一种基于三ＣＣＤ集成的温度场测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种三ＣＣＤ集成的温度场测量装置，包括：光学镜头，用于光学成像，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，起到分光的作用，将投射的辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别从三个出射面出射；三个ＣＣＤ面阵传感器，与分光棱镜组共同集成，分别设置于分光棱镜组的三个出射面处，对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的ＣＣＤ图像；数据采集分析单元，对三路ＣＣＤ图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。本实用新型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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

涉及光学测温技术，尤其涉及一种基于三个CCD(ChargeCoupled Device,电荷耦 合器件)面阵传感器光谱融合的温度场测量装置。
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。 随着图像光电传感器CCD不断地更新发展，基于CCD面阵传感器的光学测温方法 与技术，在温度场测量方面展现出了极大的优势。许多科研机构应用CCD传感器开展了高 温辐射温度场的测量研究工作，CCD传感器在辐射测温仪器研制领域展现了很好的应用前 景，现有技术已有的应用与研究现状如下所述。 —种是采用单个彩色CCD相机(或摄像机)作为光学测温仪器，利用内嵌的RGB彩 色滤色器阵列实现彩色复现，提供红、绿、蓝三个颜色通道a、直接利用三个颜色通道的波 段响应，结合特定的发射率模型，进行温度场的测量计算(中国科学G辑，34(6) :639-647， 2004)。 b、将三个通道的波段响应测量近似地处理为单色响应测量(中国电机工程学报， 20(1) :70-72,2000 ;仪器仪表学报，24 (6) :653-656， 2003)，即将颜色三基色的中心波长作 为测量的三个有效波长，进而利用比色测温法，实现温度场的计算；然而，实际上有效波长 并非一个常量，其是随着测量物体的辐射光谱分布不同而不同，这种有效波长的简化处理 方法，会给温度计算带来误差。上述方案a和b的应用均体现了 一个主要局限性，即内嵌RGB 彩色滤色器阵列提供三个颜色通道实现色彩的真实复现，其是基于标准人眼的光谱三剌激 值进行设计的，因此，三个通道的波段响应特性一般是固定不变的，这往往会限制仪器测温 的应用，从而无法自主选择合适的三个波段光谱响应函数以实现温度的优化测量。 另一种方案是采用单个黑白CCD作为光学测温传感器，将2个具有不同单色波 长的滤色片交替放置于CCD前，测量物体在两个波长下的相对辐射强度值，再根据比色 法进行温度计算(IEEE TRANS-ACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, 51 (5): 990-995,2002)。这种方法应用时，虽然可以较灵活的选择所需要的波长，但需要满足在2 个单色滤色片交替测量的时间段内物体温度场保持稳定的条件，对于瞬态温度场测量这种 要求往往难以满足，从而具有应用上的局限性。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于三CCD集成的温度场测量装置，以克服现有技 术中基于单CCD温度场测量技术在应用上的局限性。 为了达到上述目的，本技术的技术方案提出一种基于三CCD集成的温度场测量装置，该装置包括光学镜头、分光棱镜组、三个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，将投射的辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别从 三个出射面出射； 所述三个CCD面阵传感器，相同型号，分别设置于所述分光棱镜组的三个出射面 处； 所述三个CCD面阵传感器，分别对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路 光谱非相关的CCD图像； 所述数据采集分析单元，对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进 行温度场计算。 上述的基于三CCD集成的温度场测量装置中，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。 上述的基于三CCD集成的温度场测量装置中，所述分光棱镜组出射的三束不同波 长的单色辐射的波长范围为400nm 1100nm。 本技术的技术方案通过三CCD光谱融合采集待测物辐射强度信息，并利用适 用性更强的多光谱测温法，可以实现温度场测量，应用范围更为广泛；通过采用测温数据 库，提高了温度求解速度，可应用于实时在线温度计算；且技术方案实现简单，集成系统的 成本不高、性能稳定，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。附图说明图1为本技术基于三CCD集成的温度场测量装置实施例结构图。具体实施方式以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。 图1为本技术三CCD温度场测量装置实施例结构图，如图所示，本实施例的温 度场测量装置包括光学镜头11、分光棱镜组12、三个CCD面阵传感器131 133及数据采 集分析单元14。其中，光学镜头11用于光学成像，将待测物体10的辐射聚焦在分光棱镜 组12的入射面上，其可设计为定焦距或是变焦距的镜头。分光棱镜组12是由多个棱镜拼 接而成，通过棱镜镀膜设计，使入射辐射在不同的棱镜结合面上经由透射和反射，最终分解 为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别由棱镜的三个不同侧面出射出去；三束射出单 色辐射的波长范围为400nm 1100nm。三个波长的具体选择可根据实际测量的需要进行设 计，即考虑温度测量范围、分辨精度、测温误差、优化测量等诸多因素。三个CCD面阵传感器 131 133为同一型号的黑白CCD传感器，分别设置于分光棱镜组12的三个出射面处。三 个CCD面阵传感器131 133的曝光时间设置相同，并且通过硬件帧采集控制保障传感器 同步采集，从而分别对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的CCD图 像。数据采集分析单元14则对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度 场计算。 上述实施例中，分光棱镜组12、 CCD面阵传感器131 133构成的分光成像系统，还需要进行光路校正，使得三个CCD面阵传感器131 133可对物体清晰成像，获得的图 像能够点点对应，共同反应同一测量目标物体。至于所述的待测物体则是指温度范围在 1000K 3000K之间的具有连续辐射特性的高温物体，其在CCD传感器的波段响应区间内的 自发辐射强度要远远大于背景环境反射辐射强度的干扰，使得CCD传感器获得的测量信号 能够直接定量反映高温物体自发辐射强度的大小。 上述的多光谱测温法为一种常用的辐射测温方法，通用的表述如下具有连续辐 射特性的物体发射率用一个关于波长的多项式函数予以描述，在多个波长下测量物体的辐 射强度，结合光谱发射率模型，可以求得物体的温度。通常在有限的波长区间内，常用0阶 (灰体)、1阶(线性)、2阶(二次函数)形式。在后续本实施例中将采用线性发射率函数 的表述形式(灰体是其的特例形式)，发射率函数中共有两个待定系数，通过3路信号测量 方程的反演计算，可以同时求得温度及两个待定系数。然而，任何包含两个或小于两个待定 参数的发射率函数，均可以通过本技术技术方案获得的3路信号测量方程，计算温度 数值，其仍然也归为多光谱测温法。 继续参考图1所示，应用上述本技术基于三CCD集成的温度场测量装置实施 例的测量方法过程具体如下所述。 首先，高温待测物体10的辐射通过光学镜头ll，投射在分光棱镜组12上，分光棱 镜组1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三ＣＣＤ集成的温度场测量装置，其特征在于，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、三个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，将投射的辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别从三个出射面出射；　　所述三个ＣＣＤ面阵传感器，分别设置于所述分光棱镜组的三个出射面处；　　所述三个ＣＣＤ面阵传感器，分别对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的ＣＣＤ图像；　　所述数据采集分析单元，对三路ＣＣＤ图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：符泰然，钟茂华，史聪灵，程晓舫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]