專利名稱：提高紅外熱像儀測溫均勻性的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量溫度的方法及裝置，具體涉及一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的 裝置及方法。
背景技術(shù)：
紅外熱成像技術(shù)的原理是通過非制冷焦平面等傳感器接收被測物發(fā)射出的紅外 輻射，從而測得被測物表面的溫度分布。由于其直觀、非接觸性等特點，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī) 療診斷、故障監(jiān)測、管道探傷等領(lǐng)域。除了監(jiān)控功能，紅外熱像儀也天然是一種測溫工具。它 的優(yōu)點是可直接測量具有一定面積的二維溫度場，而熱電偶、熱電阻等傳統(tǒng)溫度傳感器只 能測量單點的溫度。盡管紅外熱像儀可以測量溫度場，目前卻無法達到較高的測量準(zhǔn)確度，其中一個 重要問題是各個像素點測量誤差分布不均勻。有三個原因造成了這種情況一、由于紅外 探測器的制造工藝問題，無法保證焦平面上的所有探測元都具有完全相同的響應(yīng)特性，這 種非均勻性導(dǎo)致紅外熱像上存在固定的噪聲圖案，反映在測溫結(jié)果上就是不均勻的固定誤 差。采用黑體校準(zhǔn)的方法可以補償這種非均勻性，而未決專利CN 200710192272則提出了 一種實時定標(biāo)裝置大大簡化了標(biāo)定的步驟；二、由于光學(xué)系統(tǒng)中光闌、光孔等的遮擋作用， 一部分軸外光束無法被紅外探測器接收到，以致探測器接收能量不均勻，這種現(xiàn)象稱為“漸 暈”，文獻《紅外光學(xué)系統(tǒng)出瞳與冷屏匹配方式及漸暈分析計算》(紅外技術(shù)，2006年28卷 第2期)對這種現(xiàn)象進行了說明。這種誤差的補償因子可以根據(jù)熱像儀本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)計 算出來；三、斜光束入射光學(xué)系統(tǒng)時，隨著入射角的增大，探測器上的照度逐漸變小，如果按 照文獻《紅外熱像儀測溫計算與誤差分析》(紅外技術(shù)，1999年21卷第4期)所述的熱像 儀常用公式計算時，會發(fā)生越靠圖像邊緣誤差越大的情況。上述三種現(xiàn)象中，前兩種只和熱像儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，已有比較好的方法進行補 償。但是第三種誤差除了固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還和熱像儀工作時的動態(tài)參數(shù)——像距、物距相 關(guān)，因而現(xiàn)有的熱像儀裝置還未能克服這種非均勻性誤差的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前紅外熱成像技術(shù)測量二維溫度場的非均勻性問題，本發(fā)明的目的于提供 一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的裝置及方法，以改善背景技術(shù)中因第三類非均勻性引起 的測量誤差。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一、一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的裝置包括殼體、安裝在殼體中心的光學(xué)鏡頭組、安裝在基板上的非制冷紅外焦平面和 電機、熱成像電路模塊、對焦機構(gòu)和對焦電路模塊；在基板上安裝基于差動互感器原理的位 移傳感器，所述位移傳感器從內(nèi)到外依次包括鐵芯、原副邊線圈繞組和屏蔽殼，滑動桿一端 與鐵芯相連，另一端與光學(xué)鏡頭組外殼相連，位移傳感器的屏蔽殼安裝在基板上，原副邊線圈繞組與位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊相連。所述的位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊包括AD598單片式線位移差動變壓器信號 調(diào)節(jié)器、運算放大電路0PA177和AD轉(zhuǎn)換芯片AD7887 ；原邊線圈繞組兩端分別與AD598的輸 出端EXC1和EXC2相連，副邊線圈繞組兩端分別與AD598的輸入端VA和VB相連，AD598的 信號輸出端與運算放大電路0PA177輸入端相連，運算放大電路0PA177的輸出端與AD7887 的模擬輸入端相連，AD7887的數(shù)字輸出端和控制端與DSP模塊相連。二、一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的方法，其特征在于該方法的步驟如下a)調(diào)整熱像儀的光學(xué)鏡頭組位置，使熱像儀對被測目標(biāo)聚焦；b)通過熱成像電路模塊采集非制冷紅外焦平面中的iX j個探測元上的電壓信號 Vi, J,通過位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊測量位移傳感器的輸出電壓\ ；c)DSP模塊利用內(nèi)置在FLASH模塊中的標(biāo)定參數(shù)k和b，將VM換算成熱像儀光學(xué) 鏡頭組的像距1’，d)用和VM計算各個像素點的溫度T:具體計算公式如下 其中 式中變量…,」為焦平面上的探測元響應(yīng)電壓Vy ；i, j為像素坐標(biāo)；1，為像距；式中常數(shù)f為光學(xué)鏡頭組的物方焦距；f’為像方焦距；為隊光學(xué)鏡頭組直徑；Dd 為非制冷紅外焦平面上單個探測元直徑；M、N為熱像圖的像素行、列數(shù)；C和n為與非制冷 焦平面材料相關(guān)的常數(shù)；這些常數(shù)均內(nèi)置于程序中。所述的位移傳感器在其量程內(nèi)被測位移d與輸出電壓\呈線性，即d = kVM+b的關(guān)系。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明在測量溫度同時可以測量鏡頭的像距值，進而對斜光束造成的熱像誤差進 行補償，獲得更加準(zhǔn)確的溫度場測量結(jié)果。


圖1是本發(fā)明的主視局部剖面圖。圖2是本發(fā)明的側(cè)視剖面圖。圖3是本發(fā)明的俯視剖面圖。圖4是本發(fā)明去除外殼后的立體圖。圖5是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖6是位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊的電路原理圖
圖中1、外殼，2、紅外成像鏡頭組，3、非制冷紅外焦平面，4、對焦裝置，5、位移傳感 器，6、屏蔽殼，7、滑動桿，8、基座，9、基板，10、連接件，11、電機，12、螺紋桿，13、螺紋孔，14、 導(dǎo)向桿，15、導(dǎo)向桿，16，導(dǎo)向孔，17、導(dǎo)向孔，18、熱電溫度穩(wěn)定器溫控電路，19、A/D采集電 路，20、FPGA 模塊，21、D/A 轉(zhuǎn)換模塊，22、視頻信號模塊，23、RAM，24、FLASH，25、DSP 模塊，26、 RS232通訊模塊，27、對焦電路模塊，28、位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊，
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明包括殼體1、安裝在殼體中心的光學(xué)鏡頭組2、 安裝在基板9上的非制冷紅外焦平面3和電機11、熱成像電路模塊、對焦機構(gòu)和對焦電路 模塊27 ；外殼內(nèi)以基板9為界可分前后兩部分，其中后半部分空間主要用于放置所有電路 模塊。在基板上安裝基于差動互感器原理的位移傳感器5，所述位移傳感器5從內(nèi)到外依 次包括鐵芯、原副邊線圈繞組和屏蔽殼6，滑動桿7 —端與鐵芯相連，另一端與光學(xué)鏡頭組2 外殼相連，位移傳感器5的屏蔽殼6通過基座8安裝在基板9上，原副邊線圈繞組與位移傳 感器驅(qū)動檢測電路模塊28相連。非制冷紅外焦平面3安裝在基板2的中央位置，前方是與其同軸心安裝的光學(xué)鏡 頭組2。電機11安裝在基板2的上方，其中心軸與光學(xué)鏡頭組2軸心平行；電機11軸前端 通過連接件10連接一螺紋桿12，連接處套一有螺紋孔的連接件10，連接件10上螺紋孔可 擰入螺釘使螺紋桿12跟隨電機11軸同步轉(zhuǎn)動；螺紋桿12通過光學(xué)鏡頭組2外殼上的螺紋 孔13，當(dāng)控制信號驅(qū)動電機11轉(zhuǎn)動時，光學(xué)鏡頭組2整體跟隨螺紋桿12的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生軸向移 動，從而調(diào)整像距實現(xiàn)聚焦?；?兩側(cè)各安裝固定一根導(dǎo)向桿14和15，導(dǎo)向桿14和15 前端通過光學(xué)鏡頭組2外殼兩側(cè)的導(dǎo)向孔16和17，當(dāng)電機11驅(qū)使光學(xué)鏡頭組2前后移動 時，導(dǎo)向桿14和15保證光學(xué)鏡頭組2移動方向不偏離軸心。如圖5所示，本發(fā)明的電路模塊包括熱電溫度穩(wěn)定器溫控電路18，A/D采集電路 19，F(xiàn)PGA模塊20，D/A轉(zhuǎn)換模塊21，視頻信號模塊22，RAM模塊23，F(xiàn)LASH模塊24，DSP模塊 25，RS232通訊模塊26，對焦電路模塊27和位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊28。其中熱電溫 度穩(wěn)定器溫控電路18，A/D采集電路19，F(xiàn)PGA模塊20，D/A轉(zhuǎn)換模塊21，視頻信號模塊22， RAM模塊23，F(xiàn)LASH模塊24和DSP模塊25組成了熱成像電路模塊。熱成像電路模塊中的 熱電溫度穩(wěn)定器溫控電路18采用了 ADN8830集成電路，它與非制冷紅外焦平面3相連，作 用是控制非制冷紅外焦平面3的溫度在最佳溫度附近。非制冷紅外焦平面3的探測元輸出 信號連接到A/D采集電路19上，A/D采集電路19的具體型號為AD9240，它將非制冷紅外焦 平面3上各個探測元的輸出電壓Vy轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳送至FPGA模塊20。FPGA模塊20 有兩個作用，一是對A/D采集電路19送來的數(shù)字信號進行初步的信號調(diào)理后送入RAM模塊 23中，二是為非制冷紅外焦平面3提供正確的時鐘脈沖。FLASH模塊24內(nèi)存儲了程序和測 量溫度所需要的所有參數(shù)，紅外熱像儀系統(tǒng)啟動后程序和參數(shù)被加載到DSP模塊25中。位 移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊28從位移傳感器5中檢測電壓信號VM，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號傳送至DSP模塊25，DSP模塊25利用Vm、、」和內(nèi)置于FLASH模塊24中的參數(shù)計算各個 像素點的溫度值。DSP模塊25還與對焦電路模塊27相連，以控制電機11動作使紅外熱像 儀對被測目標(biāo)正確聚焦。FPGA模塊20從RAM模塊23取出經(jīng)過處理的熱像數(shù)據(jù)，送至
如圖6所示，所述的位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊28包括AD598單片式線位移差 動變壓器信號調(diào)節(jié)器、運算放大電路0PA177和AD轉(zhuǎn)換芯片AD7887 ；原邊線圈繞組兩端分 別與AD598的輸出端EXC1和EXC2相連，副邊線圈繞組兩端分別與AD598的輸入端VA和VB 相連，AD598的信號輸出端與運算放大電路0PA177輸入端相連，運算放大電路0PA177的輸 出端與AD7887的模擬輸入端相連，AD7887的數(shù)字輸出端和控制端與DSP模塊25相連。本發(fā)明步驟如下a)調(diào)整熱像儀的光學(xué)鏡頭組2位置，使熱像儀對被測目標(biāo)聚焦；b)通過焦平面電路模塊采集非制冷紅外焦平面3中的iX j個探測元上的電壓信 號、」，通過位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊28測量位移傳感器5的輸出電壓\ ；c) DSP模塊25利用內(nèi)置在FLASH模塊24中的標(biāo)定參數(shù)k和b，將VM換算成熱像 儀光學(xué)鏡頭組的像距1’，d)用\’ j和VM計算各個像素點的溫度T :具體計算公式如下
式中變量、」為焦平面上的探測元響應(yīng)電壓」；i, j為像素坐標(biāo)；1，為像距；式中常數(shù)f為光學(xué)鏡頭組的物方焦距；f ’為像方焦距；為隊光學(xué)鏡頭組直徑；Dd 為非制冷紅外焦平面上單個探測元直徑；M、N為熱像圖的像素行、列數(shù)；C和n為與非制冷 焦平面材料相關(guān)的常數(shù)；這些常數(shù)均內(nèi)置于程序中。位移傳感器5在其量程內(nèi)被測位移d與輸出電壓\呈線性，即d = kVM+b的關(guān)系。本發(fā)明是可實時測量鏡頭像距值以補償失真的紅外熱像儀。
轉(zhuǎn)換模塊21，D/A轉(zhuǎn)換模塊21為集成電路ADV7123，它將熱像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，再送至 視頻信號模塊22生成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號。
權(quán)利要求
一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的裝置，包括殼體(1)、安裝在殼體中心的光學(xué)鏡頭組(2)、安裝在基板(9)上的非制冷紅外焦平面(3)和電機(11)、熱成像電路模塊、對焦機構(gòu)和對焦電路模塊(27)；其特征在于在基板上安裝基于差動互感器原理的位移傳感器(5)，所述位移傳感器(5)從內(nèi)到外依次包括鐵芯、原副邊線圈繞組和屏蔽殼(6)，滑動桿(7)一端與鐵芯相連，另一端與光學(xué)鏡頭組(2)外殼相連，位移傳感器(5)的屏蔽殼(6)安裝在基板(9)上，原副邊線圈繞組與位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊(28)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的裝置，其特征在于所述 的位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊(28)包括AD598單片式線位移差動變壓器信號調(diào)節(jié)器、運 算放大電路0PA177和AD轉(zhuǎn)換芯片AD7887 ；原邊線圈繞組兩端分別與AD598的輸出端EXCl 和EXC2相連，副邊線圈繞組兩端分別與AD598的輸入端VA和VB相連，AD598的信號輸出 端與運算放大電路0PA177輸入端相連，運算放大電路0PA177的輸出端與AD7887的模擬輸 入端相連，AD7887的數(shù)字輸出端和控制端與DSP模塊(25)相連。
3.按權(quán)利要求1所述裝置的一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的方法，其特征在于該方 法的步驟如下a)調(diào)整熱像儀的光學(xué)鏡頭組(2)位置，使熱像儀對被測目標(biāo)聚焦；b)通過熱成像電路模塊采集非制冷紅外焦平面(3)中的iXj個探測元上的電壓信號 Viij，通過位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊(28)測量位移傳感器(5)的輸出電壓VM;c)DSP模塊(25)利用內(nèi)置在FLASH模塊(24)中的標(biāo)定參數(shù)k和b，將Vm換算成熱像 儀光學(xué)鏡頭組的像距1’，d)用Viij和Vm計算各個像素點的溫度T:具體計算公式如下 其中 式中變量=Vy為焦平面上的探測元響應(yīng)電壓Vy ；i, j為像素坐標(biāo)；1’為像距；式中常數(shù)f為光學(xué)鏡頭組的物方焦距；f ’為像方焦距；為隊光學(xué)鏡頭組直徑；Dd為非 制冷紅外焦平面上單個探測元直徑；M、N為熱像圖的像素行、列數(shù)；C和η為與非制冷焦平 面材料相關(guān)的常數(shù)；這些常數(shù)均內(nèi)置于程序中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的方法，其特征在于所述 的位移傳感器(5)在其量程內(nèi)被測位移d與輸出電壓Vm呈線性，即d = kVM+b的關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高紅外熱像儀測溫均勻性的裝置及方法。包括安裝在殼體中心的光學(xué)鏡頭組、安裝在基板上的非制冷紅外焦平面和電機、熱成像電路模塊、對焦機構(gòu)和對焦電路模塊；在基板上安裝基于差動互感器原理的位移傳感器，它從內(nèi)到外依次包括鐵芯、原副邊線圈繞組和屏蔽殼，滑動桿一端與鐵芯相連，另一端與光學(xué)鏡頭組外殼相連，原副邊線圈繞組與位移傳感器驅(qū)動檢測電路模塊相連。由于增加了基于互感器原理的位移傳感器及其驅(qū)動處理電路，并利用聚焦后的焦平面和位移傳感器的響應(yīng)電壓為依據(jù)計算熱像中各像素點的溫度值。本發(fā)明在測量溫度同時可以測量鏡頭的像距值，進而對斜光束造成的熱像誤差進行補償，獲得更加準(zhǔn)確的溫度場測量結(jié)果。
文檔編號G01J5/10GK101852650SQ20101016412
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者孫堅, 富雅瓊, 徐紅偉, 鄭恩輝, 鐘紹俊, 陳樂 , 黃艷巖 申請人:中國計量學(xué)院