專利名稱：紅外顯微測溫儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于非接觸紅外測溫及圖像處理技術領域，特別是涉及一種能夠探測被測 物表面中心面溫度分部的顯微、精細圖像的紅外測溫儀。
背景技術：
目前國內(nèi)外各種紅外測試儀產(chǎn)品功能比較簡單，大多僅有測溫功能；僅有少數(shù)高 端紅外測溫儀具有圖像采集功能；本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于可以對物體表面中心區(qū)域進行顯 微、精細的溫度測量和圖像采集、顯示，同時將采集到的紅外熱圖與目標的彩色圖像相融合 顯示，對采集數(shù)據(jù)進行智能分析處理，得到被測物體準確的二維溫度場分布圖。這類功能是 同類產(chǎn)品所無法具備的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種紅外顯微測溫儀，能夠?qū)Ρ粶y物表面中心面溫度分部進行探測從 而對物體進行顯微、精細的圖像顯示，并可以與實際圖像進行可融合顯示的紅外顯微測溫 儀。為了達到上述目的，本發(fā)明采用了下述技術方案一種紅外顯微測溫儀，該儀器由信號采集部分和數(shù)據(jù)處理顯示兩部分構成，其中 信號采集部分包括紅外光學系統(tǒng)、光學準直系統(tǒng)、高速可調(diào)快門、扇形陣列紅外探測器、多 路模擬信號處理單元以及連接多路模擬信號處理單元與ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊之間的數(shù) 據(jù)接口 ；其中，所述數(shù)據(jù)處理顯示部分包括攝像頭、顯示器、供電模塊、存儲模塊、環(huán)境溫度 測量模塊、圖像融合軟件模塊以及連接并控制該所述攝像頭、供電模塊、存儲模塊、環(huán)境溫 度測量模塊、圖像融合軟件模塊的接口。所述的紅外顯微測溫儀按照光路前后順序依次為紅外光學系統(tǒng)、高速可調(diào)快門、 扇形陣列紅外探測器，光學準直系統(tǒng)位于扇形陣列紅外探測器正上方，扇形陣列紅外探測 器的每一片扇形陣元單獨與一路模擬信號處理單元通過導線相連接，所有多路模擬信號處 理單元采集處理的信號通過數(shù)據(jù)接口以數(shù)據(jù)總線的模式連接到ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊， ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊分別通過單獨的數(shù)據(jù)控制線連接攝像頭、存儲模塊、環(huán)境溫度測量模 塊、圖像融合軟件模塊，供電模塊導線同時為ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊、高速可調(diào)快門供電， ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊通過內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)接收到的供電模塊電壓，通過導線為多路 模擬信號處理單元供電。所述的扇形陣列紅外探測器為用高性能扇形陣列化的多晶硅材料近紅外探測器。所述的扇形陣列紅外探測器與高速可調(diào)快門、多路模擬信號處理單元共同配合實 現(xiàn)對被測物體表面的紅外輻射進行紅外顯微測溫。所述的高速可調(diào)快門受ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊控制快門關閉速度實現(xiàn)對物體紅 外顯微測溫的放大倍數(shù)和精細度的可調(diào)節(jié)性。所述高速可調(diào)快門、ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊共同由供電模塊提供工作電源。
所述多路模擬信號處理單元與扇形陣列紅外探測器實現(xiàn)單路模擬信號處理單元 與扇形探測單陣元一一相連，每一個扇形探測陣元單獨使用一路擬信號處理單元。攝像頭拍攝的可見光圖像通過像融合軟件模塊的軟件處理實現(xiàn)與物體的二維整 體溫度分布相融合，并進行輻射率修正，提高測溫的精度。所述的圖像融合軟件模塊由所述的ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊控制并處理相關數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)紅外顯微熱圖與物體真實的彩色圖像的融合。 在本發(fā)明中，扇形陣列紅外探測器采集被測對象表面二維的溫度場，通過多路信 號處理單元將采集到的熱輻射數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊的數(shù)據(jù)處理，將 處理后的溫度數(shù)據(jù)在顯示屏中顯示，同時ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊啟動攝像頭對實際物體進 行彩色圖像拍攝；拍攝后得到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM數(shù)據(jù)處理控制模塊利用圖像融合軟件 模塊處理將物體的實際圖像與測得的物體表面溫度相擬合，輸出到顯示器當中。用戶可以 對融合圖像進行選擇放大，圖像中心的溫度分布放大倍數(shù)和精細度通過ARM數(shù)據(jù)處理控制 模塊控制。本發(fā)明使用的探測器結構設計方法改變了以往傳統(tǒng)的點陣列或者面陣列的設計 結構，創(chuàng)新性的采用了扇形陣列探測對紅外輻射進行采集。通過高速快門和高速數(shù)據(jù)采集 處理系統(tǒng)的配合以實現(xiàn)更高的圖像像素數(shù)、精細度、準確度的圖像輸出。扇形陣列式探測器 將輻射能轉(zhuǎn)換為電信號，設備運行時利用C語言編程實現(xiàn)對陣列紅外測溫儀的系統(tǒng)控制， 最終得到被測物體顯微溫度分布，并與物體的實際圖像相融合，從而獲得被測物體細微的 溫度變化情況，大大提高了紅外溫度實時監(jiān)測的分析效果。


圖1為本發(fā)明所述紅外顯微測溫儀的原理框圖。
具體實施例方式實施例1本實施例所述紅外顯微測溫儀采用了高性能陣列化的多晶硅材料探測器，可以測 量物體表面的二維溫度場，扇形陣列紅外探測器通過高速快門的高速掃描結合數(shù)據(jù)的高速 采樣實現(xiàn)了對透鏡中央輻射量的高放大倍數(shù)高精細度的輻射量采集，且結合圖像同步采集 技術、可視化圖像融合技術、嵌入式智能分析技術，從而使得用戶可以在第一時間了解被測 物體表面細微的溫度變化。如圖1中所示，本實施例所述的紅外顯微測溫儀分為信號采集部分20和數(shù)據(jù)處理 顯示10兩大部分，其中信號采集部分20包括紅外光學系統(tǒng)200、光學準直系統(tǒng)201、高速可 調(diào)快門202、扇形陣列紅外探測器203、多路模擬信號處理單元204以及連接多路模擬信號 處理單元與ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊之間的數(shù)據(jù)接口 205 ；所述紅外光學系統(tǒng)200用于濾除 可見光的干擾，所述的光學準直系統(tǒng)201用以確定探測中心(熱像放大中心區(qū)域)，所述扇 形陣列紅外探測器203為用以探測目標物的表面二維溫度；所述數(shù)據(jù)接口 108為用以將控 ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊10中的供電模塊103提供的工作電壓傳遞給多路模擬信號處理單 元204，同時將多路模擬信號處理單元204數(shù)據(jù)傳遞給ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊10。所述的 高速可調(diào)快門202可以在ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊109的控制下，調(diào)節(jié)多路模擬信號處理單元204對扇形陣列紅外探測器203的掃描速度，實現(xiàn)對被測物體表面中心圖像的放大和精 細度的控制。 所述數(shù)據(jù)處理顯示部分10包括環(huán)境溫度測量模塊101、存儲模塊102、供電模塊 103、溫度報警模塊104、攝像頭105、圖像融合軟件模塊106、顯示器107、按鍵模塊108、ARM 數(shù)據(jù)處理控制模塊109以及連接并控制該所述攝像頭、供電模塊、存儲模塊、環(huán)境溫度測量 模塊、圖像融合軟件模塊的接口 ；所述攝像頭105用以對目標物進行圖像拍攝；所述環(huán)境溫 度測量模塊101用以對目標物環(huán)境溫度進行測量；所述圖像融合軟件模塊106用以讀取目 標物表面二維溫度分布并與物體的實際彩色圖像相融合，所述溫度報警模塊104用來當目 標溫度高于所設定的閾值時啟動報警模塊，所述按鍵模塊108可以很方便的對該紅外顯微 測溫儀進行調(diào)試，所述供電模塊103為數(shù)據(jù)處理顯示部分10和信號采集部分20供電；所述 存儲模塊102用以存儲用戶每次采集的原始數(shù)據(jù)和圖像融合后的融合圖像。
圖1所示，在本實施例中，所述紅外顯微測溫儀是通過扇形陣列紅外探測器203采 集紅外光學系統(tǒng)200所收集到的紅外輻射量，在ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊109可以精確控制 高速可調(diào)快門202的關閉速度，與多路信號處理單元204對扇形陣列紅外探測器203高速 采樣、處理將得到從四周到中心越來越高的精細度圖像和像素數(shù)，在對采集到的溫度數(shù)據(jù) 進行轉(zhuǎn)換的同時，所述數(shù)據(jù)處理顯示部分10在ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊109的控制下啟動攝 像頭105對目標的圖像進行拍攝，傳輸?shù)紸RM數(shù)據(jù)處理控制模塊109中，并通過圖像融合軟 件模塊106將目標的表面二維溫度分布場與目標的實際圖像相融合后于顯示器107中顯示 出來。從而實現(xiàn)了對目標物的溫度以及圖像的同時采集顯示。

所述扇形陣列紅外探測器201采用離子注入的技術，在N型單晶硅片上通過離子 注入技術注入硼離子實現(xiàn)P型摻雜，形成陣列式PN結，將PN結之外區(qū)域沉積上Si3N4絕緣 介質(zhì)膜，通過該種方法制作圓形探測片，采用光刻技術以圓形探測片的圓心為中心，在圓周 上每(1至0. 2)度延半徑方向進行光刻，這樣共形成360至1200個單片扇形探測片組成的 陣列，在每片扇形探測片的外圓周邊緣進行導電處理，這便是扇形陣列紅外探測器的主要 部分。所述多路模擬信號處理單元204主要分為微弱電信號的放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號 處理、數(shù)據(jù)的顯示。在電路設計中，首先要保證有足夠大的增益，使得微弱信號變?yōu)槟軌虮?ADC采集的信號，同時要盡量抑制電路中產(chǎn)生的噪聲，并保證多路放大鏈路的一致性。同時 選用AD7656作為A/D轉(zhuǎn)化的核心部件。AD7565內(nèi)部具有6個采樣保持器和6路獨立的AD 轉(zhuǎn)換器，從而可以實現(xiàn)對6路模擬信號同時采集并同時轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。AD7565的最高分 辨率為16位，已滿足溫度測量的精度。其采樣率最高為250kSPS，即每秒鐘采樣250000次， 也超出了系統(tǒng)對采樣率的要求。故AD7565能夠完全勝任作為本測溫儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當被測物的紅外輻射經(jīng)過光學鏡頭被扇形陣列紅外探測器收集到，在沒有高速快 門202的情況下經(jīng)過ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊109的數(shù)據(jù)處理只能得到一個溫度值的數(shù)據(jù) 圈，在高速快門202和多路信號處理單元204的配合下，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理將得到一圈圈的從外 向內(nèi)逐漸致密的數(shù)據(jù)環(huán)，該數(shù)據(jù)環(huán)的中心的像素數(shù)極高并非可以通過傳統(tǒng)方法——降低單 個陣元面積、提高單位面積陣元數(shù)所能達到的，數(shù)據(jù)環(huán)的中心的像素數(shù)由扇形陣列數(shù)與快 門關閉速度、數(shù)據(jù)采樣速度共同決定，在扇形陣列數(shù)一定的情況下，快門關閉速度和數(shù)據(jù)采 樣速度越快，得到的像素數(shù)越高，兩者成線性關系，可見在高速快門和數(shù)據(jù)高采樣率的共同作用下可以實現(xiàn)對物體的顯微紅外探測。所述ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊109選用的ARM9處理器最高運行頻率為400MHz，具有 較大的內(nèi)存和豐富的外圍接口，并將采用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)的界面和Windows 較為類似，易于被用戶接受。此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，并且通過一些自檢和報警機制，可以保 障測溫儀長時間連續(xù)穩(wěn)定工作。我們將在此系統(tǒng)的平臺上編寫相應的應用程序，來控制測 溫儀的工作。 所述顯示器107用于顯示最終處理結果。在WinCE的操作系統(tǒng)之上，編寫符合測 溫儀功能的人性化操作界面，此界面具有顯示直觀、操作簡便的特點。同時結合如前所述的 圖像融合技術將被測目標的表面溫度和實際照片融合后的圖像在顯示器107中顯示出來。
權利要求
1.一種紅外顯微測溫儀，其特征在于，該儀器由信號采集部分和數(shù)據(jù)處理顯示兩部分 構成，其中信號采集部分包括紅外光學系統(tǒng)、光學準直系統(tǒng)、高速可調(diào)快門、扇形陣列紅外 探測器、多路模擬信號處理單元以及連接多路模擬信號處理單元與ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊 之間的數(shù)據(jù)接口 ；其中，所述數(shù)據(jù)處理顯示部分包括攝像頭、顯示器、供電模塊、存儲模塊、 環(huán)境溫度測量模塊、圖像融合軟件模塊以及連接并控制該所述攝像頭、供電模塊、存儲模 塊、環(huán)境溫度測量模塊、圖像融合軟件模塊的接口。
2.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述的紅外顯微測溫儀按照 光路前后順序依次為紅外光學系統(tǒng)、高速可調(diào)快門、扇形陣列紅外探測器，光學準直系統(tǒng)位 于扇形陣列紅外探測器正上方，扇形陣列紅外探測器的每一片扇形陣元單獨與一路模擬信 號處理單元通過導線相連接，所有多路模擬信號處理單元采集、處理的信號通過數(shù)據(jù)接口 以數(shù)據(jù)總線的模式連接到ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊，ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊分別通過單獨的 數(shù)據(jù)控制線連接攝像頭、存儲模塊、環(huán)境溫度測量模塊、圖像融合軟件模塊，供電模塊導線 同時為ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊、高速可調(diào)快門供電，ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊通過內(nèi)部電壓調(diào) 節(jié)器調(diào)節(jié)接收到的供電模塊電壓，通過導線為多路模擬信號處理單元供電。
3.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述的扇形陣列紅外探測器 為用高性能扇形陣列化的多晶硅材料近紅外探測器。
4.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述的扇形陣列紅外探測器 與高速可調(diào)快門、多路模擬信號處理單元共同配合實現(xiàn)對被測物體表面的紅外輻射進行紅 外顯微測溫。
5.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述的高速可調(diào)快門受ARM數(shù) 據(jù)處理控制模塊控制快門關閉速度實現(xiàn)對物體紅外顯微測溫的放大倍數(shù)和精細度的可調(diào) 節(jié)性。
6.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述高速可調(diào)快門、ARM數(shù)據(jù) 處理控制模塊共同由供電模塊提供工作電源。
7.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述多路模擬信號處理單元 與的扇形陣列紅外探測器實現(xiàn)單路模擬信號處理單元與扇形探測單陣元一一相連，每一個 扇形探測陣元單獨使用一路擬信號處理單元。
8.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，攝像頭拍攝的可見光圖像通 過像融合軟件模塊的軟件處理實現(xiàn)與物體的二維整體溫度分布相融合，并進行輻射率修 正，提高測溫的精度。
9.根據(jù)權利要求1所述的紅外顯微測溫儀，其特征在于，所述的圖像融合軟件模塊由 所述的ARM數(shù)據(jù)處理控制模塊控制并處理相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)紅外顯微熱圖與物體真實的彩色 圖像的融合。
全文摘要
一種紅外顯微測溫儀，屬于非接觸紅外測溫及圖像處理技術領域。該儀器由信號采集部分和數(shù)據(jù)處理顯示兩部分構成，其中信號采集部分包括紅外光學系統(tǒng)、光學準直系統(tǒng)、高速可調(diào)快門、扇形陣列紅外探測器、多路模擬信號處理單元等；數(shù)據(jù)處理顯示部分包括攝像頭、供電模塊、存儲模塊、環(huán)境溫度測量模塊、圖像融合軟件模塊等。本發(fā)明創(chuàng)新性的采用了扇形陣列探測對紅外輻射進行采集。扇形陣列式探測器將輻射能轉(zhuǎn)換為電信號，通過對扇形陣列式探測器前端的高速快門和后端多路模擬信號處理單元的控制，實現(xiàn)對被測物體溫度分布的顯微測量，并與物體的實際圖像相融合，獲得被測物體的溫度細微變化情況，提高了紅外溫度實時監(jiān)測的分析效果。
文檔編號G01J5/22GK102128686SQ201010585398
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2010年12月14日
發(fā)明者姜嘯宇, 張岷, 樊秀梅, 王樹雨, 王茂榮, 申風婷, 鐘聲, 閆富榮, 魏臻 申請人:天津理工大學