CN117928399B - 基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器检测技术领域，公开了一种基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法。测量装置包括夹持装置、入射光装置、反射光装置和计算机。入射光源发出的线偏振光经同轴热电偶的测量端面反射后进入检偏片，经过变焦镜头放大后在相机上成像。测量方法利用绝缘层的非金属材质与电极管、电极丝的金属材质不同而导致的偏振光成像特性不同来提高成像对比度，进而将热电偶端面材质差异形成的高梯度灰度边界等效为绝缘层边界，通过偏振度成像定位绝缘层并获取其厚度；还能够通过控制调整光源入射角度、起偏角、检偏角、相机等实现偏振度图像的自动采集和绝缘层厚度的自动计算，进一步确保获取高精度的绝缘层厚度数据。
Description
技术领域
本发明属于传感器检测技术领域，具体涉及一种基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法。
背景技术
同轴热电偶由电极管和表面包裹绝缘漆的电极丝两部分组成，绝缘漆构成绝缘层，电极管和电极丝同轴装配，电极管和电极丝之间通过绝缘层保持绝缘。同轴热电偶是一种温度测量传感器，利用热电效应测量温度，当同轴热电偶两端温度不同时，内部便会产生电动势，电动势的大小与温差成正比。同轴热电偶简单、可靠、价格低廉，具备响应速度快、结构简单、测量精度高等优点，尤其适合动态测量，在工业制造、科学研究、航空航天等领域得到了广泛应用。
同轴热电偶在使用之前需用砂纸打磨其测量端面使得电极管或电极丝的金属碎屑越过绝缘层相互连接而形成热接点，电极管和电极丝之间的热接点在感受瞬态温度变化后形成动态电压信号，此时，电极管、电极丝、热接点及外界设备共同组成通路，并通过电学信号变化进行温度测量。
绝缘层厚度是关乎同轴热电偶的动态响应特性的关键结构参数，测量端面的绝缘层厚度越小测量精度和响应速度越优，在同轴热电偶装配生产过程中，应尽可能地降低绝缘层厚度，从而提升传感器应用质效。因此，如何快速准确测量同轴热电偶测量端面的绝缘层厚度，是同轴热电偶生产过程中质效检验的关键工艺环节和技术难点。
由于同轴热电偶测量端面上各种材料的颜色和亮度不同，以往，根据同轴热电偶测量端面的图像颜色信息，再通过对比转换提取绝缘层厚度。但是，这种方法由于端面漫反射杂光干扰等因素导致测量精度较低。
当前，亟需发展一种基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，用以克服现有技术的缺陷。
本发明的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置，其特点是，所述的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置包括夹持装置、入射光装置、反射光装置和计算机；
夹持装置包括热电偶支架和固定在热电偶支架上的夹具；同轴热电偶固定在夹具上，同轴热电偶的测量端面与同轴热电偶的中心轴线垂直；
入射光装置包括入射光源，在入射光源的入射光光路上依次布置的准直透镜和起偏片；起偏片固定在电动偏振旋转架Ⅰ上，电动偏振旋转架Ⅰ通过旋转架线缆Ⅰ连接旋转架驱动器Ⅰ；包括控制入射光源的光源控制器，光源控制器通过光源控制数据线连接至计算机；还包括控制电动偏振旋转架Ⅰ旋转角度的旋转架驱动器Ⅰ，旋转架驱动器Ⅰ通过旋转架驱动器数据线Ⅰ连接至计算机；
反射光装置包括沿反射光光路上依次布置的检偏片、变焦镜头和相机；检偏片固定在电动偏振旋转架Ⅱ上；相机通过相机数据线连接至计算机；还包括控制电动偏振旋转架Ⅱ旋转角度的旋转架驱动器Ⅱ，电动偏振旋转架Ⅱ通过旋转架线缆Ⅱ连接旋转架驱动器Ⅱ，旋转架驱动器Ⅱ通过旋转架驱动器数据线Ⅱ连接至计算机。
本发明的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，包括以下步骤：
S10.打磨同轴热电偶的测量端面，直至达到预定的粗糙度，同时确保同轴热电偶的测量端面与同轴热电偶的中心轴线垂直；
S20.将同轴热电偶安装在夹具上，调整同轴热电偶的测量端面，使得同轴热电偶的测量端面正对变焦镜头；
S30.设置入射光源的入射角度θ 1；
S40.设置起偏片的偏振角度θ；
S50.打开入射光源，入射光源发出的线偏振光经同轴热电偶的测量端面反射后进入检偏片，经过变焦镜头放大后在相机上成像；
S60.计算机通过PC端软件程控调整检偏片的偏振角度，依次设置检偏片的偏振角度为0°，45°，90°，135°；再通过相机获取四个偏振角度对应的图像数据；最后通过线偏振成像法，采用Matlab软件进行斯托克斯矢量模型计算，得到入射角度θ 1对应的偏振度图像；
S70.在0~30°范围内，步长为5°，依次调整入射光的入射角度θ 1至入射角度θ 2、入射角度θ 3、……、入射角度θ 6，重复S40~S60，相机获取各入射角度和对应的偏振度图像；对比各入射角度下的偏振度图像，取最优偏振度图像；
最优偏振度图像是利用同轴热电偶的金属材料与非金属绝缘层材料的偏振特性不同，定义两种材料的成像对比度最高的偏振度图像为最优偏振度图像，对应的入射角度为最优入射角度；
S80.对于最优偏振度图像，通过物理标尺标定视场，获得最优偏振度图像像素的物理尺寸，再根据最优偏振度图像中绝缘层厚度占据的像素数量，换算出绝缘层厚度，得到同轴热电偶的环形的绝缘层厚度，并通过计算机输出。
进一步地，对于金属材质，所述的起偏片的偏振角度θ为60°。
进一步地，所述的线偏振成像法，包括以下步骤：
S61.根据斯托克斯矢量模型描述偏振信息，公式如下：
，
其中，和/>分别为检偏角0°、45°、90°和135°时采集处理得到的偏振度图像，/>为右旋偏振光，/>为左旋偏振光；S0表示总光强，S1表示检偏角0°和90°之间的线偏振信息，S2表示检偏角45°和135°之间的线偏振信息，S3表示圆偏振信息，S3=0；
S62.对于线偏振光，斯托克斯矢量模型简化为：
，
S63.得到入射角度θ 1对应的偏振度图像：
。
本发明的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法，利用绝缘层的非金属材质与电极管、电极丝的金属材质不同而导致的偏振光成像特性不同来提高成像对比度，进而将热电偶端面材质差异形成的高梯度灰度边界等效为绝缘层边界，通过偏振度成像定位绝缘层并获取其厚度；还能够通过控制调整光源入射角度、起偏角、检偏角、相机等实现偏振度图像的自动采集和绝缘层厚度的自动计算，进一步确保获取高精度的绝缘层厚度数据。
附图说明
图1为本发明的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置示意图；
图2为本发明的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法流程图。
图中，1.入射光源；2.光源控制器；3.准直透镜；4.电动偏振旋转架Ⅰ；5.旋转架驱动器Ⅰ；6.起偏片；7.同轴热电偶；8.夹具；9.热电偶支架；10.相机；11.变焦镜头；12.电动偏振旋转架Ⅱ；13.相机数据线；14.光源控制数据线；15.旋转架驱动器数据线Ⅰ；16.旋转架驱动器数据线Ⅱ；17.计算机；18.检偏片；19.旋转架驱动器Ⅱ；20.旋转架线缆Ⅰ；21.旋转架线缆Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：如图1所示，本实施例的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置包括夹持装置、入射光装置、反射光装置和计算机17；
夹持装置包括热电偶支架9和固定在热电偶支架9上的夹具8；同轴热电偶7固定在夹具8上，同轴热电偶7的测量端面与同轴热电偶7的中心轴线垂直；
入射光装置包括入射光源1，在入射光源1的入射光光路上依次布置的准直透镜3和起偏片6；起偏片6固定在电动偏振旋转架Ⅰ4上，电动偏振旋转架Ⅰ4通过旋转架线缆Ⅰ20连接旋转架驱动器Ⅰ5；包括控制入射光源1的光源控制器2，光源控制器2通过光源控制数据线14连接至计算机17；还包括控制电动偏振旋转架Ⅰ4旋转角度的旋转架驱动器Ⅰ5，旋转架驱动器Ⅰ5通过旋转架驱动器数据线Ⅰ15连接至计算机17；
反射光装置包括沿反射光光路上依次布置的检偏片18、变焦镜头11和相机10；检偏片18固定在电动偏振旋转架Ⅱ12上；相机10通过相机数据线13连接至计算机17；还包括控制电动偏振旋转架Ⅱ12旋转角度的旋转架驱动器Ⅱ19，电动偏振旋转架Ⅱ12通过旋转架线缆Ⅱ21连接旋转架驱动器Ⅱ19，旋转架驱动器Ⅱ19通过旋转架驱动器数据线Ⅱ16连接至计算机17。
如图2所示，本实施例的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，包括以下步骤：
S10.打磨同轴热电偶7的测量端面，直至达到预定的粗糙度，同时确保同轴热电偶7的测量端面与同轴热电偶7的中心轴线垂直；
S20.将同轴热电偶7安装在夹具8上，调整同轴热电偶7的测量端面，使得同轴热电偶7的测量端面正对变焦镜头11；
S30.设置入射光源1的入射角度θ 1；
S40.设置起偏片6的偏振角度θ；
S50.打开入射光源1，入射光源1发出的线偏振光经同轴热电偶7的测量端面反射后进入检偏片18，经过变焦镜头11放大后在相机10上成像；
S60.计算机17通过PC端软件程控调整检偏片18的偏振角度，依次设置检偏片18的偏振角度为0°，45°，90°，135°；再通过相机10获取四个偏振角度对应的图像数据；最后通过线偏振成像法，采用Matlab软件进行斯托克斯矢量模型计算，得到入射角度θ 1对应的偏振度图像；
S70.在0~30°范围内，步长为5°，依次调整入射光的入射角度θ 1至入射角度θ 2、入射角度θ 3、……、入射角度θ 6，重复S40~S60，相机10获取各入射角度和对应的偏振度图像；对比各入射角度下的偏振度图像，取最优偏振度图像；
最优偏振度图像是利用同轴热电偶7的金属材料与非金属绝缘层材料的偏振特性不同，定义两种材料的成像对比度最高的偏振度图像为最优偏振度图像，对应的入射角度为最优入射角度；
S80.对于最优偏振度图像，通过物理标尺标定视场，获得最优偏振度图像像素的物理尺寸，再根据最优偏振度图像中绝缘层厚度占据的像素数量，换算出绝缘层厚度，得到同轴热电偶7的环形的绝缘层厚度，并通过计算机17输出。
进一步地，对于金属材质，所述的起偏片6的偏振角度θ为60°。
进一步地，所述的线偏振成像法，包括以下步骤：
S61.根据斯托克斯矢量模型描述偏振信息，公式如下：
，
其中，和/>分别为检偏角0°、45°、90°和135°时采集处理得到的偏振度图像，/>为右旋偏振光，/>为左旋偏振光；S0表示总光强，S1表示检偏角0°和90°之间的线偏振信息，S2表示检偏角45°和135°之间的线偏振信息，S3表示圆偏振信息，S3=0；
S62.对于线偏振光，斯托克斯矢量模型简化为：
，
S63.得到入射角度θ 1对应的偏振度图像：
。
Claims (3)
1.基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，其特征在于，所述的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法用于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置，所述的偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置包括夹持装置、入射光装置、反射光装置和计算机（17）；
夹持装置包括热电偶支架（9）和固定在热电偶支架（9）上的夹具（8）；同轴热电偶（7）固定在夹具（8）上，同轴热电偶（7）的测量端面与同轴热电偶（7）的中心轴线垂直；
入射光装置包括入射光源（1），在入射光源（1）的入射光光路上依次布置的准直透镜（3）和起偏片（6）；起偏片（6）固定在电动偏振旋转架Ⅰ（4）上，电动偏振旋转架Ⅰ（4）通过旋转架线缆Ⅰ（20）连接旋转架驱动器Ⅰ（5）；包括控制入射光源（1）的光源控制器（2），光源控制器（2）通过光源控制数据线（14）连接至计算机（17）；还包括控制电动偏振旋转架Ⅰ（4）旋转角度的旋转架驱动器Ⅰ（5），旋转架驱动器Ⅰ（5）通过旋转架驱动器数据线Ⅰ（15）连接至计算机（17）；
反射光装置包括沿反射光光路上依次布置的检偏片（18）、变焦镜头（11）和相机（10）；检偏片（18）固定在电动偏振旋转架Ⅱ（12）上；相机（10）通过相机数据线（13）连接至计算机（17）；还包括控制电动偏振旋转架Ⅱ（12）旋转角度的旋转架驱动器Ⅱ（19），电动偏振旋转架Ⅱ（12）通过旋转架线缆Ⅱ（21）连接旋转架驱动器Ⅱ（19），旋转架驱动器Ⅱ（19）通过旋转架驱动器数据线Ⅱ（16）连接至计算机（17）；
所述的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，包括以下步骤：
S10.打磨同轴热电偶（7）的测量端面，直至达到预定的粗糙度，同时确保同轴热电偶（7）的测量端面与同轴热电偶（7）的中心轴线垂直；
S20.将同轴热电偶（7）安装在夹具（8）上，调整同轴热电偶（7）的测量端面，使得同轴热电偶（7）的测量端面正对变焦镜头（11）；
S30.设置入射光源（1）的入射角度θ 1；
S40.设置起偏片（6）的偏振角度θ；
S50.打开入射光源（1），入射光源（1）发出的线偏振光经同轴热电偶（7）的测量端面反射后进入检偏片（18），经过变焦镜头（11）放大后在相机（10）上成像；
S60.计算机（17）通过PC端软件程控调整检偏片（18）的偏振角度，依次设置检偏片（18）的偏振角度为0°，45°，90°，135°；再通过相机（10）获取四个偏振角度对应的图像数据；最后通过线偏振成像法，采用Matlab软件进行斯托克斯矢量模型计算，得到入射角度θ 1对应的偏振度图像；
S70.在0~30°范围内，步长为5°，依次调整入射光的入射角度θ 1至入射角度θ 2、入射角度θ 3、……、入射角度θ 6，重复S40~S60，相机（10）获取各入射角度和对应的偏振度图像；对比各入射角度下的偏振度图像，取最优偏振度图像；
最优偏振度图像是利用同轴热电偶（7）的金属材料与非金属绝缘层材料的偏振特性不同，定义两种材料的成像对比度最高的偏振度图像为最优偏振度图像，对应的入射角度为最优入射角度；
S80.对于最优偏振度图像，通过物理标尺标定视场，获得最优偏振度图像像素的物理尺寸，再根据最优偏振度图像中绝缘层厚度占据的像素数量，换算出绝缘层厚度，得到同轴热电偶（7）的环形的绝缘层厚度，并通过计算机（17）输出。
2.根据权利要求1所述的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，其特征在于，对于金属材质，所述的起偏片（6）的偏振角度θ为60°。
3.根据权利要求1所述的基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量方法，其特征在于，所述的线偏振成像法，包括以下步骤：
S61.根据斯托克斯矢量模型描述偏振信息，公式如下：
；
其中，和/>分别为检偏角0°、45°、90°和135°时采集处理得到的偏振度图像，/>为右旋偏振光，/>为左旋偏振光；S0表示总光强，S1表示检偏角0°和90°之间的线偏振信息，S2表示检偏角45°和135°之间的线偏振信息，S3表示圆偏振信息，S3=0；
S62.对于线偏振光，斯托克斯矢量模型简化为：
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S63.得到入射角度θ 1对应的偏振度图像：
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