本發(fā)明涉及紅外測溫領(lǐng)域，尤其涉及一種鏡面紅外測溫裝置及測溫方法。

背景技術(shù)：

溫度是影響光學(xué)成像設(shè)備像質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，對像質(zhì)的影響主要包括：鏡面與空氣的溫差起伏會在鏡面附近空氣中形成一層湍流，產(chǎn)生鏡面視寧度（mirror seeing）；光學(xué)元件溫度變化引起的熱變形和折射率變化，使反射或透射后的波面偏離了理想波面，產(chǎn)生熱致像差；溫度引起的光學(xué)元件其它性能參數(shù)的變化。研究并消除溫度對光學(xué)成像設(shè)備的影響，光學(xué)鏡面的溫度精確測量是不可缺失的一環(huán)。目前光學(xué)鏡面溫度測量法有接觸測溫和間接測溫兩種，但都有一定的局限性：接觸測溫通過在鏡面布置測溫探頭獲取溫度，實際熱環(huán)境中，鏡面溫度分布比較復(fù)雜，必須有足夠多的測溫點數(shù)才能反映溫度分布。由于光學(xué)鏡面膜層和面形精度的超高要求，不能在鏡面黏貼很多測溫探頭。間接測溫是基于鏡面背部接觸測溫，通過數(shù)值計算間接反映鏡面溫度。鏡體的熱環(huán)境參數(shù)難以實測，包括鏡體與支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜熱傳導(dǎo)、復(fù)雜多變的對流和輻射換熱等，導(dǎo)致計算出的鏡面溫度不準(zhǔn)確。

非接觸測溫不會影響鏡面膜層和面形，與接觸測溫相比有明顯的優(yōu)勢。非接觸測溫技術(shù)種類繁多，主要包括適用于高溫物體的近紅外測溫、比色測溫、亮度測溫和多光譜輻射測溫等、基于形變測量的激光干涉測溫和全息干涉測溫技術(shù)等。光學(xué)鏡面的工作運行狀態(tài)溫度多處于常溫范圍，適合常溫物體的非接觸測溫儀器為中、長波紅外測溫設(shè)備。光學(xué)鏡面鍍有各種用于提高反射或透射能力的膜層，表面紅外波段反射率很高且熱發(fā)射率很小，周邊環(huán)境在鏡面有強烈的反射輻射，嚴(yán)重干擾了測溫精度。目前紅外測溫技術(shù)可對漫發(fā)射體（朗伯體）進(jìn)行精準(zhǔn)測溫，對光學(xué)鏡面等高反射率表面的紅外測溫被認(rèn)為是不準(zhǔn)確的。傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備和測溫方法難以精準(zhǔn)測量鏡面溫度的原因主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1）鏡面自身熱輻射遠(yuǎn)小于其反射的環(huán)境輻射。鏡面紅外波段的熱發(fā)射率極低、反射率超高，部分鍍金膜的鏡面反射率可達(dá)95%以上，熱發(fā)射率小于0.05。常溫鏡面自身熱輻射小于周邊環(huán)境甚至大氣下行輻射在鏡面的反射。傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備進(jìn)行鏡面測溫時，紅外探測器接受的紅外輻射主要是反射的環(huán)境輻射而非鏡面自身熱輻射。

2）光學(xué)鏡面熱發(fā)射率低，常溫鏡面的自身熱輻射弱，部分超高反射鏡面的自身熱輻射小于傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備標(biāo)定的輻射測量下限。

3）傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備，只能收集與鏡面法線成小夾角的鏡面自身熱輻射，多數(shù)鏡面的與法線呈小夾角的定向熱發(fā)射率較小，小于其大夾角定向熱發(fā)射率。紅外測溫儀收集的鏡面熱輻射只占鏡面總熱輻射的一小部分。

由于鏡面紅外波段的熱發(fā)射率極低、反射率超高，傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備對其的紅外測溫被是不準(zhǔn)確的。為了實現(xiàn)鏡面、金屬表面的紅外測溫，諸多科學(xué)技術(shù)人員做了各種研究，概括如下：

（1）物體表面的反射率與溫度、入射角度有關(guān)，科研人員包括Chayan Mitra，Norman Turnquist、Ayan Banerjee等人深入研究了測物體表面反射率獲取溫度的方法。反射率測量采用了直接測量入射/反射輻射強度、調(diào)制解調(diào)測和測量偏振分量計算反射率等方法。反射率測溫法目前可用于高溫金屬表面測溫，常溫金屬表面測量效果較差，不適合常溫光學(xué)鏡面測溫。

（2）美國阿貢國家實驗室材料科學(xué)部的W. A. Ellingson和弗羅里達(dá)大學(xué)的C. K. Hsieh提出了多波段紅外成像測溫的設(shè)計，多波段紅外測溫裝置可應(yīng)用于高溫金屬表面測溫，但不適合具有超高反射率的常溫鏡面測溫。

（3）德國國家計量院（PTB）的C.Monte、B.Gutschwager、J.Hollandt與全俄光學(xué)物理研究院（VNIIOFI）的S.P.Morozova聯(lián)合設(shè)計了一種具備高精度紅外測溫和發(fā)射率測量的設(shè)備，代表著目前紅外測溫的前沿水平。為了消除周邊環(huán)境的反射輻射干擾，設(shè)備關(guān)鍵部分和光路都進(jìn)行了液氮冷卻，光路和腔室處于真空環(huán)境。該設(shè)備可以對放置于其測量腔室內(nèi)的光學(xué)鏡面進(jìn)行測溫，不能測量運行狀態(tài)下的鏡面溫度。

（4）中國計量科學(xué)研究院研制的真空紅外溫度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（VRTSF），于2015年研制成功。設(shè)備內(nèi)部采用液氮制冷和真空設(shè)計，內(nèi)置有傅里葉紅光光譜儀（BrukerVERTEX80V）。VRTSF代表著國內(nèi)紅外輻射測量的前沿水平，但只能測量放置于其測量腔內(nèi)的鏡面溫度，不滿足運行狀態(tài)下的鏡面測溫要求。

光學(xué)鏡面等低熱發(fā)射率、紅外波段高反射率物體表面一直被視為紅外測溫領(lǐng)域中的盲區(qū)，目前公開文獻(xiàn)上尚未發(fā)現(xiàn)對運行狀態(tài)下常溫范圍的光學(xué)鏡面精準(zhǔn)測量溫度的研究報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有紅外測溫技術(shù)在光學(xué)鏡面測溫中的不足，提供了一種測量精度高的鏡面紅外測溫裝置；基于該測溫裝置，本發(fā)明還提供了一種鏡面紅外測溫方法。

為了解決傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備測量鏡面溫度時的不足，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種鏡面紅外測溫裝置，包括探測模塊、球面凹面鏡罩和用于連接探測模塊及球面凹面鏡罩的連接體；所述球面凹面鏡罩的內(nèi)表面為球面，其頂點區(qū)域背面設(shè)置與連接體固定連接的圓形座；所述連接體的中心具有與探測模塊的探頭形狀相應(yīng)的通孔，探測模塊的探頭伸入連接體的通孔內(nèi)；所述圓形座中心設(shè)置與探頭形狀相應(yīng)的貫通孔，且該貫通孔延伸至球面凹面鏡罩內(nèi)表面，于球面凹面鏡罩形成開口。

優(yōu)選的是，所述探頭的光線入射端與球面凹面鏡罩內(nèi)表面處的開口平齊。

優(yōu)選的是，所述連接體包括與探測模塊固定連接的連接板，位于連接板一側(cè)、與連接板一體且軸線與連接板上通孔軸線重合的連接座。

優(yōu)選的是，所述探測模塊為制冷型紅外熱像儀的探測模塊。

優(yōu)選的是，所述球面凹面鏡罩材質(zhì)為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材質(zhì)，球面凹面鏡罩內(nèi)表面鍍有金膜。

優(yōu)選的是，所述球面凹面鏡罩的外側(cè)表面設(shè)有基于半導(dǎo)體控溫技術(shù)的控溫層。

優(yōu)選的是，所述球面凹面鏡罩的開口位于鏡罩頂點和焦點的中心處。

優(yōu)選的是，所述圓形座和連接體采用膠粘連接、卡接或螺接。

一種鏡面紅外測溫的方法，采用如上所述的測量裝置進(jìn)行鏡面溫度測量；具體包括以下步驟：

步驟1，測量裝置的樣鏡定標(biāo)

圓柱體樣鏡的上表面與待測溫的光學(xué)鏡面鍍有一樣的膜層，樣鏡的厚度小于直徑的1/50，鏡肧材質(zhì)為高導(dǎo)熱率金屬；樣鏡柱側(cè)面和底面設(shè)有高精準(zhǔn)的溫度控制裝置，用于控制樣鏡溫度。溫度控制裝置具有合理的控溫范圍，控溫范圍覆蓋待測光學(xué)鏡面的溫度變化范圍；

樣鏡定標(biāo)前，測量裝置的球面凹面鏡罩和連接體的溫度控制層的控溫值為T_s，T_s可以自由設(shè)置，為了便于控溫，T_s可設(shè)置為待測光學(xué)鏡面的工作環(huán)境溫度均值；測量裝置的球面凹面鏡罩和樣鏡鏡面之間距離設(shè)為恒定間距H_s，在保證無觸碰鏡面風(fēng)險的前提下，H_s應(yīng)盡可能小，例如小于鏡罩開口面直徑的1/50；

樣鏡定標(biāo)時，以固定的溫度變化量?T調(diào)節(jié)樣鏡控溫值并記錄探測裝置對應(yīng)的定標(biāo)測量值；探測裝置的探測器為紅外焦平面陣列探測器，所述定標(biāo)測量值為紅外焦平面陣列探測器各像元輸出值的平均值；建立基于樣鏡溫度和定標(biāo)測量值的定標(biāo)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中每個樣鏡溫度值T（i）對應(yīng)一個定標(biāo)測量值Y（i）；

步驟2：測量裝置測望遠(yuǎn)鏡光學(xué)鏡面

選取光學(xué)鏡面的被測區(qū)域，測量裝置的球面凹面鏡罩靠近該鏡面區(qū)域，間距為H_s；球面凹面鏡罩和連接體的溫度控制為T_s；球面凹面鏡罩和連接體恒溫后，測量裝置開始測量鏡面溫度，獲取測量值；根據(jù)測量值和定標(biāo)數(shù)據(jù)庫，獲取對應(yīng)的鏡面溫度值T（i）；測量值位于數(shù)據(jù)庫的兩個定標(biāo)測量值之間時，利用線性插值方法獲取對應(yīng)的溫度值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明可提高紅外測溫時的鏡面輻射收集能力。如圖6所示，除了收集直接射向紅外探測器的鏡面輻射，通過球面凹面鏡罩內(nèi)表面反射，還可收集與法線呈一定夾角的鏡面輻射，如圖7所示。本發(fā)明的鏡面輻射收集能力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備。舉例說明，美國FLIR公司生產(chǎn)的F數(shù)為1的photo640機(jī)芯是一款短焦紅外熱像儀機(jī)芯，為photo系列機(jī)芯產(chǎn)品中收集被測物體表面輻射能力最強的型號之一。計算顯示，裝置的球面凹面鏡罩內(nèi)表面紅外波段反射率為95%、球面凹面鏡罩直徑等于photo640在最小聚焦距離對應(yīng)的被測區(qū)域長邊時，本發(fā)明的鏡面輻射收集能力約為photo640的10.9倍。

（2）本發(fā)明消除了鏡面周邊的周邊環(huán)境在鏡面的反射輻射干擾。發(fā)明采用球面凹面鏡罩貼近鏡面的測溫設(shè)計，可有效屏蔽環(huán)境熱輻射，保證紅外探測器收集的輻射不受環(huán)境輻射干擾。測溫時，裝置的鏡罩貼近被測鏡面，在保證無觸碰鏡面風(fēng)險的前提下，H_s應(yīng)盡可能小，例如小于鏡罩開口面直徑的1/50。絕大部分環(huán)境熱輻射被屏蔽在鏡罩之外，極小部分環(huán)境輻射通鏡罩與鏡面之間的縫隙進(jìn)入鏡罩，經(jīng)多次反射后被鏡罩內(nèi)表面吸收。

（3）本發(fā)明具有消除裝置自身熱輻射雜散光干擾的能力。測溫光路內(nèi)的熱輻射雜散光主要來源于球面凹面鏡罩內(nèi)壁，內(nèi)壁熱輻射可直接或經(jīng)被測鏡面反射進(jìn)入探測器并影響測溫精度。為減弱熱輻射雜散光，球面凹面鏡罩內(nèi)壁表面鍍有對紅外波段輻射反射率高的膜層，膜層的熱發(fā)射率遠(yuǎn)小于原金屬鏡罩內(nèi)壁的熱發(fā)射率。光學(xué)鏡面特別是反射式光學(xué)鏡面多有金、銀、鋁等膜層，鏡面熱發(fā)射率和鏡罩所鍍膜層的熱發(fā)射率可相差不大，所鍍膜層的自身熱輻射不能忽略。為了消除膜層自身熱輻射干擾，采用半導(dǎo)體控溫技術(shù)對鏡罩外表面進(jìn)行控溫。鏡罩被控溫后，內(nèi)表面膜層的溫度和控溫值基本相等且穩(wěn)定不變。膜層的熱輻射強度和空間分布基本穩(wěn)定。探測器收集的熱輻射雜散光基本穩(wěn)定不變，為一個常數(shù)，收集的鏡面輻射則隨鏡面溫度而變。一個常數(shù)、一個變數(shù)，讓本發(fā)明測溫裝置具有了消除熱輻射雜散光干擾的能力。結(jié)合本發(fā)明的鏡面測溫定標(biāo)方法，可消除測溫裝置的熱輻射雜散光對鏡面測溫的影響。

（4）本發(fā)明設(shè)計用于鏡面紅外測溫的溫度定標(biāo)法，保證鏡面紅外測溫精度。由于被測鏡面的定向發(fā)射率和黑體有顯著差別，除了傳統(tǒng)的黑體定標(biāo)，項目設(shè)計了適合鏡面測溫的樣鏡定標(biāo)法。球面凹面鏡罩恒溫下，等溫度間隔調(diào)節(jié)樣鏡溫度，建立樣鏡溫度與對應(yīng)定標(biāo)測量值的定標(biāo)數(shù)據(jù)庫。鏡面測溫時，根據(jù)實際測量值，從定標(biāo)數(shù)據(jù)庫獲取對應(yīng)的鏡面溫度值。樣鏡溫度定標(biāo)法可以保證發(fā)明的鏡面紅外測溫精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為連接體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為探測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為球面凹面鏡罩的結(jié)構(gòu)示意圖，啟示省略剖面線。

圖5為球面凹面鏡罩鍍金膜和控溫層的示意圖。

圖6為本發(fā)明測量時的示意圖，其中僅示出了直接射向探測器的鏡面輻射。

圖7為本發(fā)明測量時的示意圖，其中僅示出了反射進(jìn)入探測器的鏡面輻射。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1-5所示鏡面紅外測溫裝置，包括探測模塊1、球面凹面鏡罩2和用于連接探測模塊1及球面凹面鏡罩2的連接體3；所述球面凹面鏡罩2的內(nèi)表面為球面，其頂點區(qū)域背面設(shè)置與連接體3固定連接的圓形座6；所述連接體3的中心具有與探測模塊1的探頭7形狀相應(yīng)的通孔，探測模塊1的探頭7伸入連接體3的通孔內(nèi)；所述圓形座6中心設(shè)置與探頭7形狀相應(yīng)的貫通孔，且該貫通孔延伸至球面凹面鏡罩2內(nèi)表面，于球面凹面鏡罩2形成開口。

所述探頭7的光線入射端8與球面凹面鏡罩內(nèi)表面處的開口平齊，探測模塊1探頭7的外壁與圓形座通孔之間的間隙小于0.05毫米，防止連接體通孔內(nèi)表面的自身熱輻射進(jìn)入紅外探測器的探頭7內(nèi)，降低測量干擾，提高測量精度。

所述連接體3包括與探測模塊1固定連接的連接板4，位于連接板4一側(cè)、與連接板4一體且軸線與連接板4上通孔軸線重合的連接座5；本實施例的連接板上設(shè)置沉頭孔，通過螺栓與探測模塊連接；

所述探測模塊1為制冷型紅外熱像儀的探測模塊。制冷型紅外測溫儀是一種成熟的工業(yè)產(chǎn)品，所述探測模塊1是指制冷型紅外測溫儀中扣除光學(xué)成像鏡頭的剩余部分，主要由紅外探測器、控制電路、成像電路、讀出電路、制冷機(jī)等構(gòu)成。

所述球面凹面鏡罩2材質(zhì)為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材質(zhì)，球面凹面鏡罩2內(nèi)表面鍍有金膜10。

所述球面凹面鏡罩2的外側(cè)表面設(shè)有基于半導(dǎo)體控溫技術(shù)的控溫層9。根據(jù)球面凹面鏡罩2外形尺寸定制半導(dǎo)體控溫層。

所述球面凹面鏡罩2的開口位于鏡罩頂點和焦點的中心處，即球面凹面鏡罩的開口面與頂點的距離約是焦距的二分之一。

所述圓形座6和連接體3采用膠粘連接，顯然還可以是卡接或者螺接等常規(guī)的連接方式。

球面凹面鏡罩替代傳統(tǒng)紅外測溫設(shè)備的成像鏡頭組件，紅外探測器不僅收集直接射向探測器的鏡面輻射，還能經(jīng)反射收集與法線呈一定夾角的鏡面輻射。本發(fā)明的測量裝置不考慮被測鏡面區(qū)域的溫度空間分辨率，利用球面凹面鏡罩的匯聚能力，大幅度提高了測溫裝置的鏡面輻射收集能力。

一種鏡面紅外測溫的方法，采用如上所述的測量裝置進(jìn)行鏡面溫度測量；具體包括以下步驟：

步驟1，測量裝置的樣鏡定標(biāo)

圓柱體樣鏡的上表面與待測溫的光學(xué)鏡面鍍有一樣的膜層，樣鏡的厚度小于直徑的1/50，鏡肧材質(zhì)為高導(dǎo)熱率金屬；樣鏡柱側(cè)面和底面設(shè)有高精準(zhǔn)的溫度控制裝置，用于控制樣鏡溫度。溫度控制裝置具有合理的控溫范圍，控溫范圍覆蓋待測光學(xué)鏡面的溫度變化范圍；

樣鏡定標(biāo)前，測量裝置的球面凹面鏡罩2和連接體3的溫度控制層的控溫值為T_s，T_s可以自由設(shè)置，為了便于控溫，T_s可設(shè)置為待測光學(xué)鏡面的工作環(huán)境溫度均值；測量裝置的球面凹面鏡罩2和樣鏡鏡面之間距離設(shè)為恒定間距H_s，在保證無觸碰鏡面風(fēng)險的前提下，H_s應(yīng)盡可能小，例如小于鏡罩開口面直徑的1/50；

樣鏡定標(biāo)時，以固定的溫度變化量?T調(diào)節(jié)樣鏡控溫值并記錄探測裝置對應(yīng)的定標(biāo)測量值；探測裝置的探測器為紅外焦平面陣列探測器，所述定標(biāo)測量值為紅外焦平面陣列探測器各像元輸出值的平均值；建立基于樣鏡溫度和定標(biāo)測量值的定標(biāo)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中每個樣鏡溫度值T（i）對應(yīng)一個定標(biāo)測量值Y（i）；

步驟2：測量裝置測望遠(yuǎn)鏡光學(xué)鏡面

選取光學(xué)鏡面的被測區(qū)域，測量裝置的球面凹面鏡罩2靠近該鏡面區(qū)域，間距為H_s；球面凹面鏡罩2和連接體3的溫度控制為T_s；球面凹面鏡罩2和連接體3恒溫后，測量裝置開始測量鏡面溫度，獲取測量值；根據(jù)測量值和定標(biāo)數(shù)據(jù)庫，獲取對應(yīng)的鏡面溫度值T（i）；測量值位于數(shù)據(jù)庫的兩個定標(biāo)測量值之間時，利用線性插值方法獲取對應(yīng)的溫度值。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。