專利名稱：一種紅外雙波長非接觸式測溫裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于紅外測溫技術，具體涉及一種高精度的紅外雙波長非接觸式測溫 裝置，該裝置廣泛適用于對固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以及等離子態(tài)溫度的測量過程中。
背景技術：
眾所周知，紅外測溫裝置幾乎應用到現代工業(yè)社會中的每一個角落，已經取得了 巨大的成就。但是，在目前市場上紅外測溫裝置多為單波長紅外測溫裝置，測試結果與接收 到的輻射強度有關。由于實測對象是“灰體”，與“黑體”有很大差別，從而導致測量結果存 在一定誤差。此時必須對測量結果進行誤差修正，而在其中的“比輻射率修正”是主要考慮 的因素，但是在目前“比輻射率修正”仍是紅外測溫領域的一個尚未徹底解決的難題。在實際測量過程中的通常做法是，取一個固定值作為“比輻射率修正”，但這樣就 會造成很大的誤差。另外，由于現場測量條件復雜，諸如大氣、環(huán)境反射等，測量結果在很大 程度上受到環(huán)境波動影響，從而引起測量結果偏差。因此，市場上的紅外測溫儀品種單一， 或多或少地存在不同的誤差，并且沒有共同適用于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以及等離子態(tài)溫度測量 的儀器。隨著，工業(yè)生產的規(guī)模化、精細化，目前需要一種結構簡單、測量精度高的測溫裝 置，以及克服現有測溫裝置的“比輻射率修正”問題的裝置。
實用新型內容針對現有測溫裝置的不足，本實用新型技術發(fā)明人進行多次實驗及研究了提出了 全新的雙波長濾波紅外輻射測溫裝置，具體為一種高精度的紅外雙波長非接觸式測溫裝 置，該裝置廣泛適用于對固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以及等離子態(tài)溫度的測量過程中。依據本實用新型的紅外雙波長非接觸式測溫裝置，包括信號采集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、 信號放大電路和數據處理系統(tǒng)；其特征在于分光系統(tǒng)將經信號采集系統(tǒng)接收到光信號分成 兩束光，這兩束光分別由不同的窄帶濾波片進行濾波，然后經信號放大電路進行處理后，使 用數據采集和顯示系統(tǒng)中的光電接收器接收到的經信號放大電路進行處理后兩個信號，最 后利用數據處理系統(tǒng)根據光電接收器接收到的兩個信號的比值來測量溫度。優(yōu)選地，分光系統(tǒng)采用半透半反分束系統(tǒng)、或采用窄帶濾波片濾波系統(tǒng)、或采用楔 形棱鏡分光系統(tǒng)。優(yōu)選地，數據處理系統(tǒng)包括數據采集和顯示系統(tǒng)。該紅外雙波長非接觸式測溫裝置利用雙波長光路系統(tǒng)避開了傳統(tǒng)紅外領域的“比 輻射率修正”問題，解決了測量結果受空間吸收和環(huán)境因素波動而引起測量結果偏差的問 題，也就是擺脫了現有裝置無法徹底克服的“比輻射率修正”問題，同時提高了測量精度，同 時該發(fā)明裝置可以廣泛適用于對固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以及等離子態(tài)溫度的測量過程中，能夠實 現固、氣、液以及等離子態(tài)等多種物態(tài)溫度的高精度測量。附圖簡要說明
圖1為依據本實用新型的半透半反分束系統(tǒng)的示意圖。[0013]圖2為實現圖1的半透半反分束系統(tǒng)的機械結構立體圖。圖3是實現依據圖1中的半透半反分束系統(tǒng)的信號放大電路圖。圖4為依據本實用新型的窄帶濾波片濾波系統(tǒng)的示意圖。圖5為實現圖4的窄帶濾波片分束系統(tǒng)的機械結構立體圖。圖6是依據本實用新型的楔形棱鏡分光系統(tǒng)的示意圖。圖7為實現圖6的楔形棱鏡分光系統(tǒng)的機械結構立體圖。圖8為利用圖1、4、6中的分光系統(tǒng)構成的測試系統(tǒng)的整體結構示意圖。圖9 (a)和圖9(b)分別是依據本實用新型測試裝置的實物圖和相對應的結構示意 圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型提出的紅外雙波長非接觸式測溫裝置進行詳細描 述。為了適應工業(yè)現場測量條件相對復雜但條件固定的情況，本實用新型的測溫裝置 采用紅外雙波長濾波測量光路系統(tǒng)。該測溫裝置原理是根據被測對象(不同于“標準黑 體”)的熱輻射源光譜功率分布特性與它的溫度之間的關系來測溫，因此，雙波長信號比的 測量結果與儀器接收到的因環(huán)境及其波動而受到影響的熱輻射信號的強弱無關，從而保證 了測溫的精度。在實際測溫過程中的測溫對象不是“絕對黑體”，要得到其實際溫度有一個“比輻 射率”的問題，就是在絕對黑體輻射公式基礎上乘以相應的系數(小于1)。“比輻射率”定 義為一個物體的法向輻射率與同樣溫度的黑體的法向輻射率之比。物體的“比輻射率”一 般與測溫對象溫度和紅外輻射波長有關系，所以對于不同測溫對象有一個“比輻射率”修正 的問題。以往紅外測溫儀多采用給“比輻射率” 一個固定的值，然而“比輻射率”是在一定 范圍內變化的值，所以這就造成了傳統(tǒng)測溫儀的“比輻射率”修正困難這一難題，從而使傳 統(tǒng)紅外測溫儀有較大的測量誤差。本測溫裝置利用根據實驗數據找出已知輻射物體的熱輻射功率與溫度間的實際 函數關系，總結出該物體的實際熱輻射規(guī)律；然后再利用此關系去測相同物體在相同環(huán)境 下的輻射溫度；即按照對照關系進行測定物體的紅外溫度。不需要“比輻射率”修正，解決 了紅外測溫長期不能提高精(確)度的問題，從而具備了比傳統(tǒng)紅外測溫儀好的優(yōu)于的 高測量精度。圖1為依據本實用新型的半透半反分束系統(tǒng)的示意圖；它采用了半透半反分束方法。在圖1中，附圖標記101表示可調焦成像透鏡，102表示準直透鏡，103表示半透半反透鏡，104表示窄帶率波片λ 1，105表示窄帶率波片λ 2，106表示光電池。其中數據處理 裝置采用計算機數據采集和溫度顯示或單片機及數顯直讀輸出。圖2為實現圖1的半透半反分束系統(tǒng)的機械結構立體圖。該測溫裝置利用半透半 反鏡實現分光雙波長濾波。該測溫裝置主要包括光路分光光電轉換、信號放大、數據采集 處理顯示系統(tǒng)三部分。在圖2中，附圖標記201表示可調焦成像透鏡，202表示準直透鏡， 203表示半透半反透鏡，204表示窄帶率波片1^205表示窄帶率波片λ 2，206表示光電池，207表示信號放大器，208表示計算機。其中準直透鏡202、半透半反透鏡203、窄帶率波片 入口04、窄帶率波片λ 2205、光電池206分別對應于圖1中的準直透鏡102、半透半反透鏡 103、窄帶率波片A1IOL窄帶率波片入2105、光電池106。圖3是實現依據圖1中的半透半反分束系統(tǒng)的信號放大電路圖。圖4為依據本實用新型的窄帶濾波片濾波系統(tǒng)的示意圖；在圖4中，附圖標記401 表示可調焦成像透鏡，402表示準直透鏡，403表示窄帶率波片X1JCM表示光電池。其中 數據處理裝置采用計算機數據采集和溫度顯示或單片機及數顯直讀輸出。圖5為實現圖4的窄帶濾波片分束系統(tǒng)的機械結構立體圖。利用光束斜入射窄帶 濾波片與垂直入射時所濾波長的微小差別，實現分束和濾波。其中分為光路主要包括分光 光電轉換、信號放大、數據采集處理顯示系統(tǒng)三部分。附圖標記501表示可調焦成像透鏡， 502表示準直透鏡，503表示窄帶率波片λ ^504表示光電池，505表示信號放大電路。圖6是依據本實用新型第三實施例的楔形棱鏡分光系統(tǒng)法的示意理圖。在圖6中， 附圖標記601表示可調焦成像透鏡，602表示準直透鏡，603表示窄帶率波片λ 1 604表示 窄帶率波片λ2，605表示光電池，606表示楔形反射棱鏡。其中數據處理裝置采用計算機數 據采集和溫度顯示或單片機及數顯直讀輸出。圖7為實現圖6的楔形棱鏡分光系統(tǒng)的機械結構立體圖，該測溫裝置利用一個能 微調的楔形棱鏡將入射信號光束分成兩路，實現雙波長濾波，該測溫裝置系統(tǒng)包括光路分 光光電轉換、信號放大、數據采集處理顯示系統(tǒng)三部分。其中附圖標記701表示可調焦成像 透鏡，702表示準直透鏡，703表示窄帶率波片X1JCM表示窄帶率波片λ 2，705表示光電 池，706表示楔形反射棱鏡，707表示信號放大電路。本實用新型解決的技術問題所采用的三種技術方案是其一，將從成像鏡頭中采 集到的信號(或準直后)，利用半透半反片分成兩束，然后，分別在兩束光路中加入不同波 長的窄帶濾波片濾波，在兩個濾波片后利用光電池進行信號檢測。其二，將從成像鏡頭中采 集到的信號(或準直后)，利用一個窄帶濾波片分成反射和透射兩束，然后，在反射光路中 加入相同波長的窄帶濾波片濾波；在濾波片后利用光電池進行信號檢測。由于窄帶濾波片 傾斜放置時，透射波長與垂直透射時的濾波波長有偏移，從而利用兩個相同濾波帶的濾波 片實現了雙波長濾波的目的。其三，將從成像鏡頭中采集到的信號(或準直后)，被楔形反 射棱鏡分成兩束，然后，分別在兩束光路中加入不同波長的窄帶濾波片濾波，在兩個濾波片 后利用光電池進行信號檢測，楔形反射棱鏡便于微移，以達到調節(jié)兩束光的分束光能比的 目的。上述三種技術方案都最終得到電壓V1和電壓V2,最后通過兩個電壓的比值就可以 得到此信號對應的物體的溫度。當溫度一定時，由于空間吸收和環(huán)境波動而造成輻射信號 被吸收而減弱的時候，但信號被分束的兩路濾波波長相差很小(大約幾十納米)，被分束的 兩路輻射信號當屬等比吸收，這樣就保證了兩路輸出電壓的比值不變，故測量結果不受空 間吸收和環(huán)境波動的影響。圖8為利用圖1、4、6中的分光系統(tǒng)構成的測試系統(tǒng)的整體結構示意圖。在圖8所 示意的測試系統(tǒng)中可以分別采用圖1、4、6中的分光系統(tǒng)。在采用上述實施例中的測溫裝置中，可以對于實際測量系統(tǒng)固定瞄準，在實際工 作條件下用標準溫度計(例如鉬電阻溫度計)現場校準，從而就不需進行“比輻射率”修正，進而解決了紅外測溫領域中長期沒能解決的“比輻射率”修正的難題。圖9 (a)和圖9(b)分別是依據本實用新型的測試裝置的實物圖和相對應的結構示 意圖。在圖9中，附圖標記901表示可調焦成像透鏡，902表示準直透鏡，903表示半透半反 鏡，904表示窄帶率波片A1,905表示窄帶率波片λ 2，906表示光電池，907表示信號放大電 路，908表示密封盒。另外，盡管結合附圖已經清楚詳細地描述了本實用新型提出的技術方案，但是參 考本實用新型的優(yōu)選實施例，本領域普通的技術人員可以理解，在不背離所附權利要求定 義的本實用新型的精神和范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)中做出各種各樣的修改。因此， 所有參考本實用新型技術方案所做出的各種各樣的修改，均應當落入本實用新型的保護范 圍之內。
權利要求一種紅外雙波長非接觸式測溫裝置，包括信號采集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、信號放大電路和數據處理系統(tǒng)；其特征在于分光系統(tǒng)將經信號采集系統(tǒng)接收到光信號分成兩束光，這兩束光分別由不同的窄帶濾波片進行濾波，然后經信號放大電路進行處理后，使用數據采集和顯示系統(tǒng)中的光電接收器接收到的經信號放大電路進行處理后兩個信號，最后利用數據處理系統(tǒng)根據光電接收器接收到的兩個信號的比值來測量溫度。
2.依據權利要求1的紅外雙波長非接觸式測溫裝置，其特征在于分光系統(tǒng)采用半透半 反分束系統(tǒng)。
3.依據權利要求1的紅外雙波長非接觸式測溫裝置，其特征在于分光系統(tǒng)采用窄帶濾 波片濾波系統(tǒng)。
4.依據權利要求1的紅外雙波長非接觸式測溫裝置，其特征在于分光系統(tǒng)采用楔形棱 鏡分光系統(tǒng)。
5.依據權利要求2-4中之一的紅外雙波長非接觸式測溫裝置，其特征在于數據處理系 統(tǒng)包括數據采集和顯示系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型提供一種能去除空間吸收和環(huán)境因素波動影響的高精度一種紅外雙波長非接觸式測溫裝置，它包括信號采集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、信號放大電路和數據處理系統(tǒng)。其中分光系統(tǒng)將接收到的信號利用傾斜放置的分束器分成兩束，或者利用楔形分束棱鏡將光束分成兩束，一束通過λ1窄帶濾波片，另一束通過λ2窄帶濾波片；或者利用傾斜放置的窄帶濾波片分束和反射光路上一個相同波長的窄帶濾波片進行濾波，因而只需同一種的兩個窄帶濾波片，實現了雙波長濾波；然后利用光電探測器接收到的兩個信號的比值來測量溫度，并固定瞄準測量系統(tǒng)，用高精度溫度計對實用現場進行校準，這樣就無需“比輻射率”修正，而實現了高精度測量。
文檔編號G01J5/08GK201561803SQ20092014537
公開日2010年8月25日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權日2009年3月20日
發(fā)明者孫偉, 曹柏林, 楊智換, 王子嬋, 譚成章, 鄭智俊, 陸文強, 陳玉立 申請人:陸文強