[发明专利]被测表面失焦情况下的红外测温装置及方法

摘要

一种被测表面失焦情况下的红外测温装置，包括一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有高透过率；一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场。本发明还涉及采用上述装置进行被测表面失焦情况下的红外测温方法。采用本发明的装置和方法，即便出现被测表面不垂直于镜头的主轴，导致被测表面上很多或者全部位置失焦的情况，也能有效地进行温度测量。

主权项

一种被测表面失焦情况下的红外测温方法，其特征在于：测温时用到如下的装置，其包括：一红外镜头(1)，用于收集视场内的红外线，其镜片材料在下面的红外CCD相机(3)的光谱响应范围内有高透过率；一红外CCD相机(3)，用于采集红外镜头成像的图像；一滤波片(2)，设在红外镜头(1)和红外CCD相机(3)的光敏器件之间，用于过滤其他波段的杂光，其中心波长在红外CCD相机(3)的光谱响应范围内；一电脑(4)，通过数据线连接红外CCD相机(3)，用于处理图像数据得到温度场；所述的红外测温方法包括以下步骤：S1：通过查询物性手册或者通过专业的测量手段得到在滤波片(2)中心波长λc下，不同温度T的表面发射率ε(λc,T)；S2：在测温范围内选择10个温度，利用标准黑体在滤波片(2)中心波长λc下获得不同温度所对应的系统光谱响应函数值，通过分段差值的方法得到连续的系统响应函数K(λc,T)；S3：将红外镜头(1)对准探测表面，让被测表面在红外CCD相机(3)的视场范围内，利用红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑(4)中，利用分析软件计算得到被测表面的温度场分布；所述的分析软件的计算原理为：根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：Ebλ=c1λ-5exp[c2/λT]-1---(1);]]>式中：Ebλ表示黑体光谱辐射能量，c1表示普朗克定律第一辐射常数，c1＝3.7418×108W·μm4/m2，λ表示光谱波长，c2表示普朗克定律第二辐射常数，c2＝1.4388×104μm·K，T表示温度；对于非黑体来说，在特定波长λc下，表面本身的半球发射能量由下式表示：E=ϵ(λc,T)·∫λ1λ2Ebλdλ≈ϵ(λc,T)·c1λc-5(λ2-λ1)exp[c2/λcT]-1---(2);]]>式中：E表示表面本身的半球发射能量，λc表示滤波片的中心波长，ε(λc,T)表示在波长为λc、温度为T时的表面发射率，通过查询物性手册或者专业测量手段得到，λ1、λ2分别表示滤波片的透过范围的下限和上限；对于被测表面失焦的情况，需要知道实际物平面与理想物平面之间的夹角θ以及它们中心之间的距离由几何光学可知，在CCD某个像素A′上得到的能量是由理想物平面上对应的一个微元面A通过镜头透镜投射的能量；设像素A′的中心坐标为P′(x′,y′,z′)，则相对应的理想物平面上微元面A的中心坐标为P(x,y,z)，对应的实际物平面上微元面的中心坐标为它们的具体表达式为：P点：x＝‑u；y＝‑uy′/v；z＝‑uz′/v；点：式中：u表示理想物距；v表示相距；表示实际物平面与理想物平面中心的距离；θ表示实际物平面与理想物平面之间的夹角；实际物平面和理想物平面中心的距离r为：r=(x-x~)2+(y-y~)2+(z-z~)2---(3);]]>根据小孔成像的原理，与像素A′对应的实际物平面上微元面的面积为：A~=πa2·(x~-uu)2---(4);]]>式中：表示像素的面积，a表示镜头光阑半径大小；则在不考虑镜片衰减的情况下，由实际物平面的微元面发出的在滤波片通过波长范围(λ1,λ2)内的能量经过透镜到达CCD像素A′的大小为：式中：Q表示到达CCD像素A′的能量，A表示理想物平面上像素A的面积，t为相机的快门时间，为射线与理想物平面之间的夹角，通过下式来计算：由于相机的光电转换效率、镜片和空气的沿程衰减因素，将这些因素归结为一个系统响应函数K(λc,T)，则CCD相机上测量得到灰度分布与实际物平面上的能量分布之前存在如下关系：H＝K(λc,T)·Q  (7)；式中：H表示CCD相机上像素A′的灰度；进一步的得到灰度与温度之间的对应关系：