CCD測溫裝置

《CCD測溫裝置》是合肥金星機電科技發展有限公司於2012年1月4日申請的專利，該專利申請號為201210000302X，公布號為CN102538983A，公布日為2012年7月4日，發明人是吳華峰、張啟運、魏慶農、蔡永厚、劉洪平。

《CCD測溫裝置》包括入光端指向檢測被測視場的由保護筒圍護的高溫鏡頭，高溫鏡頭的出光端設定有分光鏡，分光鏡分出兩路光線分別輸出至比色探頭和近紅外CCD攝像機，所述的比色探頭和近紅外CCD攝像機測得的信號傳輸至處理器，處理器處理得整個視場內的溫度。因為在該裝置中使用的比色探頭是紅外測溫探頭，比色探頭測溫使用的是比色測溫方法，可消除所有環境因素對溫度測量的影響，測量範圍大。

2016年1月，《CCD測溫裝置》獲得安徽省第四屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《CCD測溫裝置》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：CCD測溫裝置
• 公布號：CN102538983A
• 公布日：2012年7月4日
• 申請號：201210000302X
• 申請日：2012年1月4日
• 申請人：合肥金星機電科技發展有限公司
• 地址：安徽省合肥市高新區天智路23號
• 發明人：吳華峰、張啟運、魏慶農、蔡永厚、劉洪平
• 專利代理機構：合肥誠興智慧財產權代理有限公司
• 代理人：湯茂盛
• Int.Cl.：G01J5/60(2006.01)I、G01J5/60
• 類別：發明專利

專利背景

溫度測量在工農業生產及日常生活中極為常見，一般環境下採用溫度計，特殊環境下的溫度測量則需要依賴特殊的設備或裝置，例如，高溫環境的加熱爐、冶煉爐中的溫度測量多藉助CCD測溫裝置。

2012年1月之前的技術中既有用一隻CCD的溫度測量系統，也有用兩隻CCD，所用的基本原理都是基於黑體輻射基礎上的。

對於一隻近紅外CCD的溫度測量系統來講，一般是在CCD上加裝紅外濾光片，得到近紅外的黑白圖像。因為CCD的光譜回響在0.4～1.1微米之間，0.4～0.76微米為可見光段，近紅外圖像只是目標0.8～1.1微米的黑白圖像。根據黑體輻射原理，目標的溫度與圖像中像素的亮度成正比。在實驗室內利用高溫黑體對系統進行溫度與亮度的校準，這樣在實際使用中就可以根據實測的目標亮度換算成溫度。

一隻近紅外CCD的溫度測量系統的缺點是精度無法保證。因為測溫是建立在黑體輻射的基礎上，而現實中所測目標都不是理想的黑體。在實驗室中是按照黑體來校準溫度的，但實測目標並非黑體，這樣就不可避免地帶來了偏差，這個偏差無法校正。另外環境的變化對測量結果影響很大，因為此種方法僅僅是根據圖像亮度來確定目標的溫度，如果測溫環境中有煙霧、水蒸汽存在，將影響圖像的亮度，而且觀察點與目標之間介質的光吸收係數、被測目標的黑度都對得到的圖像亮度產生影響。這個缺陷在此類測量中是不可克服的。溫度測量範圍有限，由於是通過CCD的亮度來確定溫度，這樣CCD相機的自動光圈功能必須關閉，否則無法得到統一標準的亮度值，可一旦關閉CCD相機的自動光圈功能，CCD的動態範圍有限，這樣極大的限制了溫度的測量範圍。

另一種是兩隻近紅外的CCD測溫，此類測溫是用了兩隻近紅外的CCD，各自加上了不同紅外波段的濾光片，如一個濾光片的透過波段選為0.85微米，另一個選在0.95微米。在測量時可以得到兩個不同紅外波段的圖像，通過比較兩幅圖像的亮度以及高溫黑體的溫度校準，可以得到被測目標的溫度。名稱為“基於彩色和近紅外雙CCD的圖像測溫探頭”（文獻號CN2697613Y），其技術方案中的兩台CCD攝像機組成高溫圖像探頭5，兩台CCD攝像機中的一台為高溫彩色CCD攝像機3、另一台為高溫近紅外CCD攝像機4，由高溫圖像探頭5獲取的兩路視頻圖像信號（彩色及近紅外圖像信號）在微電腦圖像和數據處理裝置8中經採集後進行色度分析、非線性校正等算法處理，獲取目標全面的溫度信息。

該方案的優點是解決了上述一隻CCD測溫系統的環境影響因素，通過比色的方式，可以基本消除由於環境中煙霧、水蒸汽及介質的光吸收系統、被測目標的黑度對圖像亮度的改變而影響測溫的精度。

該方案的缺點是結構比一隻CCD測溫系統複雜，成本略高。精度無法保證，仍然無法消除由於被測目標不是黑體而帶來的影響，因為溫度是在實驗室用黑體標定的，如若被測目標不是理想黑體，在實際使用時仍然會對測量的溫度帶來偏差。溫度測量範圍有限，儘管可以通過比色的方法來得到兩隻CCD的相對亮度，但是無法將兩隻CCD的自動光圈同步，在使用中仍然必須關閉自動光圈功能。

發明內容

專利目的

《CCD測溫裝置》的目的是提供一種測溫裝置，旨在快速準確地測量待測量溫度場中各點的溫度。

技術方案

《CCD測溫裝置》包括入光端指向檢測被測視場的由保護筒圍護的高溫鏡頭，其特徵在於：高溫鏡頭的出光端設定有分光鏡，分光鏡分出兩路光線分別輸出至比色探頭和近紅外CCD攝像機，所述的比色探頭和近紅外CCD攝像機測得的信號傳輸至處理器，處理器處理得整個視場內的溫度。

改善效果

因為在該裝置中使用的比色探頭是紅外測溫探頭，比色探頭測溫使用的是比色測溫方法，可消除所有環境因素對溫度測量的影響。測量範圍大，在裝置中由於是用專用的比色探頭來得到參考點的溫度，其它區域的溫度通過近紅外CCD攝像機測得的相對亮度得到溫度，這樣近紅外CCD攝像機自動光圈功能無需關閉，只要在比色探頭的溫度測量範圍內，通過自動光圈的調節，都可以得到被測區域內的溫度。而比色探頭的測溫範圍是比較大的，如Raytek的近紅外比色測溫探頭，測溫範圍可從600℃～3000℃，比色探頭還具有高精度（滿量程的±0.75%），高重複性（滿量程的±0.3%），高溫度解析度（1℃）。

附圖說明

圖1是《CCD測溫裝置》的結構示意圖。

權利要求

1. 《CCD測溫裝置》包括入光端指向檢測被測視場的由保護筒圍護的高溫鏡頭（10），其特徵在於：高溫鏡頭（10）的出光端設定有分光鏡（20），分光鏡（20）分出兩路光線分別輸出至比色探頭（30）和近紅外CCD攝像機（40），所述的比色探頭（30）和近紅外CCD攝像機（40）測得的信號傳輸至處理器，處理器處理得整個視場內的溫度；近紅外CCD攝像機（40）採集獲得被測視場內近紅外的黑白圖像，比色探頭（30）測量被測視場中參考點的溫度，通過該參考點測得的溫度以及該參考點亮度與圖像上其它點亮度的相對比較得到整個被測視場內各點的溫度。

2. 根據權利要求1所述的CCD測溫裝置，其特徵在於：分光鏡（20）為半透半反鏡，射入該分光鏡（20）的光線一路經透射至比色探頭（30），另一路經反射至近紅外CCD攝像機（40）。

3. 根據權利要求1所述的CCD測溫裝置，其特徵在於：所述的比色探頭（30）的旁側設定高溫彩色CCD攝像機（70），所述的比色探頭（30）的進口端設定半透半反鏡（60），射入半透半反鏡（60）的光線一路經透射至比色探頭（30），另一路經反射至高溫彩色CCD攝像機（70）。根據權利要求3所述的CCD測溫裝置，其特徵在於：所述的高溫彩色CCD攝像機（70）的進光端設定反光鏡（80），反光鏡（80）接收射入半透半反鏡（60）的反射光為入射光，並將反射光指向高溫彩色CCD攝像機（70）。

實施方式

結合圖1，CCD測溫裝置包括入光端指向檢測被測視場的由保護筒圍護的高溫鏡頭10，高溫鏡頭10的出光端設定有分光鏡20，分光鏡20分出兩路光線分別輸出至比色探頭30和近紅外CCD攝像機40，所述的比色探頭30和近紅外CCD攝像機40測得的信號傳輸至處理器，處理器處理得整個視場內的溫度。

近紅外CCD攝像機40採集獲得被測視場內近紅外的黑白圖像，比色探頭30測量被測視場中參考點的溫度，通過該參考點測得的溫度以及該參考點亮度與圖像上其它點亮度的相對比較得到整個被測視場內各點的溫度。

分光鏡20為半透半反鏡，射入該分光鏡20的光線一路經透射至比色探頭30，另一路經反射鏡50反射至近紅外CCD攝像機40。選用半透半反鏡對光線進行分光，既能滿足分光的作用又有利於節約空間、簡化結構。

所述的比色探頭30的旁側設定高溫彩色CCD攝像機70，所述的比色探頭30的進口端設定半透半反鏡60，射入半透半反鏡60的光線一路經透射至比色探頭30，另一路經反射至高溫彩色CCD攝像機70。

所述的高溫彩色CCD攝像機70的進光端設定反光鏡80，反光鏡80接收射入半透半反鏡60的反射光為入射光，並將反射光指向高溫彩色CCD攝像機70。所述的高溫彩色CD攝像機70採集到的信號可以直接顯示器予以顯示，便於對視場環境的觀察。

該發明提供的測溫裝置最大優點在於對視場內的溫度是直接測量的。比色探頭30可以實時得到溫度場中某一點的溫度，再通過該點的溫度和近紅外圖像中的相對亮度就可以得到整個視場內的溫度。而其它方法都是通過在實驗室內的黑體校準來得到某一點的溫度，再通過該點的溫度和近紅外圖像的相對亮度來得到整個視場內的溫度。由於在實驗室是用黑體來校準溫度，與現場的使用環境差別很大，這樣就不可避免地帶來了溫度測量的誤差，而使用比色探頭可以直接得到被測目標點的溫度，從而有效地避免了由於現場環境與理想黑體之間的差異帶來的溫度測量的誤差。

另一個優點是溫度是實時測量值，通過近紅外圖像上的相對亮度來得到整個視場內的溫度場，這樣近紅外CCD攝像機的光圈是可以自動調節的，以得到最佳的亮度值，這不會影響溫度測量的結果，擴大了整套系統測量溫度的動態範圍。而單個CCD系統的光圈是不能自動調節的，如果光圈變了，那么想對的亮度值就變了，這就需要重新用黑體標定才行。對不同波段雙CCD系統來說，兩個CCD的光圈調節是不一樣的，如果光圈可以自動調節，那么兩個CCD的相對亮度將發生變化，這也需要重新用黑體標定才行。所以無論對單CCD和雙CCD系統來說，自動光圈功能都是必需關閉的，這將極大地限制了系統的溫度測量範圍。

榮譽表彰

2016年1月，《CCD測溫裝置》獲得安徽省第四屆專利獎優秀獎。