专利名称：提高红外热像仪测温均匀性的装置及方法
技术领域：
本发明涉及测量温度的方法及装置，具体涉及一种提高红外热像仪测温均勻性的 装置及方法。
背景技术：
红外热成像技术的原理是通过非制冷焦平面等传感器接收被测物发射出的红外 辐射，从而测得被测物表面的温度分布。由于其直观、非接触性等特点，被广泛地应用于医 疗诊断、故障监测、管道探伤等领域。除了监控功能，红外热像仪也天然是一种测温工具。它 的优点是可直接测量具有一定面积的二维温度场，而热电偶、热电阻等传统温度传感器只 能测量单点的温度。尽管红外热像仪可以测量温度场，目前却无法达到较高的测量准确度，其中一个 重要问题是各个像素点测量误差分布不均勻。有三个原因造成了这种情况一、由于红外 探测器的制造工艺问题，无法保证焦平面上的所有探测元都具有完全相同的响应特性，这 种非均勻性导致红外热像上存在固定的噪声图案，反映在测温结果上就是不均勻的固定误 差。采用黑体校准的方法可以补偿这种非均勻性，而未决专利CN 200710192272则提出了 一种实时定标装置大大简化了标定的步骤；二、由于光学系统中光阑、光孔等的遮挡作用， 一部分轴外光束无法被红外探测器接收到，以致探测器接收能量不均勻，这种现象称为“渐 晕”，文献《红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算》(红外技术，2006年28卷 第2期)对这种现象进行了说明。这种误差的补偿因子可以根据热像仪本身的结构参数计 算出来；三、斜光束入射光学系统时，随着入射角的增大，探测器上的照度逐渐变小，如果按 照文献《红外热像仪测温计算与误差分析》(红外技术，1999年21卷第4期)所述的热像 仪常用公式计算时，会发生越靠图像边缘误差越大的情况。上述三种现象中，前两种只和热像仪的结构参数有关，已有比较好的方法进行补 偿。但是第三种误差除了固定的结构参数，还和热像仪工作时的动态参数——像距、物距相 关，因而现有的热像仪装置还未能克服这种非均勻性误差的影响。

发明内容
针对目前红外热成像技术测量二维温度场的非均勻性问题，本发明的目的于提供 一种提高红外热像仪测温均勻性的装置及方法，以改善背景技术中因第三类非均勻性引起 的测量误差。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一、一种提高红外热像仪测温均勻性的装置包括壳体、安装在壳体中心的光学镜头组、安装在基板上的非制冷红外焦平面和 电机、热成像电路模块、对焦机构和对焦电路模块；在基板上安装基于差动互感器原理的位 移传感器，所述位移传感器从内到外依次包括铁芯、原副边线圈绕组和屏蔽壳，滑动杆一端 与铁芯相连，另一端与光学镜头组外壳相连，位移传感器的屏蔽壳安装在基板上，原副边线圈绕组与位移传感器驱动检测电路模块相连。所述的位移传感器驱动检测电路模块包括AD598单片式线位移差动变压器信号 调节器、运算放大电路0PA177和AD转换芯片AD7887 ；原边线圈绕组两端分别与AD598的输 出端EXC1和EXC2相连，副边线圈绕组两端分别与AD598的输入端VA和VB相连，AD598的 信号输出端与运算放大电路0PA177输入端相连，运算放大电路0PA177的输出端与AD7887 的模拟输入端相连，AD7887的数字输出端和控制端与DSP模块相连。二、一种提高红外热像仪测温均勻性的方法，其特征在于该方法的步骤如下a)调整热像仪的光学镜头组位置，使热像仪对被测目标聚焦；b)通过热成像电路模块采集非制冷红外焦平面中的iX j个探测元上的电压信号 Vi, J,通过位移传感器驱动检测电路模块测量位移传感器的输出电压\ ；c)DSP模块利用内置在FLASH模块中的标定参数k和b，将VM换算成热像仪光学 镜头组的像距1’，d)用和VM计算各个像素点的温度T:具体计算公式如下 其中 式中变量…,」为焦平面上的探测元响应电压Vy ；i, j为像素坐标；1，为像距；式中常数f为光学镜头组的物方焦距；f’为像方焦距；为队光学镜头组直径；Dd 为非制冷红外焦平面上单个探测元直径；M、N为热像图的像素行、列数；C和n为与非制冷 焦平面材料相关的常数；这些常数均内置于程序中。所述的位移传感器在其量程内被测位移d与输出电压\呈线性，即d = kVM+b的关系。本发明具有的有益效果是本发明在测量温度同时可以测量镜头的像距值，进而对斜光束造成的热像误差进 行补偿，获得更加准确的温度场测量结果。


图1是本发明的主视局部剖面图。图2是本发明的侧视剖面图。图3是本发明的俯视剖面图。图4是本发明去除外壳后的立体图。图5是本发明的电路结构框图。图6是位移传感器驱动检测电路模块的电路原理图
图中1、外壳，2、红外成像镜头组，3、非制冷红外焦平面，4、对焦装置，5、位移传感 器，6、屏蔽壳，7、滑动杆，8、基座，9、基板，10、连接件，11、电机，12、螺纹杆，13、螺纹孔，14、 导向杆，15、导向杆，16，导向孔，17、导向孔，18、热电温度稳定器温控电路，19、A/D采集电 路，20、FPGA 模块，21、D/A 转换模块，22、视频信号模块，23、RAM，24、FLASH，25、DSP 模块，26、 RS232通讯模块，27、对焦电路模块，28、位移传感器驱动检测电路模块，
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括壳体1、安装在壳体中心的光学镜头组2、 安装在基板9上的非制冷红外焦平面3和电机11、热成像电路模块、对焦机构和对焦电路 模块27 ；外壳内以基板9为界可分前后两部分，其中后半部分空间主要用于放置所有电路 模块。在基板上安装基于差动互感器原理的位移传感器5，所述位移传感器5从内到外依 次包括铁芯、原副边线圈绕组和屏蔽壳6，滑动杆7 —端与铁芯相连，另一端与光学镜头组2 外壳相连，位移传感器5的屏蔽壳6通过基座8安装在基板9上，原副边线圈绕组与位移传 感器驱动检测电路模块28相连。非制冷红外焦平面3安装在基板2的中央位置，前方是与其同轴心安装的光学镜 头组2。电机11安装在基板2的上方，其中心轴与光学镜头组2轴心平行；电机11轴前端 通过连接件10连接一螺纹杆12，连接处套一有螺纹孔的连接件10，连接件10上螺纹孔可 拧入螺钉使螺纹杆12跟随电机11轴同步转动；螺纹杆12通过光学镜头组2外壳上的螺纹 孔13，当控制信号驱动电机11转动时，光学镜头组2整体跟随螺纹杆12的旋转产生轴向移 动，从而调整像距实现聚焦。基板9两侧各安装固定一根导向杆14和15，导向杆14和15 前端通过光学镜头组2外壳两侧的导向孔16和17，当电机11驱使光学镜头组2前后移动 时，导向杆14和15保证光学镜头组2移动方向不偏离轴心。如图5所示，本发明的电路模块包括热电温度稳定器温控电路18，A/D采集电路 19，FPGA模块20，D/A转换模块21，视频信号模块22，RAM模块23，FLASH模块24，DSP模块 25，RS232通讯模块26，对焦电路模块27和位移传感器驱动检测电路模块28。其中热电温 度稳定器温控电路18，A/D采集电路19，FPGA模块20，D/A转换模块21，视频信号模块22， RAM模块23，FLASH模块24和DSP模块25组成了热成像电路模块。热成像电路模块中的 热电温度稳定器温控电路18采用了 ADN8830集成电路，它与非制冷红外焦平面3相连，作 用是控制非制冷红外焦平面3的温度在最佳温度附近。非制冷红外焦平面3的探测元输出 信号连接到A/D采集电路19上，A/D采集电路19的具体型号为AD9240，它将非制冷红外焦 平面3上各个探测元的输出电压Vy转换成数字信号并传送至FPGA模块20。FPGA模块20 有两个作用，一是对A/D采集电路19送来的数字信号进行初步的信号调理后送入RAM模块 23中，二是为非制冷红外焦平面3提供正确的时钟脉冲。FLASH模块24内存储了程序和测 量温度所需要的所有参数，红外热像仪系统启动后程序和参数被加载到DSP模块25中。位 移传感器驱动检测电路模块28从位移传感器5中检测电压信号VM，然后将其转换为数字信 号传送至DSP模块25，DSP模块25利用Vm、、」和内置于FLASH模块24中的参数计算各个 像素点的温度值。DSP模块25还与对焦电路模块27相连，以控制电机11动作使红外热像 仪对被测目标正确聚焦。FPGA模块20从RAM模块23取出经过处理的热像数据，送至
如图6所示，所述的位移传感器驱动检测电路模块28包括AD598单片式线位移差 动变压器信号调节器、运算放大电路0PA177和AD转换芯片AD7887 ；原边线圈绕组两端分 别与AD598的输出端EXC1和EXC2相连，副边线圈绕组两端分别与AD598的输入端VA和VB 相连，AD598的信号输出端与运算放大电路0PA177输入端相连，运算放大电路0PA177的输 出端与AD7887的模拟输入端相连，AD7887的数字输出端和控制端与DSP模块25相连。本发明步骤如下a)调整热像仪的光学镜头组2位置，使热像仪对被测目标聚焦；b)通过焦平面电路模块采集非制冷红外焦平面3中的iX j个探测元上的电压信 号、」，通过位移传感器驱动检测电路模块28测量位移传感器5的输出电压\ ；c) DSP模块25利用内置在FLASH模块24中的标定参数k和b，将VM换算成热像 仪光学镜头组的像距1’，d)用\’ j和VM计算各个像素点的温度T :具体计算公式如下
式中变量、」为焦平面上的探测元响应电压」；i, j为像素坐标；1，为像距；式中常数f为光学镜头组的物方焦距；f ’为像方焦距；为队光学镜头组直径；Dd 为非制冷红外焦平面上单个探测元直径；M、N为热像图的像素行、列数；C和n为与非制冷 焦平面材料相关的常数；这些常数均内置于程序中。位移传感器5在其量程内被测位移d与输出电压\呈线性，即d = kVM+b的关系。本发明是可实时测量镜头像距值以补偿失真的红外热像仪。
转换模块21，D/A转换模块21为集成电路ADV7123，它将热像数据转换成模拟信号，再送至 视频信号模块22生成标准的视频信号。
权利要求
一种提高红外热像仪测温均匀性的装置，包括壳体(1)、安装在壳体中心的光学镜头组(2)、安装在基板(9)上的非制冷红外焦平面(3)和电机(11)、热成像电路模块、对焦机构和对焦电路模块(27)；其特征在于在基板上安装基于差动互感器原理的位移传感器(5)，所述位移传感器(5)从内到外依次包括铁芯、原副边线圈绕组和屏蔽壳(6)，滑动杆(7)一端与铁芯相连，另一端与光学镜头组(2)外壳相连，位移传感器(5)的屏蔽壳(6)安装在基板(9)上，原副边线圈绕组与位移传感器驱动检测电路模块(28)相连。
2.根据权利要求1所述的一种提高红外热像仪测温均勻性的装置，其特征在于所述 的位移传感器驱动检测电路模块(28)包括AD598单片式线位移差动变压器信号调节器、运 算放大电路0PA177和AD转换芯片AD7887 ；原边线圈绕组两端分别与AD598的输出端EXCl 和EXC2相连，副边线圈绕组两端分别与AD598的输入端VA和VB相连，AD598的信号输出 端与运算放大电路0PA177输入端相连，运算放大电路0PA177的输出端与AD7887的模拟输 入端相连，AD7887的数字输出端和控制端与DSP模块(25)相连。
3.按权利要求1所述装置的一种提高红外热像仪测温均勻性的方法，其特征在于该方 法的步骤如下a)调整热像仪的光学镜头组(2)位置，使热像仪对被测目标聚焦；b)通过热成像电路模块采集非制冷红外焦平面(3)中的iXj个探测元上的电压信号 Viij，通过位移传感器驱动检测电路模块(28)测量位移传感器(5)的输出电压VM;c)DSP模块(25)利用内置在FLASH模块(24)中的标定参数k和b，将Vm换算成热像 仪光学镜头组的像距1’，d)用Viij和Vm计算各个像素点的温度T:具体计算公式如下 其中 式中变量=Vy为焦平面上的探测元响应电压Vy ；i, j为像素坐标；1’为像距；式中常数f为光学镜头组的物方焦距；f ’为像方焦距；为队光学镜头组直径；Dd为非 制冷红外焦平面上单个探测元直径；M、N为热像图的像素行、列数；C和η为与非制冷焦平 面材料相关的常数；这些常数均内置于程序中。
4.根据权利要求3所述的一种提高红外热像仪测温均勻性的方法，其特征在于所述 的位移传感器(5)在其量程内被测位移d与输出电压Vm呈线性，即d = kVM+b的关系。
全文摘要
本发明公开了一种提高红外热像仪测温均匀性的装置及方法。包括安装在壳体中心的光学镜头组、安装在基板上的非制冷红外焦平面和电机、热成像电路模块、对焦机构和对焦电路模块；在基板上安装基于差动互感器原理的位移传感器，它从内到外依次包括铁芯、原副边线圈绕组和屏蔽壳，滑动杆一端与铁芯相连，另一端与光学镜头组外壳相连，原副边线圈绕组与位移传感器驱动检测电路模块相连。由于增加了基于互感器原理的位移传感器及其驱动处理电路，并利用聚焦后的焦平面和位移传感器的响应电压为依据计算热像中各像素点的温度值。本发明在测量温度同时可以测量镜头的像距值，进而对斜光束造成的热像误差进行补偿，获得更加准确的温度场测量结果。
文档编号G01J5/10GK101852650SQ20101016412
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月5日 优先权日2010年5月5日
发明者孙坚, 富雅琼, 徐红伟, 郑恩辉, 钟绍俊, 陈乐 , 黄艳岩 申请人:中国计量学院