一种基于彩色ＣＣＤ的辐射温度场测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于彩色ＣＣＤ的温度场测量装置，包括：滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；光学镜头，将透过滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色ＣＣＤ面阵传感器的焦平面；彩色ＣＣＤ面阵传感器，对光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；数据采集分析单元，对三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。本发明专利技术还涉及一种对应的温度场测量方法。本发明专利技术的技术方案可以实现温度场测量，能够获取更为丰富的高温物体温度信息；且技术方案实现简单，集成系统的成本不高、性能稳定，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测温技术，尤其涉及一种改进的基于彩色CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)的辐射温度场测量装置及方法。
技术介绍
在石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃等工业生产行业的高温检测领域，辐射测温仪器具有巨大的巿场需求和广阔的应用空间。例如，冶金行业的高温炉膛内部温度测量与控制对于生产过程有着重要的作用。在这些典型的应用领域，传统的热电偶接触式测温手段，由于测量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被价格较低、性能稳定、低消耗使用、非接触式的光学测温设备所取代。光学测温设备的应用将成为高温测量的主流趋势，现有技术已有的应用与研究现状可概括如下1.基于单个彩色CCD传感器的光学测温仪器，内嵌的RGB彩色滤色阵列实现彩色复现，提供了红、绿、蓝三个颜色通道。1.1直接利用三个颜色通道的波段响应，结合特定的发射率模型，进行温度场的测量计算(中国科学G辑，34(6): 639-647， 2004)。应用中的局限性主要是RGB滤色阵列三个颜色通道的波段响应是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，因此光谱响应特性是固定不变的，从而会限制仪器测温的应用，而无法自主选择合适的三个光谱波段或波长，以实现温度的优化测量。1.2 将三个通道的波段响应测量近似地处理为单色响应测量(中国电机工程学报，20(l):70-72, 2000;仪器仪表学报，24(6): 653-656， 2003 )，即颜色三基色的中心波长作为测量的三个有效波长，进而利用比色测温法，实现温度场的计算。实际上有效波长并非一个常量，随着测量物体的辐射光谱分布不同而不同，这种有效波长的简化处理方法，会给温度计算带来误差；其次，由于RGB滤色阵列是以彩色复现为目的，即便将波段测量简化为了波长测量，也无法从本质上改变已固化的颜色通道的光谱响应特性。2.基于单个黑白CCD传感器的光学测温仪器，将2个具有不同单色波长的滤色片交替放置于CCD前，测量物体在两个波长下的相对辐射强度值，再根据比色法进行温度计算(IEEE TRANSACTIONSON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, 51 (5): 990-995 ，2002)。这种方法应用时，虽然可以较灵活的选择所需要的波长，但需要在2个单色滤色片交替测量的时间段内物体温度场保持稳定，对于瞬态温度场测量这种要求往往难以满足，这是其应用的主要局限性。概括而言，上述方法1利用了单个彩色CCD,可以同时获得多通道的辐射光谱信息，但只能实现固定光谱测量；而方法2釆用了单个黑白CCD，通过滤色片可以较为灵活的选择相应的光谱/波长，但由于多通道信息不能同时获取，无法更好地应用子瞬态温度场测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法，以克服现有技术中基于单个黑白CCD或彩色CCD温度场测量方法应用的局限性。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案提出一种基于彩色CCD的温度场测量装置，该装置包括滤色片、光学镜头、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元，所述滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；所述光学镜头，将透过所述滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器的焦平面；所述彩色CCD面阵传感器，对所述光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；所述数据釆集分析单元，对所述三路光谱响应数据进行釆集，并利用比色测温法进行温度场的计算。上述的温度场测量装置中，所述数据釆集分析单元利用比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为W =① 〖隨外& W. & (r) ,w (r)气in \ 7 \ 7< ^ 亡、(义)^(义卞)./ ( 1 )^ 广' (外谱孝v),/ (r，其中，上角标(/,力表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；G'、G'、 C分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通道的相对辐射强度输出值；①为所述彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子；义_~义_为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围；^)为滤色片的光谱透过率函数； (义)、&(义)、^(义)为所述光学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数；；,t)为与物体相同温度r '下的黑体光谱功率分布函数；s,(r)为物体的光谱发射率函数；由于滤色片的光谱透过率函数义)将彩色CCD面阵传感器原有的三通道颜色光谱响应&(义)、&(义)、 (义)改变为新的三通道光谱响应Z(A)5^(/i) 、T(/l)^;(义)、T(义)A^ (义)；令Fw-r(义;k(义),FG卢(义;k.(义w义;k(义)，并设所述滤色片在CCD波段响应区间内具有两个不同的单峰中心波长a、 a,波长半宽度为A^、 A^，则将式(1)改写为<formula>formula see original document page 9</formula>(2)假定所述待测物体在两个波长义i、 A的光谱发射率函数相等，有对式(2)的任意两路非零信号进行比值处理可得比色测温方程，例如选取红(R)、绿(G)两路信号<formula>formula see original document page 9</formula>(3)由于式(3)的右边可视为仅有一个未知量r,从而其求解是封闭的，因此最后可以根据^vc的比值利用式(3)确定温度r。上述的温度场测量装置中，所述待测物体为温度范围为1000K 3000K的具有连续辐射特性的高温物体。上述的温度场测量装置中，所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围为380nm 700nm。本专利技术的技术方案还提出一种应用如上所述装置的基于彩色CCD的辐射温度场测量方法，该方法包括以下步骤利用彩色CCD面阵传感器对透过所述滤色片、光学镜头的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；利用所述数据釆集分析单元对三路光谱响应数据进行釆集，并根据比色测温法进行温度场的计算。上述的温度场测量方法中，所述根据比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为其中，上角标(/，,/)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；C、 ^7、 f^分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通 道的相对辐射强度输出值；①为所述彩色CCD面阵传感器测量的非 光谱因子；^ 义_为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范 围；a)为滤色片的光谱透过率函数； (义)、&(义)、(义)为所述光 学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函 数；^为与物体相同温度r下的黑体光谱功率分布函数； ^(r)为物体的光谱发射率函数；由于滤色片的光谱透过率函数r)将彩色CCD面阵传感器原有 的三通道颜色光谱响应&(义)、&(义)、^(义)改变为新的三通道光谱响令^卢(义;K(义)，FG(rK(义),7^-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于彩色ＣＣＤ的温度场测量装置，其特征在于，该装置包括：滤色片、光学镜头、彩色ＣＣＤ面阵传感器及数据采集分析单元，　所述滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；　所述光学镜头，将透过所述滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色ＣＣＤ面阵传感器的焦平面；　所述彩色ＣＣＤ面阵传感器，对所述光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；　所述数据采集分析单元，对所述三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。

【技术特征摘要】
1、一种基于彩色CCD的温度场测量装置，其特征在于，该装置包括滤色片、光学镜头、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元，所述滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；所述光学镜头，将透过所述滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器的焦平面；所述彩色CCD面阵传感器，对所述光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；所述数据采集分析单元，对所述三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。2、 如权利要求1所述的温度场测量装置，其特征在于，所述数 据釆集分析单元利用比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完 成所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面 阵传感器输出的辐射测量信号为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，上角标(/,./)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；^;、 K、 fT分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通 道的相对辐射强度输出值；o为所述彩色CCD面阵传感器测量的非 光谱因子；Amin 义_为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范 围；/i)为滤色片的光谱透过率函数； (义)、^(义;)、 (义)为所述光 学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数；；,)为与物体相同温度r''下的黑体光谱功率分布函数；^(r;)为物体的光谱发射率函数；由于滤色片的光谱透过率函数义)将彩色CCD面阵传感器原有的三通道颜色光谱响应sjr)、 &(r>、 ^(r)改变为新的三通道光谱响 令i^-r(/L)^(义),i^^义;K(义)，i^:^(义;K(A)，并设所述滤色片在CCD波段响应区间内具有两个不同的单峰中心波长4、义2，波 长半宽度为A^、 A^，则将式(1)改写为W 0''-假定所述待测物体在两个波长义,、义，的光谱发射率函数相等，有^ (r、对式(2)的任意两路非零信号进行比值处理最终确定温度r'、3、 如权利要求2所述的温度场测量装置，其特征在于，所述待 测物体为温度范围为1000K 3000K的具有连续辐射特性的高温物 体。4、 如权利要求1 3任一项所述的温度场测量装置，其特征在于， 所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围为380nm 700nm。5、 一种应用如权利要求1所述装置的基于彩色CCD的辐射温度 场测量方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：符泰然，龚玮，余景文，程晓舫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]