專利名稱：紅外成像測溫式能流密度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及利用紅外成像測溫原理的能流密度分布測量裝 置，具體地說是一種紅外成像測溫式的太陽能聚光光斑能流分布測量裝置。
背景技術(shù)：
塔式太陽能熱發(fā)電站是一種已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行的大規(guī)模太陽能利用技術(shù)。塔式太陽 能熱發(fā)電系統(tǒng)由聚光鏡場、塔、吸熱器、傳熱工質(zhì)、儲(chǔ)熱裝置和熱-電轉(zhuǎn)換裝置組成。聚光鏡 場由大量定日鏡布置而成，每個(gè)定日鏡通過繞雙軸旋轉(zhuǎn)將陽光會(huì)聚到塔頂吸熱器上，由吸 熱器吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為傳熱媒質(zhì)的熱能，通過泵浦系統(tǒng)將傳熱工質(zhì)傳送到地面，再 通過換熱及發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。聚光鏡場的聚光光斑能量分布對(duì)太陽光熱能的利用有著至 關(guān)重要的影響，為了電站穩(wěn)定高效的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要光斑能流分布均勻，因此必須對(duì)能流分 布進(jìn)行測量。由于光斑區(qū)域溫度高，常規(guī)探測器無法安全工作，且位置在高空，安置和回收 儀器不便，目前尚無合適的測量儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)塔式太陽能電站的聚光光斑區(qū)域溫度高，并且位于高空不便測量的特 點(diǎn)，提供了一種紅外成像測溫式太陽能聚光光斑能流分布測量裝置。本發(fā)明是一種便于使 用、可測量各種溫度范圍的光斑能流分布的能流密度測量裝置，解決了鏡場光斑能流密度 測量問題，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)能流相對(duì)分布和絕對(duì)分布測量兩種功能，可適用于常溫至1500°C 的各種聚光光斑能流密度檢測。本發(fā)明基于紅外成像測溫原理，采用紅外鏡頭、紅外焦平面圖像探測器、耐高溫聚 光光斑接收屏、圖像分析處理軟件組成的紅外成像測溫裝置，通過對(duì)特制的太陽光斑接收 屏成像并進(jìn)行紅外成像測溫分析，測量光斑能流分布。紅外成像測溫式能流密度分布測量裝置的技術(shù)方案包括耐高溫聚光光斑接收屏 1、紅外成像系統(tǒng)2，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3 ；各系統(tǒng)的連接關(guān)系耐高溫聚光光斑接收屏(1)用于接收聚光光斑，紅外成像系 統(tǒng)2對(duì)耐高溫聚光光斑接收屏1進(jìn)行成像，紅外成像系統(tǒng)2獲取的視頻圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線輸送 到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3計(jì)算出被測聚光光斑的能流密度分布數(shù)據(jù)。所述耐高溫聚光光斑接收屏1，采用耐高溫材料制作，接收屏尺寸可以通過拼接和 拆卸靈活調(diào)整，單元間采用絕熱材料分隔，單元尺寸根據(jù)紅外成像系統(tǒng)最小可分辨的物方 面元尺寸而定，接收屏背面采用絕熱材料做背板；所述紅外成像系統(tǒng)2包括紅外成像鏡頭和紅外焦平面圖像探測器，所述紅外焦平 面圖像探測器可以是制冷型長波紅外焦平面圖像探測器、制冷型中波紅外焦平面圖像探測 器、非制冷型長波紅外焦平面圖像探測器、非制冷型中波紅外焦平面圖像探測器中的任何 一種；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3，基于計(jì)算機(jī)的或基于嵌入式的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，首先選擇紅外
3焦平面圖像探測器，根據(jù)探測器參數(shù)及被測光斑大小，選擇鏡頭參數(shù)和接收屏尺寸及接收 屏基本單元尺寸，利用紅外成像測溫原理進(jìn)行軟件編程，設(shè)計(jì)紅外視頻圖像處理軟件，進(jìn)行 聚光光斑能流分析。紅外鏡頭和紅外焦平面圖像探測器一起構(gòu)成紅外成像系統(tǒng)2，特制的耐高溫聚光 光斑接收屏1(以下簡稱“接收屏”)安置于塔式電站吸熱器腔口，紅外成像系統(tǒng)和接收屏的 光譜特性是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)定的，通過對(duì)光斑照射下的接收屏的紅外圖像進(jìn)行分析求解出 接收屏上的能流分布。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的接收屏為熱學(xué)特性一致的矩形小片耐高溫導(dǎo)熱材料單元拼接而 成，各單元間采用耐高溫絕熱材料分隔，接收屏的整體口徑D根據(jù)被測光斑大小來確定，但 要大于被測光斑口徑，根據(jù)被測光斑面積不同，接收屏的大小可以通過增減單元數(shù)來調(diào)整。測量裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法如下耐高溫聚光光斑接收屏的面積要大于被測聚光光斑面積，以保證能接受全部被測 聚光光斑，若被測聚光光斑最大外接圓直徑為dfa。ula，耐高溫聚光光斑接收屏的內(nèi)接圓直徑 dscreen應(yīng)滿足ds。_n > dfa。ula，因此最終確定的聚光光斑接收屏口徑D應(yīng)滿足D > dscreen。測 量距離由實(shí)際現(xiàn)場情況而定，與本發(fā)明無關(guān)，但影響到本裝置的參數(shù)選取，假設(shè)距離為d， 則由聚光光斑接收屏口徑D和d共同決定了測量裝置中紅外成像系統(tǒng)視的場角ω應(yīng)滿足
ω>^,ω的單位以弧度計(jì)算。紅外焦平面探測器的探測面一般為矩形，短邊尺寸1，紅外 a
鏡頭焦距f應(yīng)滿足公式j(luò) ^ ，以上結(jié)構(gòu)參數(shù)將保證可攝取全部接收屏的圖像。假設(shè)選擇的
紅外焦平面探測器像元為尺寸PxXPy的矩形，根據(jù)已經(jīng)確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)f和測量距離d，可 P d Pv-d
以由公式<」^和Α, <力一確定耐高溫聚光光斑接收屏的單元尺寸Psx，和Psy。接收屏上各單元吸收光熱能后溫度會(huì)升高，以紅外成像系統(tǒng)在很短的時(shí)間間隔 At前后分別拍攝兩幅，亦可提取紅外視頻圖像中間隔At的兩幀圖像。通過紅外成像探測 器獲取的紅外圖像的灰度與目標(biāo)溫度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可以通過紅外成像進(jìn)行測溫。根據(jù)紅外測溫原理，像點(diǎn)灰度Vs與目標(biāo)溫度之間關(guān)系為Vs = Κ{ τ3[ ε f (T0) + (1-ε ) f (Tu) ] + (1-τ a) f (Ta)}其中K為紅外光學(xué)系統(tǒng)常數(shù)，τ 3為大氣透過率，ε為被測物表面發(fā)射率，Τ。為被 測物體表面溫度，Tu為環(huán)境溫度，Ta為大氣溫度，f (T)表示T溫度下物體輻射出的能量。根據(jù)普朗克定律及系統(tǒng)參數(shù)，/(Γ) = f ^-[expfe-l]"1^，
jlI πλ λΤC1, C2分別為普朗克第一常數(shù)和第二常數(shù)、Ra為系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)。根據(jù)以上Vs和f (T)的表達(dá)式，其中未知數(shù)僅為被測物溫度，可以解得被測物體紅 外圖像上各點(diǎn)溫度值。通過以上紅外成像測溫方法，我們可測得接收屏上各點(diǎn)間隔At時(shí) 間的兩個(gè)溫度分布圖，兩個(gè)溫度分布逐點(diǎn)做差，可得到At時(shí)間內(nèi)的接收屏上溫度變化圖 Δ T (X，y)，X，y代表屏上位置。而接收屏的比熱容和單位面積的質(zhì)量均為已知的系統(tǒng)參數(shù)， 根據(jù)AQ = C· Am· ΔΤ，其中Δ Q是吸收的熱量，C為材料比熱容，Am為材料質(zhì)量，可以 計(jì)算出屏上各點(diǎn)在At時(shí)間間隔內(nèi)獲得的AQ，即各點(diǎn)吸收的的熱量，根據(jù)屏的吸收率α，
4可以計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)接收到的光熱能= ^。根據(jù)已經(jīng)獲得的At時(shí)間內(nèi)的溫度變化圖
a
AT(x，y)、AQ和ΔΕ，可得到Δ t時(shí)間內(nèi)接收屏上光熱能分布E(x，y)，結(jié)合紅外探測器各
像元對(duì)應(yīng)的接收屏面積Δ Μ,最終計(jì)算出聚光光斑光場內(nèi)的能流密度=。
AM -At本系統(tǒng)中，各系統(tǒng)參數(shù)K、ε、RA、C、Δπι、α、Δ t均在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確標(biāo)定，大氣 透過率τ a可通過《紅外輻射在大氣中的透過率手冊》等工具書籍獲取并將常用數(shù)據(jù)存入計(jì) 算數(shù)據(jù)庫，環(huán)境溫度Tu和大氣溫度Ta采用現(xiàn)場實(shí)時(shí)自動(dòng)測量獲取，并且由于被測現(xiàn)場為室 外開闊場地環(huán)境溫度等于大氣溫，即Tu = Ta，僅需采用溫度傳感器測量當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)氣溫即可， 系統(tǒng)測量誤差小于5%。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是1、可對(duì)高溫光場內(nèi)能量分布進(jìn)行非接觸式測量，僅耐高溫光斑接收屏置于被測高 溫光場內(nèi)，高溫光場內(nèi)無易損元件，能確保儀器及操作人員安全。2、利用紅外成像測溫技術(shù)，測量快速、精度高；接收屏尺寸可以通過拼接和拆卸靈 活調(diào)整，以適應(yīng)不同大小的光斑尺寸。3、最大的優(yōu)點(diǎn)是在所設(shè)計(jì)的儀器系統(tǒng)可以精確測得聚光光斑范圍內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì) 和絕對(duì)能流密度，測量范圍內(nèi)無盲點(diǎn)，且不受被測光斑光場溫度限制，可應(yīng)用于各種太陽能 聚光光斑的分析需求?？朔爽F(xiàn)有光斑能流密度測量設(shè)備測量存在盲區(qū)、對(duì)分布變化劇烈 的能流測量無效且傳感器不耐高溫等缺陷。


圖1為紅外成像測溫式能流密度測量裝置的示意圖。圖中，1為耐高溫聚光光斑接 收屏，2為紅外成像系統(tǒng)，3為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。圖具體實(shí)施方式
實(shí)例的紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中4為透鏡①，5為透鏡②，6為 紅外成像探測器的保護(hù)窗口，7為紅外成像探測器探測面，8為0°視場光線，9為3°視場光 線，10為4. 5°視場光線。圖具體實(shí)施方式
實(shí)例的耐高溫光斑接收屏結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施方式
實(shí)例的軟件功能框圖，其中11為視頻采集模塊，12為視頻存儲(chǔ) 模塊，13為視頻預(yù)處理模塊，14為紅外測溫主運(yùn)算模塊，15為紅外測溫參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊，16 為光斑溫度場分布模塊，17為系統(tǒng)參數(shù)模塊，18為光斑的能流密度場輸出模塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的工作過程做進(jìn)一步說明。在本實(shí)例中首先選擇核心器件非制冷長波紅外成像探測器，分辨率320 X 240像 元，探測器面陣大小12. 16mmX9. 12mm，工作波段8-12 μ m。設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)，視場角9°、焦距90mm、相對(duì)孔徑1 1，結(jié)構(gòu)圖如附圖2所示， 光學(xué)材料為鍺。根據(jù)發(fā)明內(nèi)容所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系計(jì)算，該光學(xué)系統(tǒng)可測量115m處的邊長 11.5mX15. 4m的矩形接收屏，接收屏設(shè)計(jì)成由50mmX50mm正方形耐高溫陶瓷單元拼接而
5成，接收屏背面為絕熱材料，且單元間由絕熱材料分隔，測量時(shí)接收屏懸掛于光斑位置。接 收屏結(jié)構(gòu)如附圖3所示。非制冷長波紅外成像探測器輸出視頻圖像經(jīng)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，通過為能流密度 測量編寫的專用圖像分析軟件進(jìn)行視頻圖像分析。獲取視頻流中任意At時(shí)間兩幀圖像的 溫度場分布，用于計(jì)算光斑能流密度，這里At取為圖像幀周期的整數(shù)倍，便于計(jì)算且利用 了視頻周期計(jì)時(shí)，相比于外置時(shí)鐘設(shè)備更加準(zhǔn)確。通過按照發(fā)明內(nèi)容所述理論公式及系統(tǒng) 標(biāo)定參數(shù)計(jì)算獲得兩幀圖像間的能流分布數(shù)據(jù)圖表，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測量亦可存儲(chǔ) 視頻供脫機(jī)分析數(shù)據(jù)。軟件功能框圖如附圖4所示。測量裝置采集模塊11采集視頻數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)有兩 種處理，如果希望采集數(shù)據(jù)供離線分析數(shù)據(jù)，可啟動(dòng)視頻存儲(chǔ)模塊12，保存采集到的原始紅 外視頻數(shù)據(jù)和當(dāng)前測量參數(shù)，如果進(jìn)行實(shí)時(shí)測量則啟動(dòng)視頻預(yù)處理模塊13對(duì)采集的視頻 流進(jìn)行預(yù)處理，如果是離線分析以往保存的數(shù)據(jù)則將視頻存儲(chǔ)模塊11保存過的文件直接 讀入視頻預(yù)處理模塊13進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過與處理的視頻數(shù)據(jù)輸入到紅外測溫主運(yùn)算模塊 14結(jié)合紅外測溫參數(shù)數(shù)據(jù)庫15計(jì)算出光斑溫度場分布16，再結(jié)合測量裝置的系統(tǒng)參數(shù)17 進(jìn)行能流密度計(jì)算，最終由光斑能流密度場輸出模塊18輸出被測量光斑的能留密度的測 量結(jié)果。
權(quán)利要求
紅外成像測溫式能流密度測量裝置，其特征在于該裝置包括耐高溫聚光光斑接收屏(1)、紅外成像系統(tǒng)(2)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)；各系統(tǒng)的連接關(guān)系耐高溫聚光光斑接收屏(1)用于接收聚光光斑，紅外成像系統(tǒng)(2)用紅外成像鏡頭對(duì)耐高溫聚光光斑接收屏(1)進(jìn)行成像，紅外成像系統(tǒng)(2)獲取的視頻圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線輸送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)計(jì)算出被測聚光光斑的能流密度分布數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像測溫式能流密度測量裝置，其特征在于所述耐高溫聚光光斑接收屏(1)，采用耐高溫材料制作，耐高溫聚光光斑接收屏(1)的 尺寸可以通過拼接和拆卸靈活調(diào)整，接收屏的整體口徑根據(jù)被測光斑大小來確定，而且要 大于被測光斑口徑，單元間采用絕熱材料分隔，單元尺寸根據(jù)紅外成像系統(tǒng)最小可分辨的 物方面元尺寸而定，接收屏背面采用絕熱材料做背板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像測溫式能流密度測量裝置，其特征在于所述紅外成像系統(tǒng)(2)包括紅外成像鏡頭和紅外焦平面圖像探測器，所述紅外焦平 面圖像探測器可以是制冷型長波紅外焦平面圖像探測器、制冷型中波紅外焦平面圖像探測 器、非制冷型長波紅外焦平面圖像探測器、非制冷型中波紅外焦平面圖像探測器中的任何 一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外成像測溫式能流密度測量裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)，基于計(jì)算機(jī)的或基于嵌入式的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，首先選擇紅外焦 平面圖像探測器，根據(jù)探測器參數(shù)及被測光斑大小，選擇鏡頭參數(shù)和接收屏尺寸及接收屏 基本單元尺寸，利用紅外成像測溫原理進(jìn)行軟件編程，設(shè)計(jì)紅外視頻圖像處理軟件，進(jìn)行聚 光光斑能流分析；測量裝置采集模塊(11)采集視頻數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)有兩種處理，如果希望采集數(shù)據(jù)供離 線分析數(shù)據(jù)，可啟動(dòng)視頻存儲(chǔ)模塊(12)，保存采集到的原始紅外視頻數(shù)據(jù)和當(dāng)前測量參數(shù)； 如果進(jìn)行實(shí)時(shí)測量則啟動(dòng)視頻預(yù)處理模塊(13)對(duì)采集的視頻流進(jìn)行預(yù)處理，如果是離線 分析以往保存的數(shù)據(jù)則將視頻存儲(chǔ)模塊(11)保存過的文件直接讀入視頻預(yù)處理模塊(13) 進(jìn)行預(yù)處理；經(jīng)過預(yù)處理的視頻數(shù)據(jù)輸入到紅外測溫主運(yùn)算模塊(14)結(jié)合紅外測溫參數(shù) 數(shù)據(jù)庫(15)計(jì)算出光斑溫度場分布(16)，再結(jié)合測量裝置的系統(tǒng)參數(shù)(17)進(jìn)行能流密度 計(jì)算，最終由光斑能流密度場輸出模塊(18)輸出被測量光斑的能留密度的測量結(jié)果。
全文摘要
紅外成像測溫式能流密度測量裝置。屬于光電技術(shù)領(lǐng)域中紅外測試設(shè)備。該裝置由耐高溫聚光光斑接收屏1、紅外成像系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3組成。光斑接收屏1安置在光斑位置，紅外成像系統(tǒng)2和接收屏的光譜特性是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)定的，接收屏的熱學(xué)特性亦在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行提前標(biāo)定，所有標(biāo)定數(shù)據(jù)已存入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3的軟件數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3可測量聚光光斑的溫度分布并計(jì)算能流密度分布?？蓪?shí)時(shí)測量高溫聚光光斑能流密度分布或離線測量某次試驗(yàn)的聚光光斑能流密度分布。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是確保儀器及操作人員安全；測量速度快、精度高；接收屏尺寸可以靈活調(diào)整，光斑能流密度測量范圍無盲區(qū)。
文檔編號(hào)G01J5/00GK101936771SQ20101024176
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者盧振武, 許文斌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所