基于光輻射的測(cè)溫設(shè)備、系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及測(cè)溫領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于光福射的測(cè)溫設(shè)備、系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天、冶金及汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，常常需要對(duì)待測(cè)對(duì)象W及各種在線工件 進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)監(jiān)控，W最大限度地減少事故隱患、提高產(chǎn)品的安全性能及其質(zhì)量。沿用傳 統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量，雖然精度高，但必須使探測(cè)器接觸待測(cè)對(duì)象?？墒窃谀承┨厥?的場(chǎng)合下（如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及高溫爐中的火焰進(jìn)行測(cè)溫時(shí))無(wú)法使用接觸式測(cè)溫儀，由此 產(chǎn)生了非接觸式測(cè)溫方法。紅外測(cè)溫方法就屬于一種非接觸式測(cè)溫方法，該方法通過(guò)檢測(cè) 物體表面發(fā)射的能量來(lái)測(cè)量溫度，具有測(cè)溫范圍廣、響應(yīng)速度快和不明顯破壞測(cè)溫度場(chǎng)等 特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)方面。
[0003] 紅外測(cè)溫方法主要基于黑體福射理論，而黑體是個(gè)理想化的物理模型，而自然界 中實(shí)際存在的物體(測(cè)溫對(duì)象），其吸收能力及福射能力都比黑體小，稱為灰體。根據(jù)普朗克 福射定律，一個(gè)絕對(duì)溫度為T的黑體，單位表面積在波長(zhǎng)、八2(、的附近單位波長(zhǎng))的間隔內(nèi) 向整個(gè)半球空間發(fā)射的福射功率(簡(jiǎn)稱光譜福射度)為e〇(a，t)，而灰體的光譜福射能量的 計(jì)算公式為:6^，1') = 6(\，1'化〇(、1')，其中6(、1')為該灰體的福射率。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中紅外測(cè)溫主要經(jīng)歷了=個(gè)階段的發(fā)展。
[0005] 第一階段:傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫設(shè)備，一律按黑體的熱福射定律來(lái)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方式假 設(shè)紅外測(cè)溫儀實(shí)際接收到的熱福射是與被測(cè)物的光譜福射能量E(A，T)是成比例，故在使用 紅外測(cè)溫儀時(shí)，必須求出待測(cè)對(duì)象的福射率e(A，T)數(shù)值，即進(jìn)行福射率修正。遺憾的是，該 福射率e(A，T)與待測(cè)對(duì)象的材料、表面狀態(tài)、波長(zhǎng)，溫度W及福射條件、環(huán)境因素等均有復(fù) 雜的關(guān)系，因而很難準(zhǔn)確確定測(cè)定e(A，T)，同時(shí)由于在某些情況下待測(cè)對(duì)象的福射率隨溫 度變化太大，因而傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀還存在著較大的誤差。
[0006] 第二階段:科學(xué)家們?yōu)榻鉀Q傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫設(shè)備存在的問(wèn)題，研究出了基于單波 長(zhǎng)窄帶濾波紅外測(cè)溫技術(shù)?？墒怯捎诖嬖谥T如水蒸氣等的周圍環(huán)境對(duì)紅外線的吸收，在很 大幅度上影響了單波長(zhǎng)紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性。
[0007] 第=階段:利用雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫技術(shù)來(lái)進(jìn)行紅外測(cè)溫。雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫 技術(shù)的原理為:利用黑體福射曲線中相鄰兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的能量等比吸收的原理，在保證紅 外測(cè)溫高精度測(cè)量的基礎(chǔ)上，克服了環(huán)境對(duì)物體發(fā)射紅外線吸收造成的測(cè)量誤差。根據(jù)普 朗克福射定律，一個(gè)絕對(duì)溫度為T的黑體，單位表面積、八2(、的附近單位波長(zhǎng))的間隔內(nèi)向 整個(gè)半球空間發(fā)射的福射功率(簡(jiǎn)稱光譜福射度化o(、T)，滿足下式的變化關(guān)系：
[0009] 其中，C為真空光速C = 2.99792458 X l〇8m/s;
[0010] h為普朗克常數(shù)，h = 6.62607004X l〇-34j ? S;
[0011] k為玻爾茲曼常數(shù)，k = 1.3806488 X 1〇-23j/K ;
[0012] Cl為第一福射常數(shù)，Cl = 2地c2 = 3.741771790075259X10-l6w?m2;
[0013] C2為第二福射常數(shù)，C2 = hc/k=1.4387770620391X 10-2m?K。
[0014] 而灰體的光譜福射能量公式
[001 引 ￡U，r)二巧A，r)￡,,aT)二占乂 -1):-! . ，'
[0016] 其中，Eo(A，T)為黑體發(fā)射的光譜福射通量密度，A為光譜福射時(shí)的波長(zhǎng)，T為黑體 的絕對(duì)溫度，單位為K，e (A，T)為待測(cè)對(duì)象溫度為T，福射波長(zhǎng)為A時(shí)的福射率，0 < e (A，T) < Io
[0017] 在經(jīng)典近似情況下，盧"7 >>!，在紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫范圍內(nèi)滿足此條件，貝化〇(A，T) 可近似簡(jiǎn)化為Wien公式：￡〇化r) = Q/T，(￡?心")-1。
[0018] 若波長(zhǎng)為定值，則上式只與溫度有關(guān)，可改寫為：
[0019] Eo(T)=Aoexp(BoZT),
[0020] 其中，Ao = CiA-S，Bo = -CsA，且仍然只適用于黑體。若將Ao和Bo視為可變參量A和B， 則可推廣到灰體的情況，則灰體的光譜福射能量為：
[0021] E(T)=A exp(B/T)
[0022] 不同于公式。i，7-)二/;(/;.，nC,義i的是，前者只需簡(jiǎn)單改變A和B參量 的值就可實(shí)現(xiàn)從黑體到灰體的修正，而無(wú)需確定復(fù)雜的福射率函數(shù)e(A，T)。
[0023] 利用相鄰兩波長(zhǎng)等比吸收的原理。取2個(gè)波長(zhǎng)的吸收能量比作為溫度的函數(shù)，即可 避免由于水蒸氣等環(huán)境對(duì)紅外線吸收的因素而造成的測(cè)量誤差。
[0024] 現(xiàn)在分別取、和A2,則有：
[0025] Ei(T)=Ai(Ai)exp(Bi(Ai)/T),
[0026] E2(T)=A2(A2)exp(B2(A2)/T)。
[0027] 上述兩式作比值得：
[0029] 其中：
=Bi(、)-B2(A2)。因此，只要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定y和兩 個(gè)參數(shù)，即可獲得被測(cè)物體的溫度T與該比值X之間的關(guān)系。即，根據(jù)上述擬合系數(shù)y和， 可W得到此種環(huán)境下的該福射體的溫度。
[0030] 圖1(a)示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備的示意圖。圖1(b)示出了 圖1(a)中調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖1(a)和圖1(b)，該雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備的工作 方法是：
[0031] 待測(cè)對(duì)象發(fā)出的一束光福射沿水平方向通過(guò)透鏡9射向反射鏡8,由反射鏡8將光 福射反射至分光鏡1(或二向色鏡）。分光鏡1將運(yùn)束光福射進(jìn)行反射和透射，形成水平方向 上的反射的第一光福射和垂直方向上的透射的第二光福射。水平方向上的第一光福射經(jīng)過(guò) 窄帶濾光片7濾為波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)的光(例如波長(zhǎng)為、的光）。波長(zhǎng)為Al的光通過(guò)反射鏡6反 射為垂直方向后并射向帶有電機(jī)的調(diào)制盤5。垂直方向上的第二光福射經(jīng)過(guò)反射鏡2反射后 形成水平方向上的第二光福射，經(jīng)過(guò)窄帶濾光片3濾為波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)的光(例如波長(zhǎng)為入2 的光）。波長(zhǎng)為^2的光射向帶有電機(jī)的調(diào)制盤5。電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，波長(zhǎng)為A2的光可 W通過(guò)調(diào)制盤5上的通孔(參見(jiàn)圖1(b))射向光敏傳感器4,波長(zhǎng)為、的光可W通過(guò)調(diào)制盤5 上的鏡面反射后射向光敏傳感器4。光敏傳感器4獲取波長(zhǎng)為、和A2的光的能量，再經(jīng)過(guò)放大 電路、計(jì)算電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生成待測(cè)對(duì)象的溫度，該溫度在顯示的設(shè)備上進(jìn)行顯示。
[0032] 本申請(qǐng)的發(fā)明人做了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用該雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備測(cè)得的溫 度的精度盡管相對(duì)于單波長(zhǎng)紅外測(cè)溫設(shè)備有了明顯的提高，但仍然存在一定的誤差。本發(fā) 明人還發(fā)現(xiàn):一方面，雙波長(zhǎng)光福射測(cè)溫的精度與光福射分成的雙波的平均度成正比。即： 當(dāng)入射的光福射分成的兩束光束的光子數(shù)或者能量越平均，其測(cè)溫的精度越高。另一方面， 該雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備測(cè)得的溫度的精度還受能量損失制約，如果光福射在測(cè)量過(guò)程 中能量損失越大，測(cè)得的溫度的精度越低。本發(fā)明人根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)的理論，再對(duì)照現(xiàn)有技術(shù) 中雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備發(fā)現(xiàn)：
[0033] 分光鏡(或者二向色鏡）的反射或透射效率都不高，存在較大的能量損失，所W造 成后期測(cè)溫精度下降；
[0034] 分光鏡透射和反射的第一光福射和第二光福射的光子數(shù)或者能量分配比例的區(qū) 間大約為[5()%T20%:5()%±20%~50%+ 10%:50%± 10%]，該比例離理想中的1:1的絕對(duì)等 分的差距很大，所W造成后期測(cè)溫精度下降。此外，雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備中的二向色鏡 依賴在光學(xué)平片的正反面鍛上不同的膜W實(shí)現(xiàn)濾光，如果需要選擇其它的波長(zhǎng)，則需要更 換整塊二向色鏡。所W雙波長(zhǎng)濾波紅外測(cè)溫設(shè)備測(cè)得的溫度的精度不高，且使用不太方便， 其適應(yīng)性不廣。
[0035] 另外，傳統(tǒng)的雙波長(zhǎng)測(cè)溫設(shè)備均在像平面設(shè)置光電探測(cè)元件，其靈敏度受限于所 采用的光電探測(cè)元件的探測(cè)靈敏度，在弱信號(hào)探測(cè)情況下，將受到散粒噪聲的嚴(yán)重影響，精 度較差，應(yīng)用環(huán)境受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0036] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)溫精度低、測(cè)溫應(yīng)用場(chǎng)合窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等 缺陷。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于光福射的測(cè)溫設(shè)備。該設(shè)備包括：
[0038] 光福射等分裝置，配置為接收待測(cè)對(duì)象的光福射，將接收到的光福射等分為第一 光福射和第二光福射，并使所述第一光福射沿第一路徑射出、所述第二光福射沿不同于第 一路徑的第二路徑射出；
[0039] 布置在所述第一路徑上的第一濾光元件，配置為接收所述第一光福射，并將接收 到的第一光福射過(guò)濾為波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)的光；
[0040] 布置在所述第二路徑上的第二濾光元件，配置為接收所述第二光福射，并將接收 到的第二光福射過(guò)濾為波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)的光；
[0041] 布置在第一路徑上的第一探測(cè)裝置，配置為接收波長(zhǎng)為第一波長(zhǎng)的光并將其轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)的第一光電信號(hào)參量；
[0042] 布置在第二路徑上的第二探測(cè)裝置，配置為接收波長(zhǎng)為第二波長(zhǎng)的光并將其轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)的第二光電信號(hào)參量；
[0043] 溫度確定裝置，配置為接收來(lái)自所述第一探測(cè)裝置和第二探測(cè)裝置的所述第一和 第二光電信號(hào)參量，并根據(jù)所述第一和第二光電信號(hào)參量與溫度的預(yù)定關(guān)系確定出所述待 測(cè)對(duì)象的溫度。
[0044] 本實(shí)施方式舍去傳統(tǒng)的反射效率和透射效率均不高、無(wú)法將接收的光福射進(jìn)行精 確等分的二向色鏡(半透半反鏡），利用光福射等分裝置將接收的光福射進(jìn)行精確等分(此 處的等分為光子數(shù)和光的能量的等分），大幅度提高了后期的測(cè)溫的精度。
[0045] 進(jìn)一步，利用光福射等分裝置提高了反射的效率，減少了能量的損失，進(jìn)一步提高 了后期的測(cè)溫的精度。
[0046] 本實(shí)施方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，可W用于不同要求測(cè)溫場(chǎng)合，適用范圍廣。
[0047] 本實(shí)施例通過(guò)光路左右兩路的雙波測(cè)量可W有效地克服了傳統(tǒng)測(cè)溫中"福射率修 正"難題，克服了測(cè)量條件復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件波動(dòng)或者水蒸氣等因素的環(huán)境吸收造成的測(cè) 量誤差，進(jìn)一步提高了測(cè)溫的精度。
[0048] 在一些實(shí)施方式中，根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)溫設(shè)備，其特征在于，所述溫度確定 裝置根據(jù)如下的所述預(yù)定關(guān)系確定待測(cè)對(duì)象的溫度：
[0049] T = B7ln(X/A'）
[0050] 其中，X = Ei(T)/E2(T)，A'、B'為預(yù)設(shè)系數(shù)，T為所述待測(cè)對(duì)象的溫度，Ei(T)為所述 第一光電信號(hào)參量，E2(T)為所述第二光電信號(hào)參量。
[0051 ]在一些實(shí)施方式中，所述光福射等分裝置包括：
[0052] 空間光調(diào)制器，配置為根據(jù)預(yù)定控制將接收到的待測(cè)對(duì)象的光福射等分為所述第 一光福射和第二光福射，并使第一光福射沿第一路徑射出、第二光福射沿不同于第一路徑 的第二路徑射出；
[0053] 控制元件，配置為根據(jù)預(yù)定輸入對(duì)所述空間光調(diào)制器進(jìn)行上述預(yù)定控制。
[0054] 由此，本實(shí)施方式開(kāi)創(chuàng)性的將空間光調(diào)制器運(yùn)用于測(cè)溫設(shè)備，大幅度提高了測(cè)溫 精度。
[0055] 在一些實(shí)施方式中，所述空間光調(diào)制器為選自數(shù)字微鏡器件、光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制器或 '濃晶光閥。