专利名称：一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法
技术领域：
本发明属于探测器光学性能测试技术领域，涉及一种探测器光斑尺寸的测量方法，具体涉及一种用于列车轴温探测的多元红外探测器光斑尺寸的测量方法。
背景技术：
光斑尺寸是指红外探测器中的每个红外线敏感元件能够实际感受到的红外热源的面积；在单元(只有一个敏感元件)的探测器中，光斑尺寸就是视场角的大小。目前，用于铁路轴温探测的探测器多为单元红外探测器。对于该探测器光斑尺寸的测试测量，目前很少有准确快捷的测量方法，更鲜有相关的文献描述。在需要知道光斑的尺寸信息时，通常的做法是将探测器中心对准黑体的几何中心，用一系列挡板(中心挖有不同尺寸的圆孔)挡在黑体和探测器之间；黑体辐射光透过圆孔入射到探测器产生响应信号，如果遮挡后的信号与遮挡前相比减弱20%左右，就认为挡板圆孔的尺寸为光斑尺寸。该方法具有许多明显缺陷和不足。首先，误差大。用于遮挡的挡板尺寸固定，只能粗略估计出光斑尺寸与哪个圆孔相近，而不能准确判断光斑的大小。其次，可操作性差。测量时要保证探测器光斑中心和挡板中心重合，而光斑中心不可见，测量时很难保证中心重合；而稍有偏差就会导致响应信号有明显的衰减，产生误差。而且，该方法只能用于单元探测器光斑测量，对于多元探测器的多个光斑，该方法的测试难度会更大。

发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，能准确的测量出光斑的尺寸，精度至少能达到0. 5cm的量级，明显提高了测量精度，且本发明测量方法简单快捷，不仅能测得光斑的尺寸，还得测得探测器的光斑中心位置和总体视场角。本发明提出一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法包括以下几个步骤步骤一将探测器放置在测试平台T型导轨的B导轨上，并调整探测器方向，使探测器灵敏面的法线与B导轨平行，将黑体放置在A导轨上刻度尺的0刻度位置，0刻度位于 A导轨的一侧，A导轨和B导轨保持垂直。步骤二 调整探测器在B导轨上的位置，将探测器设定在距A导轨垂直距离50 IOOcm的位置，同时调整探测器与黑体的高度，使两者的中心保持在同一水平高度。步骤三开启黑体，设定黑体温度为100°C 120°C，开启探测器，接收响应信号。步骤四将黑体沿A导轨平行移动，从0刻度逐渐增大的刻度方向移动，每次移动单位距离，黑体与探测器的相对距离由逐渐渐近后转变为逐渐渐远，并利用数据采集卡记录每次移动黑体时，探测器在相应黑体位置的响应信号。步骤五当黑体在水平导轨上连续移动3 5以上的单位距离，而探测器无明显响应信号时，停止黑体移动，通过数据采集卡记录并显示的各个黑体位置下的响应信号。
步骤六将得到的响应信号与对应的黑体位置进行绘图，得到响应信号-黑体位置图，横坐标为黑体在A导轨上与0刻度的距离，纵坐标为探测器的响应信号。步骤七分析响应信号-黑体位置图，光斑的尺寸为曲线由平稳转为上升的拐点至曲线由上升转为平稳的拐点之间的横向距离；也等于曲线由平稳转为下降的拐点至曲线由下降转为平稳的拐点之间的横向距离。本发明具有的优点在于(1)本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，能准确的测量出光斑的尺寸，精度至少能达到0. 5cm的量级，明显提高了测量精度。(2)本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，测量方法简单快捷，整个测试过程可在10分钟内完成。(3)本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，信息量丰富不仅能测得光斑的尺寸，还得测得探测器的光斑中心位置和总体视场角。


图I-A 本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法所使用的测试平台的结构示意图；图I-B 本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法所使用的测试平台的俯视图；图I-C 本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法所使用的测试平台的侧视图；图2 本发明中测量方法的原理说明图；图3 应用本发明所进行测量的原始数据图；图4 应用本发明测量的光斑直径比与理论值的比较图；图5 应用本发明测量的探测器总体视场角示意图。图中1-探测器；2-黑体；3-A导轨；4-B导轨。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，具体包括以下几个步骤步骤一将探测器1放置在测试平台T型导轨的B导轨4上，并调整探测器1方向， 使探测器1灵敏面的法线与B导轨4平行，将黑体2放置在A导轨3上刻度尺的0刻度位置，0刻度位于A导轨3的一侧，A导轨3和B导轨4保持垂直，如图1-A、I-B和I-C所示。步骤二 调整探测器1在B导轨4上的位置，将探测器1设定在距A导轨3垂直距离50 IOOcm的位置。同时调整探测器1与黑体2的高度，使两者的中心保持在同一水平尚度。步骤三开启黑体2，设定黑体2温度为100°C 120°C，开启探测器1，接收响应信号。步骤四将黑体2沿A导轨3平行移动，从0刻度逐渐增大的刻度方向移动，每次移动单位距离(单位距离优选为0. 2cm 0. 5cm)，黑体2与探测器1的相对距离由逐渐渐近后转变为逐渐渐远，并利用数据采集卡记录每次移动黑体2时，探测器1在相应黑体2位置的响应信号。响应信号通过数据采集卡传入计算机中进行保存和显示。步骤五当黑体2在A导轨3上连续移动3 5以上的单位距离，而探测器1无明显响应信号时，停止黑体2移动，通过数据采集卡记录并显示的各个黑体2位置下的响应信号。步骤六将得到的响应信号与对应的黑体2位置进行绘图，得到响应信号-黑体位置图，如图2所示，横坐标为黑体2在A导轨3上与0刻度的距离(即光斑中心在B导轨4 的刻度值)，纵坐标为探测器1的响应信号。步骤七分析响应信号-黑体位置图，由于黑体2在B导轨4上连续移动，探测器 1光斑会接收到来自黑体2的辐射能量，随着黑体2的靠近，光斑进入黑体2辐射范围，探测器1感应到黑体2辐射能量从而响应信号开始升高。随黑体2的连续移动，光斑进入黑体2的面积逐渐增大，感应到的黑体2能量也逐渐增多，响应信号也会相应的增强；当光斑完全进入黑体2时，响应值达到峰值；然后随着黑体2移动，响应信号保持不变；然后黑体2 移动，光斑离开黑体2的辐射范围，响应信号逐渐减小。因此光斑的尺寸为曲线由平稳转为上升的拐点(即图2中的A点)至曲线由上升转为平稳的拐点(即图2中的B点)之间的横向距离(即上升沿宽度)；也等于曲线由平稳转为下降的拐点(即图2中的C点)至曲线由下降转为平稳的拐点(即图2中的D点)之间的横向距离(即下降沿宽度)。上升沿或下降沿的宽度即为光斑直径尺寸。对探测器1的光斑指标没有十分精确的要求，可以通过人工采点的方式确定光斑尺寸大小。如图2所示，数据是每隔0. 5cm单位距离测得的数据曲线，可以发现，每隔0. 5cm 单位距离，探测器1的信号响应变化明显，能判断出曲线拐点，所以人工采点的结果误差也不会超过0. 5cm。如果需要更加准确的结果可以采取更紧密的采点，即能够提高测量精度。对本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器1光斑尺寸的测量方法进行可靠性验证(1)因为红外探测器1光斑本身不可见，一般情况下光斑尺寸也是未知的，所以很难找到直接验证所测光斑尺寸是否准确的方法。但是可以通过用该方法测量已知物体的长度，来验证该测量方法的准确性。在本发明中测得的响应信号与黑体位置关系的数据曲线中不仅包含着光斑尺寸的信息，也同时包含了其他物体的尺寸信息(如黑体2直径)，这为我们验证该方法的准确性提供了参考。图2中的曲线是对单元探测器1 ( 一个探测器1中只有一个感光元件)进行光斑测量的结果。测试时，将被测探测器1置于黑体2辐射源的光轴上，使辐射信号垂直入射到被测探测器1上。因为黑体2的直径是已知的10cm，而图2 中响应信号曲线由平稳到开始上升的拐点与平稳到开始下降的拐点之间的间距(即图2中 A点至C点的横向距离)正好对应着黑体2的直径(已在图中标明)。从数据曲线中读出该段距离是9. 88cm,与黑体2直径IOcm仅有0. 12cm的差距，误差仅有1.2%。经过多组数据测量，最大误差为0. 33cm，平均误差0. Mcm，说明该测量方法的具有足够的测量精度，误差保守估计应在0. 5cm以内。(2)如图3所示，对一种新研发的四元(一个探测器1具有四个感光元件)红外轴温探测器进行测试的结果。由于该探测器1有四个感光元件，即有四个光斑，所以图3中有四条曲线，每条曲线有上升沿和下降沿，上升沿和下降沿均能反映光斑直径尺寸，所以通过该数据能算得2X4 = 8个光斑直径尺寸数据。如表1 3所示的在黑体2距探测器1不同距离下测得的光斑直径尺寸。由于光斑所在光路成呈圆锥状，根据几何关系，光斑离探测器1越近光斑越小，离探测器1越远光斑越大，并随该距离按比例变化。当探测器1距离A导轨3的垂直距离为80cm处的光斑直径尺寸(非面积)与探测器1距离A导轨3的垂直距离为IOOcm处的光斑直径尺寸之比应该是80 100即0.8;同样探测器1距离A导轨3的垂直距离为65cm处的光斑的直径与探测器1距离A导轨3的垂直距离为IOOcm处的光斑直径尺寸之比应该是65 100即 0. 65。根据表1、表2和表3中的数据分别计算出探测器1光斑直径尺寸之比，如图4所示， 可以看到探测器1距离A导轨3的垂直距离为80cm时和探测器1距离A导轨3的垂直距离为IOOcm时的光斑直径尺寸之比在0.8上下浮动，均方差为0. 035，65cm处和IOOcm处的光斑直径尺寸之比在0. 65上下浮动，均方差为0. 034。该数据能较好的符合了上述的几何关系。如果该测量方法不够准确，那么测得的光斑直径之比不可能满足该几何关系，更不可能表现出如此好的数据一致性。这从一个侧面说明了该光斑测定方法的可靠性和准确性。表1 探测器距离A导轨的垂直距离为IOOcm时光斑尺寸数据
权利要求
1.一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，其特征在于包括以下几个步骤步骤一将探测器放置在测试平台T型导轨的B导轨上，并调整探测器方向，使探测器灵敏面的法线与B导轨平行，将黑体放置在A导轨上刻度尺的0刻度位置，0刻度位于A导轨的一侧，A导轨和B导轨保持垂直；步骤二 调整探测器在B导轨上的位置，将探测器设定在距A导轨垂直距离50 IOOcm 的位置，同时调整探测器与黑体的高度，使两者的中心保持在同一水平高度；步骤三开启黑体，设定黑体温度为100°C 120°C，开启探测器，接收响应信号； 步骤四将黑体沿A导轨平行移动，从0刻度逐渐增大的刻度方向移动，每次移动单位距离，黑体与探测器的相对距离由逐渐渐近后转变为逐渐渐远，并利用数据采集卡记录每次移动黑体时，探测器在相应黑体位置的响应信号；步骤五当黑体在水平导轨上连续移动3 5以上的单位距离，而探测器无明显响应信号时，停止黑体移动，通过数据采集卡记录并显示的各个黑体位置下的响应信号；步骤六将得到的响应信号与对应的黑体位置进行绘图，得到响应信号-黑体位置图， 横坐标为黑体在A导轨上与0刻度的距离，纵坐标为探测器的响应信号；步骤七分析响应信号-黑体位置图，光斑的尺寸为曲线由平稳转为上升的拐点至曲线由上升转为平稳的拐点之间的横向距离；也等于曲线由平稳转为下降的拐点至曲线由下降转为平稳的拐点之间的横向距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，其特征在于所述的单位距离为0. 2cm 0. 5cm。
3.根据权利要求1所述的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，其特征在于所述的响应信号-黑体位置图的响应信号曲线的对称中心为光斑中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，其特征在于所述的探测器的总体视场角θ = 2arCtan(D/2L)，其中D为相距最远的两个光斑的中心间距，L为探测器距离导轨A的垂直距离。
全文摘要
本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，具体包括步骤一将探测器和黑体设置在T型导轨上；步骤二调整探测器与黑体中心的高度；步骤三开启黑体和探测器，接收响应信号；步骤四连续移动黑体，记录相应信号；步骤五当无响应信号时，停止移动黑体；步骤六将响应信号与对应的黑体位置进行绘图；步骤七得到光斑尺寸。本发明提出的一种用于多元红外线轴温探测器光斑尺寸的测量方法，能准确的测量出光斑的尺寸，精度至少能达到0.5cm的量级，明显提高了测量精度，且本发明的测量方法简单快捷，信息量丰富，能够得出探测器光斑在不同方向上的尺寸。
文档编号G01M11/02GK102353521SQ20111015734
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者毕方勇, 熊伟, 王勇, 董烁, 马丁 申请人:北京康拓红外技术股份有限公司