CN209656159U - 一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置及方法，包括上位机、电源模块、驱动模块、嵌入式处理模块、光学镜、点探测器阵列、扫描振镜、成像模块和装置支撑结构；所述装置支撑结构是长方体的；所述装置支撑结构上设有窗口；所述光学镜通过胶固定在所述窗口上；所述点探测器阵列固定在所述装置支撑结构的内侧壁上，位于所述窗口的上方；所述扫描振镜固定在所述装置支撑结构内部，与所述光学镜的距离所述装置支撑结构的底面的距离相同；所述成像模块固定在所述装置支撑结构内部，位于所述扫描振镜的正上方，与所述装置支撑结构的顶面的距离与所述点探测器阵列相等。本实用新型提供的测量装置，结构简单，使用方便。

Description

一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置

技术领域

本实用新型涉及属于温度场测量领域，具体涉及一种基于扫描成像的温度场测量方法及装置。

背景技术

火灾发生时掌握火场情况可以帮助诊断火灾状态，辅助火灾防治方案设计，其中火场温度场分布是反映火场特性的重要参数，一种能够有效，快速，准确测量火场温度场分布的技术对于深入理解及防治火灾有重要的意义。

目前温度场的测量方法主要有接触法及非接触法两种。接触法主要通过在火场中布置温度传感节点，并实时收集节点返回的温度信息重构出火场温度场，虽然该方法结果准确，但传感节点在火场中易受损害，可靠性较低，且节点需预先布置，对于突发森林火灾很难实现高分辨率测量。非接触法主要使用光学方法，典型方法为热外热成像技术。由于物体温度变化时红外波段向外辐射的能量不同，因此通过使用红外面阵传感器一次曝光探测强度即可获得视场内的温度场。虽然此方案测量方便，但由于使用红外波段的绝对强度进行测量，结果易受到距离及烟气散射衰减造成的影响。另一方面，红外面阵探测器的成本较高，且与普通可见光面阵探测器相比具有较低的分辨率。

近年来比色法技术的发展提供了另外一种可行的思路。假设物体具有灰体辐射特性时，物体的辐射光谱由温度决定。因此通过比较物体在两个不同波段的辐射强度即可计算获得物体的温度。由于采用两个波段的强度比例进行计算，因此比色法能够有效克服绝对强度变化所引起的温度测量误差，目前在煤炉温度场检测中已大量应用。但传统比色法需要使用双面阵探测器及窄带滤光片，成本过于昂贵，因此本实用新型提出使用点探测器结合扫描成像技术实现比色测量。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供的一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置及方法，包括上位机、电源模块、驱动模块、嵌入式处理模块、光学镜、点探测器阵列、扫描振镜、成像模块和装置支撑结构；所述装置支撑结构是长方体的；所述装置支撑结构上设有窗口；所述光学镜通过胶固定在所述窗口上；所述点探测器阵列固定在所述装置支撑结构的内侧壁上，位于所述窗口的上方；所述扫描振镜固定在所述装置支撑结构内部，与所述光学镜的距离所述装置支撑结构的底面的距离相同；所述成像模块固定在所述装置支撑结构内部，位于所述扫描振镜的正上方，与所述装置支撑结构的顶面的距离与所述点探测器阵列相等；所述上位机与所嵌入式处理模块通过以太网连接；所述电源模块与所述驱动模块和所述嵌入式处理模块电气连接,提供工作电源；所述嵌入式处理模块分别通过I/O 管脚和同轴电缆模拟信号接口与所述驱动模块和所述点探测器阵列连接；所述扫描振镜与所述驱动模块连接；所述驱动模块与所述扫描振镜的电机连接，根据电机的类型选择不同的连接方式。

更进一步的，所述上位机内控制软件采用Visual Studio 编写；控制软件包括用户交互模块、通信模块、数据处理模块、光谱标定模块和文件模块；所述通信模块与所述嵌入式处理模块使用TCP/IP通信连接。

更进一步的，所述±24V接口与所述驱动模块通过电气连接, 作为驱动电源；所述5V接口与所述嵌入式处理模块电气连接。

更进一步的，所述成像模块包括聚焦镜头组、成像镜头组、闪耀光栅和成像支撑结构；所述成像支撑机构是长方体的框架；所述闪耀光栅固定在所述成像支撑结构上，与所述成像支撑结构的侧壁都呈45°夹角；所述聚焦镜头组固定在所述成像支撑结构的侧壁上，与所述闪耀光栅在距离所述成像支撑结构的顶面的距离相等；所述成像镜头组固定在所述成像支撑结构的侧壁上，位于所述闪耀光栅的正下方。

更进一步的，所述成像镜头组位于所述扫描振镜的正上方；所述聚焦镜头组位于所述点探测器阵列的一侧。

更进一步的，所述嵌入式处理模块包括通信电路、信号调理电路、AD转换电路和微处理器；所述通信电路采用以太网芯片，与所述上位机连接；所述信号调理电路通过同轴电缆模拟信号接口与所述点探测器阵列连接。工作时信号调理电路实时调理点探测器电流信号并输出电压信号，上位机通过通信电路发出指令，微处理器响应指令，控制AD转换电路开始转换，读取信号调理电路输出电压并保存。

更进一步的，所述点探测器阵列包括多个点探测器，多个所述点探测器的排列方向与所述闪耀光栅的分光方向一致。

本实用新型提供的一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置及方法，取得如下技术效果：

1、采用非接触法测量火场温度，不会对温度场本身造成影响，也不会对设备本身造成影响，提高设备的使用寿命。

2、采用光谱法测量火场温度，相对于红外热像仪技术，使用光谱测量代替绝对辐射强度，减少了距离和烟气散射衰减的影响，提高测量的准确度。

3、采用电探测器阵列进行测量，具有高度高增益低成本的优点。

4、测量装置结构简单，操作方便，便于外出携带，可以再温度场测量领域广泛使用。

附图说明

图1是本实用新型提供的测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型提供的测量方法的流程图。

图3是本实用新型提供的测量方法的光路示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2和图3所示，本实用新型提供的一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置及方法，包括上位机1、电源模块2、驱动模块3、嵌入式处理模块4、光学镜5、点探测器阵列6、扫描振镜7、成像模块8和装置支撑结构9；所述装置支撑结构9是长方体的；所述装置支撑结构9上设有窗口；所述光学镜5通过胶固定在所述窗口上；所述点探测器阵列6固定在所述装置支撑结构9的内侧壁上，位于所述窗口的上方；所述扫描振镜7固定在所述装置支撑结构9内部，与所述光学镜5 的距离所述装置支撑结构9的底面的距离相同；所述成像模块8 固定在所述装置支撑结构9内部，位于所述扫描振镜7的正上方，与所述装置支撑结构9的顶面的距离与所述点探测器阵列6 相等；所述上位机1与所嵌入式处理模块4通过以太网连接；所述电源模块2与所述扫描振镜7和所述嵌入式处理模块4电气连接，提供工作电源；所述嵌入式处理模块4分别通过I/O 管脚和同轴电缆模拟信号接口与所述驱动模块3和所述点探测器阵列6连接；所述扫描振镜7的电机与所述驱动模块3连接。所述上位机1、嵌入式处理模块4、电源模块2和驱动模块3没有具体的位置要求，只要相互之间便于连接以及便于与扫描振镜7和点探测阵列6连接即可。

具体的，所述上位机1内控制软件采用Visual Studio编写；控制软件包括

1.用户交互模块：模块包括人机界面和逻辑实现两部分，用于响应用户的输入并运行相应的功能，如参数调整、测量或标定动作等，并按照实时测量或读取存盘数据两种模式之一显示***的测量结果。实时测量时由于为扫描成像，无法一次获得场景全视场的温度数据，因此采用线刷新的方式，即嵌入式模块每次发送一行数据给上位机，上位机刷新指定行数据。读取存盘数据时已获得全部数据，可直接显示，无需刷新。为了方便后续分析，显示部分需能够提供用户指定点的温度数据。

2.与所述嵌入式处理模块4通信的模块：由于需要传输多探测器测量结果，数据量较大，因此上位机1与嵌入式处理模块4之间使用以太网通信，程序中使用套接字方式实现两者通信，上位机1扮演服务器角色，等待嵌入式模块4的连接要求，为了保证数据传输的准确性，使用TCP/IP方式通信；

3.数据处理模块：当物体满足黑体辐射时，其辐射光谱为

E(λ,T)＝C₁ε(λ,T)λ^-5[exp(C₂/λT)-1]^-1

式中E(λ,T)为光谱辐射强度，T为辐射体热力学温度，λ为辐射波长，ε(λ,T)为波长λ对应的单色辐射率，C1及C2为第一及第二辐射常数。由于***测量的波段数目有限，决定于点探测器数量，因此需要从有限的波段数目计算获得温度，可使用迭代优化的方法进行计算，优化目标为探测的多波段光强与给定温度的黑体辐射光谱的相似性，定义为：

式中下标i代表了不同的波段，Ai及Bi分别为i波段实际测量与温度为T₀时的理论黑体辐射的光强，A及B分别为A_i及 B_i的平均值。当假设的温度与实际温度相符时，相似性应具有最大值，对温度的导数应为0。优化时首先假设物体温度为T₀，计算相似性对T₀的导数，当导数大于0时，增加T₀，否则减小 T₀，直至导数的绝对值小于预设定的阈值，此时的温度T₀即为物体的实际温度。

4.光谱标定模块：所述探测器阵列6的原始数据受到光学***渐晕、光谱响应不完全一致及位置安装误差等因素的影响不可能完全符合黑体辐射定律，需要在测量前标定***并保存参数，软件中需提供准确温度输入接口，根据输入的温度计算辐射光谱，并使用光谱相应波段的强度修正每个探测器的测量结果，相应的修正系数保存为参数文件供以后使用；

5.文件模块：实时保存测量结果，可直接将重构的温度场图像保存为JPG格式图片，同时可保存每个点的光谱及温度数据，供后续分析使用。

具体的，所述电源模块2包括±24V接口和5V接口；所述±24V接口与所述驱动模块扫描振镜77电气连接，作为驱动电源；所述5V接口与所述嵌入式处理模块4电气连接。

具体的，所述成像模块8包括聚焦镜头组81、成像镜头组 82、闪耀光栅83和成像支撑结构84；所述成像支撑机构84是长方体的框架；所述闪耀光栅83固定在所述成像支撑结构84 上，与所述成像支撑结构84的侧壁都呈45°夹角；所述聚焦镜头组81固定在所述成像支撑结构84的侧壁上，与所述闪耀光栅83在距离所述成像支撑结构84的顶面的距离相等；所述成像镜头组82固定在所述成像支撑结构84的侧壁上，位于所述闪耀光栅83的正下方。

具体的，所述成像镜头组82位于所述扫描振镜7的正上方；所述聚焦镜头组81位于所述点探测器阵列6的一侧。成像镜头组82将有限远的场景点准直成为平行光，入射至闪耀光栅83。相比普通光栅，闪耀光栅83具有更高的能量效率。由于闪耀光栅83的色散作用，不同波长的入射光束具有不同的出射角度，被聚焦镜头组81汇聚至点探测器阵列6上，因此每个点探测器可测量相应波段汇聚光的强度。

具体的，所述嵌入式处理4模块包括通信电路、信号调理电路、AD转换电路和微处理器；所述通信电路采用以太网芯片，与所述上位机连接；所述信号调理电路通过同轴电缆模拟信号接口与所述点探测器阵列连接。通信部分使用专用以太网芯片，如DM9000。信号调理电路用于放大点探测器获得的电信号，改善信号质量。AD转换电路需同时实现多通道模拟数字转换，可选择美国德州仪器公司的ADS8568芯片实现。微处理器使用常见的STM32系列单片机，比如STM32F767IGT6。工作时信号调理电路实时调理每一个点探测器电流信号并输出电压信号，上位机1通过通信电路发出指令，微处理器响应指令，控制AD转换电路开始转换，读取信号调理电路输出电压并保存。

具体的，所述点探测器阵列6包括多个点探测器，多个所述点探测器的排列方向与所述闪耀光栅83的分光方向一致。点探测器阵列6由至少2个点探测器组成，每一个点探测器的光谱响应范围需达到近红外区域，截止波长高于1.6μm，可使用日本滨松公司的铟镓砷PIN光电二极管G6854-01。点探测器之间相隔一段距离，每个探测器测量对应波段的辐射强度，点探测器的位置精度由机械结构精度决定。

具体的，扫描振镜7具有二维扫描功能，通过改变两个反射镜片的角度位置可以实现对视场范围内场景的任一点定位，使得成像***拍摄指定点的光谱信息。所述驱动模块3可接收嵌入式处理模块4的指令提供数字或模拟驱动信号给所述扫描振镜7开展连续及定位运动。为了降低成本，可使用激光加工***中使用的商用扫描振镜及驱动***，如欧亚激光的M系列振镜。

一种基于扫描成像技术的火场温度场测量方法，基于上述的测量装置，包括下列步骤：

SP1：测量黑体炉，将黑体炉的实际温度带入下列公式：

E(λ,T)＝C₁ε(λ,T)λ^-5[exp(C₂/λT)-1]^-1

计算每一个点探测器的对应波段的强度，然后将理论辐射强度和实际探测强度做对比，获得每个点探测器的修正系数，并保存修正系数。

SP2：启动上位机1，通过用户交互模块输入指令启动软件，通过通信模块将指令传送至嵌入式处理模块，嵌入式处理模块将指令传送至驱动模块，驱动模块驱动扫描振镜开始扫描；

SP3：扫描振镜7每移动到一个位置，红外光通过扫描振镜 7到达成像镜头组，然后通过闪耀光栅的分光左右后照射到聚焦镜头组上；聚焦镜头组将光束聚焦后照射到点探测器阵列上；嵌入式处理模块提取每一个点探测器的测量模拟量，并通过AD 转换电路将模拟量转换为数字量后保存；当扫描振镜完成一行扫描后，嵌入式出来模块将该行数据通过以太网接口传输至上位机；

SP4：上位机对每个点的多通道数据使用下列公式

优化，得到该点的温度；每一行数据处理完成后刷新显示界面；用户实时点击图像获得每个点的温度和光强数据。

SP5：重复步骤SP3和SP4，完成所有行的扫描工作，生产整个场景的温度场分布。

如图2所示，操作以及运行的步骤为：启动所述上位机1 以及软件，操作人员输入指令，通过用户交互模块将指令传送到所述嵌入式处理模块4，所述嵌入式处理模块4控制将指令传输到所述驱动模块3上；所述驱动模块3驱动所述扫描振镜7 开始工作。扫描振镜7每移动到一个位置，红外光通过扫描振镜7到达成像镜头组，然后通过闪耀光栅的分光左右后照射到聚焦镜头组上；聚焦镜头组将光束聚焦后照射到点探测器阵列上；嵌入式处理模块4内信号调理电路实时调理每一个点探测器电流信号并输出电压信号，上位机1通过通信电路发出指令，微处理器响应指令，控制AD转换电路开始转换，读取信号调理电路输出电压并保存提取每一个点探测器的测量模拟量，并通过AD转换电路将模拟量转换为数字量后保存；当扫描振镜完成一行扫描后，嵌入式出来模块将该行数据通过以太网接口传输至上位机。按照上述方式扫描所有行，然后产生这个场景的温度分布图像。操作人员可以再所述上位机1的显示屏上看到每一个点的温度，并可以点击查看每一个点的温度。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：包括上位机、电源模块、驱动模块、嵌入式处理模块、光学镜、点探测器阵列、扫描振镜、成像模块和装置支撑结构；所述装置支撑结构是长方体的；所述装置支撑结构上设有窗口；所述光学镜通过胶固定在所述窗口上；所述点探测器阵列固定在所述装置支撑结构的内侧壁上，位于所述窗口的上方；所述扫描振镜固定在所述装置支撑结构内部，与所述光学镜的距离所述装置支撑结构的底面的距离相同；所述成像模块固定在所述装置支撑结构内部，位于所述扫描振镜的正上方，与所述装置支撑结构的顶面的距离与所述点探测器阵列相等；所述上位机与所嵌入式处理模块通过以太网连接；所述电源模块与所述驱动模块和所述嵌入式处理模块连接,提供工作电源；所述嵌入式处理模块分别通过I/O管脚和同轴电缆模拟信号接口与所述驱动模块和所述点探测器阵列连接；所述扫描振镜与所述驱动模块连接。

2.根据权利要求1所述一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：所述上位机内控制软件采用Visual Studio编写；控制软件包括用户交互模块、通信模块、数据处理模块、光谱标定模块和文件模块；所述通信模块与所述嵌入式处理模块使用TCP/IP通信连接。

3.根据权利要求1所述一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：所述电源模块包括±24V接口和5V接口；所述±24V接口与所述驱动模块连接,作为驱动电源；所述5V接口与所述嵌入式处理模块连接。

4.根据权利要求1所述一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：所述成像模块包括聚焦镜头组、成像镜头组、闪耀光栅和成像支撑结构；所述成像支撑机构是长方体的框架；所述闪耀光栅固定在所述成像支撑结构上，与所述成像支撑结构的侧壁都呈45°夹角；所述聚焦镜头组固定在所述成像支撑结构的侧壁上，与所述闪耀光栅在距离所述成像支撑结构的顶面的距离相等；所述成像镜头组固定在所述成像支撑结构的侧壁上，位于所述闪耀光栅的正下方。

5.根据权利要求4所述一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：所述成像镜头组位于所述扫描振镜的正上方；所述聚焦镜头组位于所述点探测器阵列的一侧。

6.根据权利要求1所述一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：所述嵌入式处理模块包括通信电路、信号调理电路、AD转换电路和微处理器；所述通信电路采用以太网芯片，与所述上位机连接；所述信号调理电路通过同轴电缆模拟信号接口与所述点探测器阵列连接；工作时信号调理电路实时调理点探测器电流信号并输出电压信号，上位机通过通信电路发出指令，微处理器响应指令，控制AD转换电路开始转换，读取信号调理电路输出电压并保存。

7.根据权利要求4所述一种基于扫描成像技术的火场温度场测量装置，其特征在于：所述点探测器阵列包括多个点探测器，多个所述点探测器的排列方向与所述闪耀光栅的分光方向一致。