镜I（3）扩束后，经透镜I（5）准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜I（7）后，经反射到达透镜III（9），通过透镜III（9）射出U形不透光外壳，然后到达透镜IV（10），再通过透镜IV（10）进入U形不透光外壳，该光束通过透镜IV（10）后到达分束镜II（11），该光束称为红外物光束；透镜III（9）与透镜IV（10）之间沿光路方向为温度场测量区域；/n分束镜I（2）分束的另一束红外激光束经过扩束镜II（4）扩束后，经透镜II（6）准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜II（8）后，经反射镜II（8）反射后到达分束镜II（11），此光束称为红外参考光束；/n红外物光束与红外参考光束在分束镜II（11）上形成一系列干涉条纹，这一系列干涉条纹被称为红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列成像传感器（12）进行接收记录，并将接收到的光信号转化为电信号，再将电信号传送至微型计算机（13）进行存储及数据处理。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，其特征在于：包括红外激光器（1）、分束镜I（2）、扩束镜I（3）、扩束镜II（4）、透镜I（5）、透镜II（6）、反射镜I（7）、反射镜II（8）、透镜III（9）、透镜IV（10）、分束镜II（11）、红外焦平面阵列成像传感器（12）、微型计算机（13）、不透光外壳（14）；
红外焦平面阵列成像传感器（12）设置在U形不透光外壳（14）内部，微型计算机（13）设置在U形不透光外壳外部；微型计算机（13）通过数据线缆与红外焦平面阵列成像传感器（12）相连接；U形不透光外壳（14）侧壁上设置有两个圆孔用于安置透镜III（9）、透镜IV（10），且两圆孔中心点的连线与红外物光束的光路相重合，透镜III（9）、透镜IV（10）固定于U形不透光外壳侧壁上的圆孔内；
红外激光器（1）发射红外激光，经分束镜I（2）将分束成为两束红外激光，一束红外激光经扩束镜I（3）扩束后，经透镜I（5）准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜I（7）后，经反射到达透镜III（9），通过透镜III（9）射出U形不透光外壳，然后到达透镜IV（10），再通过透镜IV（10）进入U形不透光外壳，该光束通过透镜IV（10）后到达分束镜II（11），该光束称为红外物光束；透镜III（9）与透镜IV（10）之间沿光路方向为温度场测量区域；
分束镜I（2）分束的另一束红外激光束经过扩束镜II（4）扩束后，经透镜II（6）准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜II（8）后，经反射镜II（8）反射后到达分束镜II（11），此光束称为红外参考光束；
红外物光束与红外参考光束在分束镜II（11）上形成一系列干涉条纹，这一系列干涉条纹被称为红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列成像传感器（12）进行接收记录，并将接收到的光信号转化为电信号，再将电信号传送至微型计算机（13）进行存储及数据处理。
2.根据权利要求1所述基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，其特征在于：所述红外激光器（1）选用发射激光波长为10.64μm的红外激光器。
3.根据权利要求1所述基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，其特征在于：透镜III（9）、透镜IV（10）为锗材质透镜；U形不透光外壳（14）侧壁内侧为纯黑色。
4.根据权利要求1所述基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，其特征在于：所述红外焦平面阵列成...
【专利技术属性】
技术研发人员：张永安，陈强珅，张亚萍，赵丹露，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53
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