專利名稱：一種基于雙ccd的四通道溫度場測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光學(xué)測溫技術(shù)，尤其涉及一種基于雙CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合器件)融合的四通道輻射溫度場測量裝置。
背景技術(shù)：
在石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、玻璃等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的高溫檢測領(lǐng)域，輻射測溫儀 器具有巨大的市場需求和廣闊的應(yīng)用空間。例如，冶金行業(yè)的高溫爐膛內(nèi)部溫度測量與控 制對于生產(chǎn)過程有著重要的作用。在這些典型的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的熱電偶接觸式測溫手段， 由于測量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被價格較低、性能穩(wěn)定、低消耗使 用、非接觸式的光學(xué)測溫設(shè)備所取代。光學(xué)測溫設(shè)備的應(yīng)用將成為高溫測量的主流趨勢，現(xiàn) 有技術(shù)已有的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀可概括如下 —種是以點測量的光電/熱釋電傳感器作為光學(xué)測溫設(shè)備的探測傳感器，通過在 多個特定波長下的輻射強度測量，基于比色測溫原理、多波長測溫原理，實現(xiàn)高溫物體的 單點溫度測量。例如，孫利群等人提出一種基于黑體輻射的雙波長光電測溫儀(公開號 CN1687722)，其應(yīng)用于金屬冶煉測溫領(lǐng)域，利用和鋼水達(dá)到熱平衡的石英玻璃作為發(fā)光體， 通過透鏡、分光濾光片、窄帶濾光片和光電轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)兩路波長信號的傳輸采集和轉(zhuǎn)換， 結(jié)合比色測溫原理，以實現(xiàn)溫度測量；劉玉芳等人提出了一種利用鉭酸鋰熱釋電探測器實 現(xiàn)的實用化雙波長光纖測溫儀(光學(xué)技術(shù)，31(1) :142-145,2005);戴景民等人先后建立了 多波長輻射測溫儀、便攜式比色高溫計(紅外與毫米波學(xué)報，14(6) :461-466,1995 ;熱能動 力工程，14(3) :185-187， 1999)。然而，上述幾種設(shè)備都僅能實現(xiàn)單點溫度測量，難于對具有 一定幾何形狀的物體進(jìn)行空間溫度分布的測量。 另一種方案是以CCD等面陣傳感器作為光學(xué)測溫設(shè)備的探測傳感器，通過對物體 進(jìn)行光學(xué)成像的手段，實現(xiàn)高溫物體二維成像溫度場的測量。例如，王飛等人利用單個彩色 CCD，基于彩色CCD紅、綠、藍(lán)三通道信息，結(jié)合比色測溫法，獲得了二維溫度場的分布(中國 電機工程學(xué)報，20(1) :70-72,2000);吳海濱等人提出了一種基于彩色和近紅外雙CCD的圖 像測溫裝置(公開號CN1553157A)，該裝置包括雙光路光學(xué)鏡頭、一個彩色CCD攝像機、一個 近紅外CCD攝像機等，利用它們分別感應(yīng)的紅光與紅外光進(jìn)行比色測量。上述具有代表性 的溫度場測量設(shè)備，均是以比色法為測溫的基本原理，無法更好地適用于非灰體溫度場測 上述第二種方案中所述的基于CCD面陣傳感器的溫度場測量設(shè)備，較之第一種方 案中所述的非成像點測溫設(shè)備，由于獲得了更多的空間溫度信息，將有更大的應(yīng)用優(yōu)勢與 應(yīng)用前景，但無論是采用單CCD或是雙CCD的溫度場測量設(shè)備，目前大都是以比色測溫法的 原理為基礎(chǔ)進(jìn)行溫度計算的，僅適用于灰體或具有單參數(shù)發(fā)射率表現(xiàn)的物體溫度測量。因 而，針對具有連續(xù)輻射性質(zhì)的實際高溫物體(非灰體、發(fā)射率表現(xiàn)復(fù)雜的物體)，例如爐膛 燃燒火焰、高溫葉片、燒蝕材料等，如何在方法和技術(shù)上實現(xiàn)高溫溫度場的測量將是很有意 義的工作，同時也是難點問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置，以克服現(xiàn)有
技術(shù)中溫度場測量技術(shù)僅適用于灰體或具有單參數(shù)發(fā)射率物體的局限性。 為了達(dá)到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案提出一種基于雙CCD的四通道溫度場
測量裝置，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、黑白CCD面陣傳感器、彩色CCD面陣傳感器
及數(shù)據(jù)采集分析單元， 所述光學(xué)鏡頭，用于光學(xué)成像，將待測物體的輻射聚焦在所述分光棱鏡組的入射 面上； 所述分光棱鏡組，將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，分別 從兩個出射面出射； 所述黑白CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的近紅外波段輻射進(jìn)行成像， 獲取待測物體的近紅外波段輻射信號； 所述彩色CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的可見光波段輻射進(jìn)行成像， 并分解轉(zhuǎn)換為待測物體的紅、綠、藍(lán)三路波段輻射信號； 所述數(shù)據(jù)采集分析單元，采集所述近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍(lán)三路波段輻射 信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計算。 上述的基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置中，所述待測物體為溫度范圍為 1000K 3000K的具有連續(xù)輻射特性的高溫物體。 上述的基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置中，所述近紅外波段為800nm 900nm，所述可見光波段為400nm 700nm。 本實用新型的技術(shù)方案通過雙CCD融合采集四通道輻射強度信息，并利用適用性 更強的多光譜測溫法，可以實現(xiàn)溫度場測量，應(yīng)用范圍更為廣泛；通過采用測溫數(shù)據(jù)庫，提 高了溫度求解速度，可應(yīng)用于實時在線溫度計算；且技術(shù)方案實現(xiàn)簡單，集成系統(tǒng)的成本不 高、性能穩(wěn)定，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。

圖1為本實用新型基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置的實施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。 圖1為本實用新型基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置的實施例結(jié)構(gòu)圖，如圖所 示，本實施例的溫度場測量裝置包括光學(xué)鏡頭11、分光棱鏡組12、黑白CCD面陣傳感器 13、彩色CCD面陣傳感器14及數(shù)據(jù)采集分析單元15。其中，光學(xué)鏡頭11用于光學(xué)成像，將 待測物體10的輻射聚焦在分光棱鏡組12的入射面上，其可設(shè)計為定焦距或是變焦距的鏡 頭。分光棱鏡組12是一個常用的光學(xué)器件，其呈正方體結(jié)構(gòu)，通過棱鏡鍍膜設(shè)計，將投射 的輻射分解為A min2 A max2 (本實施例取為800nm 900nm)的近紅外波段輻射及A minl 入m^(本實施例取為400nm 700nm)的可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射。黑白CCD 面陣傳感器13與彩色CCD面陣傳感器14為具有同一型號CCD芯片的傳感器；黑白CCD面陣傳感器13置于分光棱鏡組12出射輻射為800nm 900nm —側(cè)的出射面上，對出射的近 紅外波段輻射進(jìn)行成像，獲取待測物體10的近紅外波段輻射信號；彩色CCD面陣傳感器14 則置于分光棱鏡組12出射輻射為400nm 700nm—側(cè)的出射面上，對出射的可見光波段輻 射進(jìn)行成像，并利用內(nèi)嵌的紅、綠、藍(lán)三個波段感應(yīng)單元將其分解轉(zhuǎn)換為待測物體10的紅、 綠、藍(lán)三路波段輻射信號。數(shù)據(jù)采集分析單元15，以個人電腦為平臺，通過CCD傳感器的數(shù) 據(jù)輸出接口采集近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍(lán)三路波段輻射信號共四路測量信號，并利 用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計算。 上述的待測物體是指溫度范圍在1000K 3000K之間的具有連續(xù)輻射特性的高溫 物體，其在CCD傳感器的波段響應(yīng)區(qū)間內(nèi)的自發(fā)輻射強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景環(huán)境反射輻射強 度的干擾，使得CCD傳感器獲得的測量信號能夠直接定量反映高溫物體自發(fā)輻射強度的大 小。 上述的多光譜測溫法為一種常用的輻射測溫方法，通用的表述如下具有連續(xù)輻 射特性的物體發(fā)射率用一個關(guān)于波長的多項式函數(shù)予以描述，在多個波長下測量物體的輻 射強度，結(jié)合光譜發(fā)射率模型，可以求得物體的溫度。通常在有限的波段區(qū)間內(nèi)，常用0階 (灰體)、1階(線性)、2階(二次函數(shù))形式。在后續(xù)本實施例中將采用2階多項式函數(shù)的 表述形式(灰體、線性發(fā)射率函數(shù)均是其的特例形式)，發(fā)射率函數(shù)中共有三個待定系數(shù)， 通過4路信號測量方程的反演計算，可以同時求得溫度及3個待定系數(shù)。然而，任何包含三 個或小于三個待定參數(shù)的發(fā)射率函數(shù)，均可以通過本實用新型技術(shù)方案獲得的4路信號測 量方程，計算溫度數(shù)值，其仍然也歸為多光譜測溫法。 繼續(xù)參考圖1所示，應(yīng)用上述本實用新型基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置實 施例的測量方法過程具體如下所述。 首先，高溫待測物體10的輻射通過光學(xué)鏡頭ll，投射在分光棱鏡組12上，分光棱 鏡組12通過鍍膜的反射和透射將投射輻射分解為400nm 700nm和800nm 900nm兩個波 段輻射；直接透射的400nm 700nm可見光波段輻射成像在分光棱鏡組12右側(cè)的彩色CCD 面陣傳感器14上，反射的800nm 900nm近紅外波段輻射成像在分光棱鏡組12下側(cè)的黑 白CCD面陣傳感器13上。 其次，分光棱鏡組12、黑白CCD面陣傳感器13、彩色CCD面陣傳感器14構(gòu)成的光 學(xué)成像系統(tǒng)，需進(jìn)行必要的光路校正，使其可對物體清晰成像，并且兩個傳感器獲得的圖像 能夠點點對應(yīng)，實現(xiàn)非失真的融合匹配。 然后，彩色CCD面陣傳感器14內(nèi)嵌有紅、綠、藍(lán)三個不同的波段感應(yīng)單元，因此將 400nm 700nm可見光輻射分解轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍(lán)三路窄波段的輻射信號，并傳輸至數(shù)據(jù)采 集分析系統(tǒng)15 ;同時黑白CCD面陣傳感器13的一路輻射信號也傳輸至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng) 15。綜上所述，通過雙CCD傳感器的融合，將獲得高溫待測物體10輻射的四路不同光譜分 布的測量圖像信號。 最后，四路圖像信號傳輸至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)15，依據(jù)以下a) e)所述的原理實 現(xiàn)溫度場的計算反演。 a).通過分光棱鏡后，彩色CCD面陣傳感器14輸出的三路輻射信號及黑白CCD面 陣傳感器13輸出的一路輻射信號分別為[0027]
<formula>formula see original document page 6</formula> 上角標(biāo)(i， j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標(biāo)。V'W'J'、Ve"分別表示 彩色CCD面陣傳感器14在點(i，j)上的紅、綠、藍(lán)三路輻射強度輸出值，V^'J'表示黑白CCD 面陣傳感器13在點(i，j)上的一路輻射強度輸出值，V/'J、V,J、Vei'J、V^'J可分別根據(jù)四路 測量信號得到。①/'J'為彩色CCD面陣傳感器14測量的非光譜因子，①/'J'為黑白CCD面陣 傳感器13測量的非光譜因子；①/'J'、 。2" J'與成像距離、角度、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)以及棱鏡分光 系數(shù)等因素相關(guān)，①/'J'、①/'J'的相對大小關(guān)系，一般可以通過光路校正、調(diào)節(jié)使二者相等， 后文中均用①i'J'表示。SK(A)、Se(A)、SB(A)分別表示彩色CCD面陣傳感器14的紅、綠、 藍(lán)三個不同光譜響應(yīng)與光學(xué)鏡頭11 、分光棱鏡組12光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SIK (入) 為黑白CCD面陣傳感器13的光譜響應(yīng)與光學(xué)鏡頭11、分光棱鏡組12光譜響應(yīng)的綜合光譜 分布曲線，SK(入)、Sc(入)、SB(入)、S^入)均為已知量。T"表示待測物體在點(i， j)上的 溫度，為未知量。Ibj(Ti'J')為與待測物體相同溫度Ti'J'下的黑體光譜功率分布函數(shù)，其僅 與溫度T"J'相關(guān)。 b).以上方程組(1)中，e A (Ti'J')為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，具有連續(xù)輻射特 性的物體的光譜發(fā)射率在數(shù)學(xué)上通?？梢杂枚囗検胶瘮?shù)予以描述，然而在一個有限的波段 內(nèi)(例如400nm 900nm)，采用公式(2)的二階多項式函數(shù)表征光譜發(fā)射率具有很高的精 度。
e A (T") = a。+a丄 入+a2 入2 (2) 光譜發(fā)射率函數(shù)中共有三個待定系數(shù)(a。， ai， 32)，合并變量，方程組(1)中的 四個方程中共有(T"J'，① a。，① ai，① a2)四個未知量，因此溫度的數(shù)學(xué)求解是封閉
(W，^,^，W)e(^,^"。,0'"i,^^，從而能夠繼續(xù)實現(xiàn)基于4通道的多光譜輻射測溫。 實際上，黑體、灰體假設(shè)以及線性發(fā)射率模型，均是光譜發(fā)射率函數(shù)(2)的特例形 式，對于這些特例形式，利用四個通道測量量(V/'J'，V,J，Vei'J，V^'J)數(shù)學(xué)求解時，未知量的 數(shù)目小于方程組的數(shù)目，運用最小二乘法，可以使溫度的求解誤差更小。本實用新型中的光 譜發(fā)射率函數(shù)用二階多項式予以表述，但不局限于此，任何包含三個或小于三個待定參數(shù) 的光譜發(fā)射率函數(shù)，均可以通過本實用新型獲得的四路信號測量方程組(1)，計算求解逐點 溫度場T"J'。 基于上述原理，在求解過程中，可繼續(xù)如c) e)所述建立測溫數(shù)據(jù)庫，以滿足實 時溫度計算的需要。 c).將光譜發(fā)射率函數(shù)(2)代入方程組(l)，得到新的方程組(3):[0035]
^ = 0" "。L鵬s^H,"r卞義+①'、 ￡。鵬
十。"Vf二、W.".d"')"; (3)
d).定義公式中的12個積分量為PIK,。、 P脂、PIK,2、 PK,。、 Pu、 PK,2、 PG,。、 e
。、PB.,、 Pb.2，表述如下
&i =丄。
A"=丄(
K)O腦
!00 700腦
OO腦 700 m
咖"m ,700
100 ww
■^(^ A^r'JpA'n = R，G，B ; &WHw(",，n = R，G，B ; ^(^.^ /^(r")" ，n = R， G， B
乂現(xiàn)2 :
n = R， G， B
(4)
則將方程組(3)改寫為方程組(4)，
「4乂 =①'" "。
&，。 +①'、.~ +①""2 A
=①".Af0. y ,0 +①',、 A,i+0,J"2. A, e).從d)中可以看出，積分運算僅與溫度相關(guān)。因此，可以預(yù)先對于每個溫度求 解12個積分量并建立存儲溫度與12個積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫。在溫度計算時，可 省去積分運算的步驟，直接在測溫數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行溫度查詢，之后利用查詢得到的積分值和 四個已知量V,W'j'、V'j'、V^'j'對方程組(4)進(jìn)行迭代運算，從而反演得到溫度T"j'。 上述本實用新型實施例建立的基于雙CCD融合的四通道輻射溫度場測量技術(shù)，具 有以下優(yōu)點 (1)與現(xiàn)有技術(shù)中非成像的單點輻射測溫技術(shù)相比，將點測量擴展到了二維場測 量，獲得了更為豐富的高溫物體溫度信息；此外，二維場測量區(qū)域的對準(zhǔn)比點測量區(qū)域的對 準(zhǔn)容易，在測量使用時將更為方便。 (2)與現(xiàn)有技術(shù)中成像式溫度場測量方法和技術(shù)相比，在測量時利用了分光棱鏡 及彩色CCD分光的處理方式，同時獲取了四路不同波段響應(yīng)的輻射強度信號，采用了適用 性更強的多光譜測溫法，測量物體不僅僅局限于傳統(tǒng)的比色測溫法所適用的范圍，因而應(yīng) 用范圍更為廣泛，具有更大的通用性。
(3)采用了測溫數(shù)據(jù)庫，提高了溫度求解速度，可應(yīng)用于實時在線溫度計算。
(4)技術(shù)實現(xiàn)方案較為簡單，分光棱鏡的光學(xué)加工并不復(fù)雜，CCD面陣傳感器是非 常成熟的商業(yè)產(chǎn)品，因此集成系統(tǒng)的成本不高、性能穩(wěn)定等，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易 于推廣應(yīng)用。 以上為本實用新型的最佳實施方式，依據(jù)本實用新型公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本實用新型保護的范圍。
權(quán)利要求一種基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置，其特征在于，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、黑白CCD面陣傳感器、彩色CCD面陣傳感器及數(shù)據(jù)采集分析單元，所述光學(xué)鏡頭，用于光學(xué)成像，將待測物體的輻射聚焦在所述分光棱鏡組的入射面上；所述分光棱鏡組，將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射；所述黑白CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的近紅外波段輻射進(jìn)行成像，獲取待測物體的近紅外波段輻射信號；所述彩色CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的可見光波段輻射進(jìn)行成像，并分解轉(zhuǎn)換為待測物體的紅、綠、藍(lán)三路波段輻射信號；所述數(shù)據(jù)采集分析單元，同時采集所述近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍(lán)三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計算。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置，其特征在于，所述待測物 體為溫度范圍為1000K 3000K的具有連續(xù)輻射特性的高溫物體。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置，其特征在于，所述近 紅外波段為800nm 900nm，所述可見光波段為400nm 700nm。
專利摘要本實用新型涉及一種基于雙CCD的四通道溫度場測量裝置，包括光學(xué)鏡頭，用于將待測物體的輻射聚焦在分光棱鏡組的入射面上；分光棱鏡組，將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射；黑白CCD面陣傳感器，對近紅外波段輻射進(jìn)行成像，獲取近紅外波段輻射信號；彩色CCD面陣傳感器，對可見光波段輻射進(jìn)行成像，并分解轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍(lán)三路波段輻射信號；數(shù)據(jù)采集分析單元，同時采集近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍(lán)三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計算。本實用新型的技術(shù)方案可以實現(xiàn)溫度場測量，應(yīng)用范圍廣泛；且技術(shù)方案實現(xiàn)簡單，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01J5/60GK201464053SQ20092010801
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者余景文, 程曉舫, 符泰然, 龔瑋 申請人:清華大學(xué)