一种针对热分析仪的温度测量装置及测量方法.pdf

本发明涉及一种针对热分析仪的温度测量装置及测量方法，其步骤：在密闭加热炉内设置有吸收红外辐射能量的传感器阵列和图像传感器，传感器阵列将采集到的红外辐射信号传输至信号处理器，形成红外热像图信息并传输至计算机；在密闭加热炉内设置的图像传感器将采集到的加热炉内图像信息经采集卡传输至计算机；计算机将接收到的红外热像图信息和图像传感器采集的图像信息进行信息融合处理，获得新的温度数据，通过该新的温度数据显示出加热炉内的温度分布状况。本发明克服了接触式测温的缺点，能精确地计量整体的温度环境、扩大温度测量范围，可以广泛适用于测量密闭真空空间的整体温度场的温度测量，对于需精密测量整体环境温度的真空场合尤其适用。

1.一种针对热分析仪的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在密闭加热炉内设置有吸收红外辐射能量的传感器阵列和图像传感器，吸收红外辐
射能量的传感器阵列将采集到的红外辐射信号传输至加热炉外部的信号处理器，进行图像
信息化处理，形成红外热像图信息并传输至计算机；
2)在密闭加热炉内设置的图像传感器将采集到的加热炉内图像信息经采集卡传输至
计算机；
3)计算机将接收到的红外热像图信息和图像传感器采集的图像信息进行信息融合处
理，获得新的温度数据，通过该新的温度数据显示出加热炉内的温度分布状况。
2.如权利要求1所述的一种针对热分析仪的温度测量方法，其特征在于：所述步骤3)
中，信息融合处理过程如下：
3.1)对温度和颜色之间的关系进行标定，建立红外热像图和温度的对应关系；
3.2)由吸收红外辐射能量的传感器阵列和信号处理器获得第一幅红外热像图，根据红
外热像图和温度的对应关系得到该红外热像图中每个像素点所对应的温度值为T1；
3.3)由CCD高温火焰图像探测器和采集卡获得第二幅图像，该图像为可见光范围内的
图像，根据普朗克公式的维恩近似得到光学图像颜色与温度的关系，进而得到第二幅图像
中每个像素点所对应的温度值T2；
3.4)采用线性加权的温度数据融合方法，将第一幅红外热像图中每个像素点对应的温
度值T1与第二幅图中每个像素点对应的温度值T2进行融合，得到第一幅红外热像图与第二
幅图像融合后图像中每个像素点所对应的温度值T3；
3.5)利用步骤3.1)中红外热像图和温度的对应关系，根据各温度值T3得到相应的像素
点，再由所有该像素点组成第一幅红外热像图与第二幅图像融合后的图像，进而得到能表
示加热炉内温度信息的彩色融合图像，并由显示器进行显示。
3.如权利要求2所述的一种针对热分析仪的温度测量方法，其特征在于：所述步骤3.1)
中，具体过程为：
3.1.1)采用已有高精度的小型黑体炉为标准密闭加热炉，控制标准密闭加热炉到达不
同的温度，同时采用吸收红外辐射能量的传感器阵列得到不同温度下的红外热像图；
3.1.2)采用已有图像分割方法将获得的每一幅红外热像图都进行分割，得到若干像
素；
3.1.3)提取各像素的灰度值，进而得到一组温度与图像灰度的对应数据；
3.1.4)存储步骤3.1.3)中的对应数据，形成红外热像图和温度的对应关系；在进行温
度测量时，根据相应的红外热像图灰度值即可查找到与其相应的温度值。
4.如权利要求2所述的一种针对热分析仪的温度测量方法，其特征在于：所述步骤3.3)
中，光学图像颜色与温度的关系如下：
$T_2=\frac{C_2\[\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\]}{\ln f(R_e,G_e,B_e)-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_G^2}{{\mathrm{\λ}}_R{\mathrm{\λ}}_B}},$
式中，λR、λG、λB分别为R、G、B三个通道分光特性曲线峰值所对应的波长；Re、Ge、Be分别为
CCD高温火焰图像探测器显像端的荧光粉三色系数；C2为常数，C2＝0.01438833m·k，m为米，
k为开尔文；且：
$f(R_e,G_e,B_e)=ln\frac{P_{Tb}\left({\mathrm{\λ}}_R\right)P_{Tb}\left({\mathrm{\λ}}_B\right)}{{P_{Tb}}^2\left({\mathrm{\λ}}_G\right)},$
PTb(λR)为R通道的辐射滤波谱，PTb(λB)为B通道的辐射滤波谱，PTb(λG)为G通道的辐射滤
波谱。
5.如权利要求2所述的一种针对热分析仪的温度测量方法，其特征在于：所述步骤3.4)
中，温度值T3＝uT1+vT2，u为温度值T1的可信度，v为温度值T2的可信度。
6.如权利要求5所述的一种针对热分析仪的温度测量方法，其特征在于：将所述温度值
T1的可信度u、温度值T2的可信度v分别简化为温度的一次函数，以由温度的一次函数体现出
相应可信度的变化，温度的一次函数分别为：
$u\left(T_1\right)=1-\frac{T_1}{T_{\max }};$
$v\left(T_2\right)=1-\frac{T_2-500}{T_{\max }-500};$
式中，Tmax为预先设定的最高温度。
7.一种实现如权利要求1至6任一项所述方法的针对热分析仪的温度测量装置，其特征
在于：该装置包括吸收红外辐射能量的传感器阵列、图像传感器、信号处理器、采集卡、计算
机和显示器；所述传感器阵列和图像传感器均设置在密闭加热炉的坩埚内侧壁面；且所述
传感器阵列通过连接线与位于所述密闭加热炉外部的所述信号处理器电连接，所述图像传
感器通过连接线与位于所述密闭加热炉外部的所述采集卡电连接；所述传感器阵列将红外
辐射信号传输至所述信号处理器，所述信号处理器将接收到的红外辐射信号处理后传输至
所述计算机，所述图像传感器将所述密闭加热炉内图像信息经所述采集卡传输至所述计算
机；所述计算机将接收到的信号处理后得到温度场，并传输至所述显示器进行图像显示。
8.如权利要求7所述的一种针对热分析仪的温度测量装置，其特征在于：所述传感器阵
列与所述信号处理器之间的连接线，以及所述图像传感器与所述采集卡之间的连接线都穿
过所述密闭加热炉的炉壁，且所述连接线与所述炉壁之间采用密封件密封。
9.如权利要求7所述的一种针对热分析仪的温度测量装置，其特征在于：所述吸收红外
辐射能量的传感器阵列采用由热探测器构成的红外焦平面阵列。
10.如权利要求7所述的一种针对热分析仪的温度测量装置，其特征在于：所述图像传
感器采用CCD高温火焰图像探测器。

一种针对热分析仪的温度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种温度测量装置及测量方法，特别是关于一种在测量密闭真空空间
的整体温度场中应用的针对热分析仪的温度测量装置及测量方法。

背景技术

现有的温度测量技术有接触式和非接触式两种。接触式测温方法包括膨胀式测
温、电量式测温和接触式光电、热色测温等几大类。接触测温法在测量时需要与被测物体或
介质充分接触,一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度,在测量时会对被测温度有一
定干扰。非接触式测温方法不需要与被测对象接触,因而不会干扰温度场,动态响应特性一
般也很好,但是会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响。非接触测温方法主
要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。

在现有的热分析仪器温度测量中主要采用的是热电偶测温方法，这种方法是一种
接触式测温方法，可以测得实验进行所需的温度值，但是，这样也有着接触式测温的缺
点——测量的是被测对象和传感器的平衡温度,在测量时会对被测温度有一定干扰。另外，
这种方法只能获得一点的温度，不能获得热分析仪器内整体温度情况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种针对热分析仪的温度测量装置及测量方
法，其克服了接触式测温的缺点，能精确地计量整体的温度环境、扩大温度测量范围。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种针对热分析仪的温度测量方法，
其特征在于，包括以下步骤：1)在密闭加热炉内设置有吸收红外辐射能量的传感器阵列和
图像传感器，吸收红外辐射能量的传感器阵列将采集到的红外辐射信号传输至加热炉外部
的信号处理器，进行图像信息化处理，形成红外热像图信息并传输至计算机；2)在密闭加热
炉内设置的图像传感器将采集到的加热炉内图像信息经采集卡传输至计算机；3)计算机将
接收到的红外热像图信息和图像传感器采集的图像信息进行信息融合处理，获得新的温度
数据，通过该新的温度数据显示出加热炉内的温度分布状况。

进一步，所述步骤3)中，信息融合处理过程如下：3.1)对温度和颜色之间的关系进
行标定，建立红外热像图和温度的对应关系；3.2)由吸收红外辐射能量的传感器阵列和信
号处理器获得第一幅红外热像图，根据红外热像图和温度的对应关系得到该红外热像图中
每个像素点所对应的温度值为T1；3.3)由CCD高温火焰图像探测器和采集卡获得第二幅图
像，该图像为可见光范围内的图像，根据普朗克公式的维恩近似得到光学图像颜色与温度
的关系，进而得到第二幅图像中每个像素点所对应的温度值T2；3.4)采用线性加权的温度
数据融合方法，将第一幅红外热像图中每个像素点对应的温度值T1与第二幅图中每个像素
点对应的温度值T2进行融合，得到第一幅红外热像图与第二幅图像融合后图像中每个像素
点所对应的温度值T3；3.5)利用步骤3.1)中红外热像图和温度的对应关系，根据各温度值T3
得到相应的像素点，再由所有该像素点组成第一幅红外热像图与第二幅图像融合后的图
像，进而得到能表示加热炉内温度信息的彩色融合图像，并由显示器进行显示。

进一步，所述步骤3.1)中，具体过程为：3.1.1)采用已有高精度的小型黑体炉为标
准密闭加热炉，控制标准密闭加热炉到达不同的温度，同时采用吸收红外辐射能量的传感
器阵列得到不同温度下的红外热像图；3.1.2)采用已有图像分割方法将获得的每一幅红外
热像图都进行分割，得到若干像素；3.1.3)提取各像素的灰度值，进而得到一组温度与图像
灰度的对应数据；3.1.4)存储步骤3.1.3)中的对应数据，形成红外热像图和温度的对应关
系；在进行温度测量时，根据相应的红外热像图灰度值即可查找到与其相应的温度值。

进一步，所述步骤3.3)中，光学图像颜色与温度的关系如下：

$T_2=\frac{C_2\[\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\]}{\ln f(R_e,G_e,B_e)-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_G^2}{{\mathrm{\λ}}_R{\mathrm{\λ}}_B}},$

式中，λR、λG、λB分别为R、G、B三个通道分光特性曲线峰值所对应的波长；Re、Ge、Be分
别为CCD高温火焰图像探测器显像端的荧光粉三色系数；C2为常数，C2＝0.01438833m·k，m
为米，k为开尔文；且：

$f(R_e,G_e,B_e)=ln\frac{P_{Tb}\left({\mathrm{\λ}}_R\right)P_{Tb}\left({\mathrm{\λ}}_B\right)}{{P_{Tb}}^2\left({\mathrm{\λ}}_G\right)},$

PTb(λR)为R通道的辐射滤波谱，PTb(λB)为B通道的辐射滤波谱，PTb(λG)为G通道的辐
射滤波谱。

进一步，所述步骤3.4)中，温度值T3＝uT1+vT2，u为温度值T1的可信度，v为温度值T2
的可信度。

进一步，将所述温度值T1的可信度u、温度值T2的可信度v分别简化为温度的一次函
数，以由温度的一次函数体现出相应可信度的变化，温度的一次函数分别为：

$u\left(T_1\right)=1-\frac{T_1}{T_{\max }};$

$v\left(T_2\right)=1-\frac{T_2-500}{T_{\max }-500};$

式中，Tmax为预先设定的最高温度。

一种实现上述方法的针对热分析仪的温度测量装置，其特征在于：该装置包括吸
收红外辐射能量的传感器阵列、图像传感器、信号处理器、采集卡、计算机和显示器；所述传
感器阵列和图像传感器均设置在密闭加热炉的坩埚内侧壁面；且所述传感器阵列通过连接
线与位于所述密闭加热炉外部的所述信号处理器电连接，所述图像传感器通过连接线与位
于所述密闭加热炉外部的所述采集卡电连接；所述传感器阵列将红外辐射信号传输至所述
信号处理器，所述信号处理器将接收到的红外辐射信号处理后传输至所述计算机，所述图
像传感器将所述密闭加热炉内图像信息经所述采集卡传输至所述计算机；所述计算机将接
收到的信号处理后得到温度场，并传输至所述显示器进行图像显示。

进一步，所述传感器阵列与所述信号处理器之间的连接线，以及所述图像传感器
与所述采集卡之间的连接线都穿过所述密闭加热炉的炉壁，且所述连接线与所述炉壁之间
采用密封件密封。

进一步，所述吸收红外辐射能量的传感器阵列采用由热探测器构成的红外焦平面
阵列。

进一步，所述图像传感器采用CCD高温火焰图像探测器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用在密闭加热炉内
设置吸收红外辐射能量的传感器阵列和图像传感器对加热炉内进行非接触式测温，避免了
接触式测温的缺点，同时在热分析实验过程中，加热炉内的温度分布情况不断发生变化，这
种非接触式的测温方法能够实时在线观察监测热分析仪加热炉内的温度分布情况，不但能
及时调整加热炉内温度，及时发现仪器故障、实验故障，更为热分析实验提供了可视化的温
度图像数据，使得实验温度环境可以观察记录，为今后热分析实验的改善和发展提供了方
便。2、本发明采用了辐射测温法，实现了测量不干扰被测温场，不影响温场分布，具有较高
的测量准确度。3、本发明采用实时在线观察监测热分析仪加热炉内的温度分布情况，不但
能及时调整加热炉内温度，及时发现仪器故障、实验故障，更为热分析实验提供了可视化的
温度图像数据，使得实验温度环境可以观察记录。4、本发明结合了红外辐射测温和光谱测
温方法，扩大了温度测量范围，可以广泛适用于测量密闭真空空间的整体温度场的温度测
量，对于需精密测量整体环境温度的真空场合尤其适用。

附图说明

图1是本发明中辐射图像和光学图像获得过程示意图；

图2是本发明中温度图像融合过程示意图；

图3是本发明实施例中融合后的图像示意图。

具体实施方式

当热分析仪的加热炉环境为真空时，热量以热辐射的方式传播。热辐射是物体由
于具有温度而辐射电磁波的现象。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为
300℃时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度升高时，向外辐射能量增加，相应地
辐射光谱向波长短的方向移动。当物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波
长成分在可见光区。在加热炉加热过程中，随着温度的变化，辐射的电磁波发生变化。因此，
本发明在整个过程中针对两种波长的电磁波所反映的温度情况进行研究，根据两种方式获
得的信息融合，从而得到精确的温度信息。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描
述。

如图1所示，本发明提供一种针对热分析仪的温度测量装置，其包括吸收红外辐射
能量的传感器阵列1、图像传感器2、信号处理器3、采集卡4、计算机5和显示器6。传感器阵列
1和图像传感器2均设置在密闭加热炉7的坩埚内侧壁面，且传感器阵列1通过连接线与位于
密闭加热炉7外部的信号处理器3电连接，图像传感器2通过连接线与位于密闭加热炉7外部
的采集卡4电连接，连接线穿过密闭加热炉7的炉壁，且连接线与炉壁之间采用密封件密封。
传感器阵列1将红外辐射信号传输至信号处理器3，信号处理器3将接收到的红外辐射信号
处理后传输至计算机5，图像传感器2将密闭加热炉7内图像信息经采集卡4传输至计算机5。
计算机5将接收到的信号处理后得到温度场，并传输至显示器6进行图像显示，根据图像颜
色判断密闭加热炉内的温度，实现对温度的测量。

上述实施例中，吸收红外辐射能量的传感器阵列1可以采用由热探测器构成的红
外焦平面阵列。热探测器将红外辐射信号转换成电信号后传输至信号处理器3，经过放大处
理、转换成标准视频信号，得到红外热像图，并将图像数据传输至计算机5。

上述各实施例中，图像传感器2可以采用CCD高温火焰图像探测器(安装时要求探
测器的探头能够观测到炉膛内尽可能大的空间区域)。CCD高温火焰探测器采集炉内的图像
信息，并通过采集卡4将图像数据传输至计算机5中。

如图1、图2所示，本发明还提供一种针对热分析仪的温度测量方法，该方法是一种
以测辐射能量的方式测量温度的方法，主要针对热分析仪或与其类似的密闭环境的整体环
境温度的测量，结合红外辐射测温和光谱测温方法，从而扩大温度测量范围，以适用于有温
度变化过程的温度测量。本发明包括以下步骤：

1)在密闭加热炉内设置有用于吸收红外辐射能量的传感器阵列1和图像传感器2，
吸收红外辐射能量的传感器阵列1将采集到的红外辐射信号传输至加热炉外部的信号处理
器3，进行图像信息化处理，形成红外热像图信息并传输至计算机5。

2)在密闭加热炉内设置的图像传感器2将采集到的加热炉内图像信息(即加热炉
内的光学视场信息)经采集卡4传输至计算机5。

3)计算机5将接收到的红外热像图信息和图像传感器2采集的图像信息进行信息
融合处理，获得新的温度数据，通过该新的温度数据显示出加热炉内的温度分布的详细状
况。

上述步骤3)中，如图2所示，信息融合处理过程如下：

3.1)对温度和颜色之间的关系进行标定，从而建立红外热像图和温度的对应关
系。

3.1.1)采用已有高精度的小型黑体炉为标准密闭加热炉，控制标准密闭加热炉分
别到达不同的温度，同时采用吸收红外辐射能量的传感器阵列1得到不同温度下的红外热
像图。

3.1.2)采用已有图像分割方法将获得的每一幅红外热像图都进行分割，得到若干
像素；

3.1.3)提取各像素的灰度值，进而得到一组温度与图像灰度的对应数据。

3.1.4)存储步骤3.1.3)中的对应数据，形成红外热像图和温度的对应关系；在进
行温度测量时，根据相应的红外热像图灰度值即可查找到与其相应的温度值。

3.2)由吸收红外辐射能量的传感器阵列1和信号处理器3获得第一幅红外热像图，
根据红外热像图和温度的对应关系得到该红外热像图中每个像素点所对应的温度值为T1；
温度值T1是由采集波长较长的红外辐射信息获得的温度值。

3.3)由CCD高温火焰图像探测器和采集卡4获得第二幅图像，该图像为可见光范围
内的图像，根据普朗克公式的维恩近似得到光学图像颜色与温度的关系，进而得到第二幅
图像中每个像素点所对应的温度值T2；温度值T2为分析波长较长的可见光信息得到的温度
值；

其中，光学图像颜色与温度的关系如下：

$T_2=\frac{C_2\[\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\]}{lnf(R_e,G_e,B_e)-5ln\frac{{\mathrm{\λ}}_G^2}{{\mathrm{\λ}}_R{\mathrm{\λ}}_B}},$

式中，λR、λG、λB分别为R、G、B三个通道分光特性曲线峰值所对应的波长；Re、Ge、Be分
别为CCD高温火焰图像探测器显像端的荧光粉三色系数；C2为常数，C2＝0.01438833m·k，m
为米，k为开尔文；

且，PTb(λR)为R通道的辐射滤波谱，PTb(λB)为B通
道的辐射滤波谱，PTb(λG)为G通道的辐射滤波谱。

3.4)采用线性加权的温度数据融合方法，将第一幅红外热像图中每个像素点对应
的温度值T1与第二幅图中每个像素点对应的温度值T2进行融合，得到第一幅红外热像图与
第二幅图像融合后图像中每个像素点所对应的温度值T3。

3.5)利用步骤3.1)中红外热像图和温度的对应关系，根据各温度值T3得到相应的
像素点，再由所有该像素点组成第一幅红外热像图与第二幅图像融合后的图像，进而得到
能表示加热炉内温度信息的彩色融合图像，并由显示器进行显示。

上述步骤3.4)中，T3＝uT1+vT2，u为温度值T1的可信度，v为温度值T2的可信度；由于
温度从低温到高温的过渡过程中，加热炉内的辐射波长也从短波慢慢过渡到长波，因此由
吸收红外辐射能量的传感器阵列1测得的温度值T1可信度u逐渐降低，由图像传感器2测得
的温度值T2可信度v逐渐升高。故将可信度u、v分别简化为温度的一次函数，分别由相应温
度的一次函数体现出相应可信度的变化；温度的一次函数分别为：

$u\left(T_1\right)=1-\frac{T_1}{T_{\max }};$

$v\left(T_2\right)=1-\frac{T_2-500}{T_{\max }-500};$

式中，Tmax为热分析实验中预先设定的最高温度。

实施例：

本发明最终获取的彩色融合图像既包含了加热炉内的红外辐射信息，又包含了光
学信息，即包含了加热过程中两种主要辐射的电磁波。能很好地表征炉内温度状况。例如，
如图3所示，在温度较低时，获得红外图像，中间椭圆部分为黄色，四周为橙色，不同颜色代
表不同的温度。温度升高时，辐射的电磁波主要以可见光形式展现，在获得的光学图像中，
中间椭圆部分和四周分别为红色和橙色，加热到一定温度的炉子内壁可视为光源，不同的
颜色反映了不同的温度。融合的图像，温度高的部分以红色色调显示，温度低的部分以蓝色
色调显示，综合了炉子内热红外图像和可见光图像的综合信息，直观的显示了炉子内的温
度。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以
有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等
同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。