一种双ＣＣＤ温度场测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种双ＣＣＤ温度场测量装置，包括：光学镜头，用于将待测物体的辐射聚焦在分光棱镜组的入射面上；分光棱镜组，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射；黑白ＣＣＤ面阵传感器，对近红外波段辐射进行成像，获取近红外波段辐射信号；彩色ＣＣＤ面阵传感器，对可见光波段辐射进行成像，并分解转换为红、绿、蓝三路波段辐射信号；数据采集分析单元，采集近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算。本发明专利技术还涉及一种对应的温度场测量方法。本发明专利技术的技术方案可以实现温度场测量，应用范围广泛；且技术方案实现简单，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测温技术，尤其涉及一种基于双CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)融合的四通道辐射温度场测量装置及方法。
技术介绍
在石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃等工业生产行业的高温检测领域，辐射测温仪器具有巨大的市场需求和广阔的应用空间。例如，冶金行业的高温炉膛内部温度测量与控制对于生产过程有着重要的作用。在这些典型的应用领域，传统的热电偶接触式测温手段，由于测量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被价格较低、性能稳定、低消耗使用、非接触式的光学测温设备所取代。光学测温设备的应用将成为高温测量的主流趋势，现有技术已有的应用与研究现状可概括如下 一种是以点测量的光电/热释电传感器作为光学测温设备的探测传感器，通过在多个特定波长下的辐射强度测量，基于比色测温原理、多波长测温原理，实现高温物体的单点温度测量。例如，孙利群等人提出一种基于黑体辐射的双波长光电测温仪(公开号CN1687722)，其应用于金属冶炼测温领域，利用和钢水达到热平衡的石英玻璃作为发光体，通过透镜、分光滤光片、窄带滤光片和光电转换器件实现两路波长信号的传输采集和转换，结合比色测温原理，以实现温度测量；刘玉芳等人提出了一种利用钽酸锂热释电探测器实现的实用化双波长光纤测温仪(光学技术，31(1)142-145，2005)；戴景民等人先后建立了多波长辐射测温仪、便携式比色高温计(红外与毫米波学报，14(6)461-466，1995；热能动力工程，14(3)185-187，1999)。然而，上述几种设备都仅能实现单点温度测量，难于对具有一定几何形状的物体进行空间温度分布的测量。 另一种方案是以CCD等面阵传感器作为光学测温设备的探测传感器，通过对物体进行光学成像的手段，实现高温物体二维成像温度场的测量。例如，王飞等人利用单个彩色CCD，基于彩色CCD红、绿、蓝三通道信息，结合比色测温法，获得了二维温度场的分布(中国电机工程学报，20(1)70-72，2000)；吴海滨等人提出了一种基于彩色和近红外双CCD的图像测温装置(公开号CN1553157A)，该装置包括双光路光学镜头、一个彩色CCD摄像机、一个近红外CCD摄像机等，利用它们分别感应的红光与红外光进行比色测量。上述具有代表性的温度场测量设备，均是以比色法为测温的基本原理，无法更好地适用于非灰体温度场测量。 上述第二种方案中所述的基于CCD面阵传感器的温度场测量设备，较之第一种方案中所述的非成像点测温设备，由于获得了更多的空间温度信息，将有更大的应用优势与应用前景，但无论是采用单CCD或是双CCD的温度场测量设备，目前大都是以比色测温法的原理为基础进行温度计算的，仅适用于灰体或具有单参数发射率表现的物体温度测量。因而，针对具有连续辐射性质的实际高温物体(非灰体、发射率表现复杂的物体)，例如炉膛燃烧火焰、高温叶片、烧蚀材料等，如何在方法和技术上实现高温温度场的测量将是很有意义的工作，同时也是难点问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双CCD温度场测量装置及方法，以克服现有技术中温度场测量技术仅适用于灰体或具有单参数发射率物体的局限性。 为了达到上述目的，本专利技术的技术方案提出一种双CCD温度场测量装置，该装置包括光学镜头、分光棱镜组、黑白CCD面阵传感器、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元， 所述光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上； 所述分光棱镜组，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射； 所述黑白CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体的近红外波段辐射信号； 所述彩色CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的可见光波段辐射进行成像，并分解转换为待测物体的红、绿、蓝三路波段辐射信号； 所述数据采集分析单元，采集所述近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算。 上述的双CCD温度场测量装置中，所述数据采集分析单元利用多光谱测温法进行温度场计算是根据以下方程组完成 其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标； 分别表示彩色CCD面阵传感器在点(i，j)上的红、绿、蓝三路辐射强度输出值， 表示黑白CCD面阵传感器在点(i，j)上的一路辐射强度输出值，为分别根据所述四路测量信号得到的已知量； 为彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子， 为黑白CCD面阵传感器测量的非光谱因子，并且通过光路校正调节使为未知量；λmin1～λmax1为可见光波段，λmin2～λmax2为近红外波段；SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分别表示彩色CCD面阵传感器的红、绿、蓝三个不同光谱响应与所述光学镜头、分光棱镜组光谱响应的综合光谱分布曲线，SIR(λ)为黑白CCD面阵传感器的光谱响应与所述光学镜头、分光棱镜组光谱响应的综合光谱分布曲线，均为已知量；Ti，j表示待测物体在点(i，j)上的温度，为未知量；Ib，λ(Ti，j)为与待测物体相同温度Ti，j下的黑体光谱功率分布函数，仅与温度Ti，j相关；ελ(Ti，j)为待测物体的光谱发射率函数，包含三个以下的待定参数。 上述的双CCD温度场测量装置中，所述待测物体的光谱发射率函数采用二阶多项式函数表征如下 ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2 (2) 则方程组(1)的各方程左边为四个已知量 右边包括Ti，j、Φi，j·a0、Φi，j·a1、Φi，j·a2四个未知量，因此方程组(1)的求解是封闭的。 上述的双CCD温度场测量装置中，根据以下步骤建立测温数据库实现温度场的实时计算 将式(2)代入方程组(1)得到方程组(3)， 定义公式中仅与温度Ti，j相关的12个积分量为βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，0、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，其中， n＝R，G，B； n＝R，G，B； n＝R，G，B； 则将方程组(3)改写为方程组(4)， 预先对于每个温度求解所述12个积分量并建立存储温度与12个积分量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及四个已知量 对方程组(4)进行迭代运算，反演得到温度Ti，j。 上述的双CCD温度场测量装置中，所述待测物体为温度范围为1000K～3000K的具有连续辐射特性的高温物体。 上述的双CCD温度场测量装置中，所述近红外波段为800nm～1000nm，所述可见光波段为450nm～750nm。 本专利技术的技术方案还提出一种应用如上所述装置的双CCD温度场测量方法，该方法包括 利用所述光学镜头将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上； 利用所述分光棱镜组将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，并分别从两个出射面出射； 利用所述黑白CCD面阵传感器对分光棱镜组出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体的近红外波段辐射信号； 利用所述彩色CCD面阵传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双ＣＣＤ温度场测量装置，其特征在于，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、黑白ＣＣＤ面阵传感器、彩色ＣＣＤ面阵传感器及数据采集分析单元，　所述光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上；　所述分光棱镜组，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射；　所述黑白ＣＣＤ面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体的近红外波段辐射信号；　所述彩色ＣＣＤ面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的可见光波段辐射进行成像，并分解转换为待测物体的红、绿、蓝三路波段辐射信号；　所述数据采集分析单元，采集所述近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

【技术特征摘要】
1、一种双CCD温度场测量装置，其特征在于，该装置包括光学镜头、分光棱镜组、黑白CCD面阵传感器、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元，所述光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上；所述分光棱镜组，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射；所述黑白CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体的近红外波段辐射信号；所述彩色CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的可见光波段辐射进行成像，并分解转换为待测物体的红、绿、蓝三路波段辐射信号；所述数据采集分析单元，采集所述近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算。2、如权利要求1所述的双CCD温度场测量装置，其特征在于，所述数据采集分析单元利用多光谱测温法进行温度场计算是根据以下方程组完成其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；分别表示彩色CCD面阵传感器在点(i，j)上的红、绿、蓝三路辐射强度输出值，表示黑白CCD面阵传感器在点(i，j)上的一路辐射强度输出值，为分别根据所述四路测量信号得到的已知量；为彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子，为黑白CCD面阵传感器测量的非光谱因子，并且通过光路校正调节使为未知量；λmin1～λmax1为可见光波段，λmin2～λmax2为近红外波段；SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分别表示彩色CCD面阵传感器的红、绿、蓝三个不同光谱响应与所述光学镜头、分光棱镜组光谱响应的综合光谱分布曲线，SIR(λ)为黑白CCD面阵传感器的光谱响应与所述光学镜头、分光棱镜组光谱响应的综合光谱分布曲线，均为已知量；Ti，j表示待测物体在点(i，j)上的温度，为未知量；Ib，λ(Ti，j)为与待测物体相同温度Ti，j下的黑体光谱功率分布函数，仅与温度Ti，j相关；ελ(Ti，j)为待测物体的光谱发射率函数，包含三个以下的待定参数。3、如权利要求2所述的双CCD温度场测量装置，其特征在于，所述待测物体的光谱发射率函数采用二阶多项式函数表征如下ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2 (2)则方程组(1)的各方程左边为四个已知量右边包括Ti，j、Φi，j·a0、Φi，j·a1、Φi，j·a2四个未知量，因此方程组(1)的求解是封闭的。4、如权利要求3所述的双CCD温度场测量装置，其特征在于，根据以下步骤建立测温数据库实现温度场的实时计算将式(2)代入方程组(1)得到方程组(3)，定义公式中仅与温度Ti，j相关的12个积分量为βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，0、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，其中，则将方程组(3)改写为方程组(4)，预先对于每个温度求解所述12个积分量并建立存储温度与12个积分量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及四个已知量对方程组(4)进行迭代运算，反演得到温度Ti，j。5、如权利要求1所述的双CCD温度场测量装置，其特征在于，所述待测物体为温度范围为1000K～300...

【专利技术属性】
技术研发人员：符泰然，余景文，龚玮，程晓舫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]