CN107976263B - 光热反射测温方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光热反射测试方法及系统，属于温度测试技术领域，包括步骤：对待测区域进行光热反射系数CTR校准；对不同波长光源的出射光进行调制，并将经过调制的出射光投射到待测区域；探测器接收待测区域的反射光，并将反射光解调，得到不同波长反射光的信号；对不同波长的反射光的信号进行计算，得到温度测试信息。本发明利用多个波长出射光同时对包括多种不同材料的待测区域进行温度测量，根据不同材料的特性选取C_TR最大的波长用于测温，减小同时测量多种材料的情况下的C_TR损失，提高光热反射测温准确度，以及测温效率。

Description

光热反射测温方法及系统

技术领域

本发明涉及温度测试技术领域，特别是涉及一种光热反射测温方法及系统。

背景技术

光热反射测温技术是一种非接触测温技术，其基础是光热反射(thermoreflectance)现象。光热反射现象基本的特征是物体的反射率会随物体的温度变化而变化。反射率随温度的变化可以认为是线性的，因此可以用一个变化率系数来表征，称为光热反射系数或光热反射校准系数(thermoreflectance coefficient/thermoreflectance calibration coefficience)，用κ或C_TR来表示，定义式为：

式中，R为参考反射率，ΔR为反射率变化量，ΔT为温度变化量。对于多数金属和半导体材料，C_TR与材料、入射光波长、入射角相关。若物体表面有多层结构，则每层结构的材料组合以及光在多层材料之间的干涉也会直接影响C_TR的值。基于光热反射现象进行测温的应用，通过C_TR的计算公式可以看出，C_TR绝对值越大，相同温度变化下反射率的变化越大，从而更容易实现高准确度的温度测量。C_TR的绝对值越小，测量系统得到的信噪比越小，使温度测量准确度受到限制。

影响C_TR的因素很多，但最重要的是测量的材料以及入射光波长。目前，通用的做法是针对每个类型或型号的样品，选择合适的测量波长，进行C_TR校准(C_TR calibration)，并使用经过校准的C_TR进行温度测量。在C_TR已知的情况下，可以通过测量物体反射率的变化，根据下式计算温度

式中，T_x为待测温度，T₀为参考温度，R_x为待测温度下的反射率，R₀为参考温度下的反射率。在被测物体表面投射一束探测光，然后使用探测器测量反射光强度的变化率即可实现温度测量。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光热反射测温方法，旨在解决待测区域内包括多种不同材料时，难以保证不同材料均有良好的测量效果的问题，利用多种波长探测光同时测量多种不同材料，减小C_TR损失，提高光热反射同时测量多种不同材料时的测温准确度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种光热反射测温法，包括步骤：

对待测区域进行光热反射系数C_TR校准；

对不同波长光源的出射光进行调制，并将经过调制的出射光投射到待测区域；

接收待测区域的反射光，并将反射光解调，得到不同波长反射光的信号；

对不同波长的反射光的信号进行计算，得到温度测试信息。

进一步地，所述对待测区域进行光热反射系数C_TR校准包括：

在光热反射测温相同条件下，调节待测区域的温度；

待热平衡后，测量调温后的待测区域的温度，并同时测量该待测区域中不同波长反射光的信号获得反射率；

根据待测区域温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR。

进一步地，所述不同波长光源数量至少为两个。

进一步地，所述出射光的调制方法包括开关调制和正弦幅度调制；所述反射光的解调方法包括同步机制和相干解调。

进一步地，所述出射光的调制通过控制光源的激励信号调制或通过光源外调制器调制。

进一步地，所述将反射光解调之前，还包括：

将所述反射光的光信号转换为模拟信号或数字信号，再对转换后的反射光进行解调。

进一步地，所述根据待测区域的温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数CTR为：

根据至少两次测得的待测区域的温度和反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数CTR。

进一步地，所述待测区域的温度受到频率为f₀的信号调制，并且f₀大于探测装置探测频率上限，则所述不同波长光源调制频率为f₀+f₁，f₀+f₂，...，f₀+f_N，其中f₁，f₂，...，f_N两两正交且均小于探测器带宽上限。

本发明实施例还公开了一种光热反射测温系统，包括多个不同波长光源；所述光源的出射光经过用于对出射光进行调制的光源调制装置，并通过用于传输所述出射光的光学组件照射到待测区域；所述出射光照射所述待测区域后形成的反射光传输至用于接收并转换反射光的光信号的探测装置，以及用于处理所述探测装置信号的信号处理装置。

进一步地，所述探测装置能够将反射光光信号转换为数字信号或模拟信号；所述信号处理装置能够处理数字信号或模拟信号。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：(1)本发明实施例的一种光热反射测温方法利用多个波长出射光同时对包括多种不同材料的待测区域进行温度测量，根据不同材料的特性选取C_TR最大的波长用于测温，减小同时测量多种材料的情况下的C_TR损失，提高光热反射测温准确度，以及测温效率；(2)本发明实施例提供的测温系统结构简单，采用常规装置即可实现，适于规模化推广和使用，能够通过多个不同波长的光源同时对包括多种材料的待测区域进行光热反射测温，提高光热反射测温的准确率和测温效率。

附图说明

图1是本发明实施例二提供的光热反射测温方法的流程图；

图2是图1步骤S101光热反射系数C_TR校准的流程图；

图3是本发明实施例三提供的光热反射测温方法的流程图；

图4是图3步骤S201光热反射系数C_TR校准的流程图；

图5是本发明实施例五提供的光热反射测温系统的示意图；

图6是本发明实施例六提供的光热反射测温系统的示意图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本实施例中的光热反射测温方法，详述如下：

对待测区域进行光热反射系数C_TR校准；

对不同波长光源的出射光进行调制，并将经过调制的出射光投射到待测区域；

接收待测区域的反射光，并将反射光解调，得到不同波长反射光信号；

对不同波长的反射光信号进行计算，得到温度测试信息。

本实施例的光热反射测温方法利用多波长探测光同时对包括多种不同材料的待测区域进行温度测量，根据不同材料的特性选取C_TR最大的波长用于测温，减小同时测量多种材料的情况下的C_TR损失，提高光热反射测温准确度，及测温工作效率。

进一步地，待测区域光热反射系数C_TR校准包括步骤：

在光热反射测温相同条件下，调节待测区域的温度；

待热平衡后，测量调温后的待测区域的温度，并同时测量该待测区域种不同波长反射光的信号获得反射率；

根据待测区域温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR。

进一步地，所述不同波长光源数量至少为两个，能够获得多个不同波长的出射光。

进一步地，所述出射光的调制方法包括开关调制和正弦幅度调制；所述反射光的解调方法包括同步机制和相干解调。

进一步地，所述出射光的调制通过控制光源的激励信号调制或通过光源外调制器调制。光源连续工作的情况下，可通过光源外调制器对出射光进行调制。

进一步地，所述将反射光解调之前，还包括：

将所述反射光的光信号转换为模拟信号或数字信号，再对转换后的反射光进行解调。将光信号转换为模拟信号或数字信号后，更便于计算。

进一步地，所述根据待测区域的温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数CTR为：

根据至少两次测得的待测区域的温度和反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数CTR。

经过多个数据进行拟合得到C_TR更准确。

进一步地，所述待测区域的温度受到频率为f₀的信号调制，并且f₀大于探测装置探测频率上限，则所述不同波长光源调制频率为f₀+f₁，f₀+f₂，...，f₀+f_N，其中f₁，f₂，...，f_N两两正交且均小于探测装置探测频率带宽上限。能够实现温度变化频率大于探测装置探测频率情况下的温度测量。

实施例二

请参阅图1，本实施例中的光热反射测温方法，详述如下：

S101：对待测区域进行光热反射系数C_TR校准；

S102：通过控制光源的激励信号，实现对两个不同波长光源的出射光进行正弦幅度调制，并将经过调制的出射光投射到待测区域；

S103：接收待测区域的反射光，将反射光的光信号转换为数字信号，并通过相干解调的方法解调，得到不同波长的反射光的数字信号；

S104：对不同波长的反射光的数字信号进行计算，得到温度测试信息。

优选地，请参阅图2，步骤S101包括：

S1011：在光热反射测温相同条件下，调节待测区域的温度；

S1012：待热平衡后，测量调温后的待测区域的温度，并同时测量待测区域不同波长反射光获得反射率；

S1013：根据待测区域的温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR。

优选地，步骤S101反复进行5次，获得5组待测区域的温度和不同波长反射光信号反射率，并对此5组数据进行拟合计算得到待测区域不同材料的最大光热反射系数C_TR，以及对应光的波长。

优选地，选择波长分别为470nm和623nm的两个LED，分别作为第一光源和第二光源。

优选地，对待测区域的温度进行频率为f₀的信号调制，并且f₀大于探测装置探测频率上限，则对第一光源和第二光源进行频率分别为f₀+f₁，f₀+f₂的调制，f₁，f₂正交且均小于探测装置探测频率带宽上限。若待测区域的温度受到调制而呈周期变化，调制频率f₀高于探测装置探测频率带宽上限，探测器无法测量到温度变化。此时可以对光源施加频率为f₀+f₁，f₀+f₂，的调制，其中f₁，f₂，正交且均小于探测装置探测频率带宽上限。此时光源强度变化和待测区域温度变化引起的反射率变化共同影响反射光强度，反射光含有差频信号分量f₁，f₂，这些频率可以被探测器捕捉到，然后使用对应的频率f₁，f₂解调，可以计算出被测温度变化的幅度。

本实施例中的光热反射测温方法，利用470nm和623nm两种不同波长的出射光同时对包括多种不同材料的待测区域进行温度测量，由于对待测区域进行了C_TR校准，所以能够根据待测区域不同材料的特性选取C_TR较大的波长用于测温，减小同时测量多种材料的情况下的C_TR损失，提高光热反射测温准确度和效率。并且通过对光源进行频率的调制能够实现待测区域的温度调制频率大于探测装置探测频率带宽上限情况的温度测量。

实施例三

请参阅图3，本实施例中的光热反射测温方法，详述如下：

S201：对待测区域进行光热反射系数C_TR校准；

S202：通过控制光源外调制器，实现对两个不同波长光源的出射光进行开关调制，并将经过调制的出射光束投射到待测区域；

S203：通过同步机制接收待测区域的不同波长反射光，将反射光通过低通滤波器和A/D转换器转换成反射光的数字信号；

S204：对不同波长的反射光的数字信号进行计算，得到温度测试信息。

优选地，请参阅图4，步骤S201包括：

S2011：在光热反射测温相同条件下，调节待测区域的温度；

S2012：待热平衡后，测量调温后的待测区域的温度，并同时测量待测区域不同波长反射光获得反射率；

S2013：根据待测区域温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR。

优选地，步骤S201反复进行5次，获得5组待测区域的温度和不同波长反射光信号反射率，并对此5组数据进行拟合计算得到待测区域不同材料的最大光热反射系数C_TR，以及对应光的波长。

优选地，选择波长分别为532nm和589nm的两个激光器，分别作为第一光源和第二光源。

本实施例中的光热反射测温方法，采用532nm和589nm两种不同波长的激光器作为光源，使出射光传播方向精确，光强稳定。出射光同时对包括多种不同材料的待测区域进行温度测量，由于对待测区域进行了C_TR校准，所以能够根据待测区域不同材料的特性选取C_TR较大的波长用于测温，减小同时测量多种材料的情况下的C_TR损失，提高光热反射测温准确度和效率。并且通过对光源进行频率的调制能够实现待测区域温度调制频率大于探测器带宽上限情况的温度测试。

实施例四

本实施例中的光热反射测温系统，包括多个不同波长光源；所述光源的出射光经过用于对出射光进行调制的光源调制装置，并通过用于传输所述出射光的光学组件照射到待测区域；所述出射光照射所述待测区域后形成的反射光传输至用于接收并转换反射光的光信号的探测装置，以及用于处理所述探测装置信号的信号处理装置。

本实施例中的测温系统结构简单，采用常规装置即可实现，适于规模化推广和使用，能够通过多个不同波长的光源同时对包括多种材料的待测区域进行光热反射测温，提高光热反射测温的准确率和测温效率。

进一步地，所述探测装置能够将反射光转换为数字信号或模拟信号，所述信号处理装置能够处理数字信号或模拟信号，能够提高待测区域温度的计算效率。

实施例五

请参阅图5，对应于实施例二中的光热反射测温方法，本实施例公开一种光热反射测温系统包括：第一光源、第二光源、用于调制光源出射光信号的信号发生器、用于传输出射光和反射光的光学组件、用于接收反射光的CCD相机，以及用于处理CCD相机输出的数字信号的数字信号处理装置。

优选地，光学组件包括用于将光源发出的出射光方向校准的准直器。该准直器用于将光源发出的出射光分成两束的分束器，以及用于汇集光线的透镜。

优选地，第一光源为波长470nm的LED，第二光源为波长623nm的LED。

具体地，首先，使用第一光源和第二光源进行C_TR校准，拟合计算得到待测区域不同材料的最大光热反射系数C_TR，以及对应光的波长。其次，信号发生器对第一光源、第二光源，以及待测区域分别以频率为f₀+f₁，f₀+f₂，f₀进行正弦幅度调制，且f₀大于CCD相机成像频率带宽上限，调制后的信号分别为sin(2π(f₀+f₁)t)、cos(2π(f₀+f₂)t)、sin(2πf₀t)。再次，第一光源和第二光源的出射光经过准直器校准出射光的方向后照射至分束器，经过分束器后第一光源和第二光源的出射光通过透镜照射至待测区域上。然后，出射光照射在待测区域后形成反射光经过与出射光相同光路照射至CCD相机，CCD相机将反射光的光信号转换为数字信号。最后，通过数字信号处理装置使用的正弦和余弦信号分别与CCD相机转换的数字信号相乘并低通滤波，得到同相和正交两个分量，分别对应第一光源470nm和第二光源623nm波长的信号，利用对应波长的C_TR可以计算出温度变化，实现光热反射测温。

本实施例中的光热反射测温系统光路结构清晰简单、采用常规光学组件、探测装置以及信号处理装置即可实现，能够通过多个不同波长的光源同时对包括多种材料的待测区域进行光热反射测温，提高光热反射测温的准确率和测温效率。

实施例六

请参阅图6，对应于实施例三中的光热反射测温方法，本实施例公开一种光热反射测温系统包括：第一光源和第二光源，用于调制光源出射光的信号发生器和快门，用于传输出射光和反射光的光学组件，用于接收反射光的光电二极管，用于将光电二极管的模拟信号转换为数字信号的低通滤波器和A/D转换器，以及用于计算测量温度的数字信号处理装置。

优选地，光学组件包括用于将光源发出的出射光分成两束的分束器和反光镜。

优选地，第一光源为波长532nm的激光器，第二光源为波长589nm的激光器。

具体地，首先，使用第一光源和第二光源进行C_TR校准，拟合计算得到待测区域不同材料的最大光热反射系数C_TR，以及对应光的波长。其次，信号发生器对第一光源、第二光源和光电二极管进行开关调制和同步机制，使得光电二极管在某一时间段接收到的仅为第一光源或第二光源发出的出射光。再次，第一光源或第二光源的出射光通过分束器和反光镜组成的光学组件照射在待测区域上。然后，出射光照射在待测区域后形成反射光，并照射至光电二极管上，光电二极管将反射光的光信号转换为电信号。最后，光电二极管转换的电信号经过低通滤波器和A/D转换器，转换成数字信号，利用对应波长的C_TR可以计算出温度变化，实现光热反射测温。

本实施例中的光热反射测温系统光路结构清晰简单，采用常规光学组件、探测装置以及信号处理装置即可实现。采用激光器作为光源，使出射光传播方向精确，光强稳定。本实施例测温系统能够通过多个不同波长的光源同时对包括多种材料的待测区域进行光热反射测温，提高光热反射测温的准确率和测温效率。

前述是对示例实施例的举例说明，并且不应被解释为对示例实施例的限制。虽然已经描述了一些示例实施例，但是本领域的技术人员将容易理解的是，在实质上不脱离本公开的新颖性教导和优点的情况下，示例实施例中的许多修改是可以的。因此，所有这些修改都意图被包括在如权利要求所限定的本公开的范围之内。因此，将理解的是，前述是对各种示例实施例的举例说明，而不应被解释为受限于所公开的特定的示例实施例，并且对所公开的示例实施例及其他示例实施例的修改意图包括在权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种光热反射测温方法，其特征在于，包括步骤：

对待测区域进行光热反射系数C_TR校准；

对不同波长光源的出射光进行调制，并将经过调制的出射光投射到待测区域；所述出射光的调制方法包括开关调制和正弦幅度调制；其中，根据不同材料的特性选取C_TR最大的波长用于测温；

接收待测区域的反射光，并将反射光解调，得到不同波长反射光的信号；所述反射光的解调方法包括同步机制和相干解调；

对不同波长的反射光的信号进行计算，得到温度测试信息；

所述待测区域的温度受到频率为f₀的信号调制，并且f₀大于探测装置探测频率上限，则所述不同波长光源调制频率为f₀+f₁，f₀+f₂，...，f₀+f_N，其中f₁，f₂，...，f_N两两正交且均小于探测装置探测频率带宽上限；

所述对待测区域进行光热反射系数C_TR校准包括：

在光热反射测温相同条件下，调节待测区域的温度；

待热平衡后，测量调温后的待测区域的温度，并同时测量该待测区域中不同波长反射光的信号获得反射率；

根据待测区域的温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR。

2.根据权利要求1所述的光热反射测温方法，其特征在于，所述不同波长光源数量至少为两个。

3.根据权利要求1所述的光热反射测温方法，其特征在于，所述出射光的调制通过控制光源的激励信号调制或通过光源外调制器调制。

4.根据权利要求1所述的光热反射测温方法，其特征在于，所述将反射光解调之前，还包括：

将所述反射光的光信号转换为模拟信号或数字信号，再对转换后的反射光进行解调。

5.根据权利要求1所述的光热反射测温方法，其特征在于，所述根据待测区域的温度、反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR 为：

根据至少两次测得的待测区域的温度和反射率拟合计算得到待测区域光热反射系数C_TR 。

6.一种光热反射测温系统，其特征在于，包括多个不同波长光源；所述光源的出射光经过用于对出射光进行调制的光源调制装置，并通过用于传输所述出射光的光学组件照射到待测区域；所述出射光照射所述待测区域后形成的反射光传输至用于接收并转换反射光的光信号的探测装置，以及用于处理所述探测装置信号的信号处理装置；

所述光热反射测温系统包括用于执行如权利要求1至5任一项所述的光热反射测温方法的结构。

7.根据权利要求6所述的光热反射测温系统，其特征在于，所述探测装置能够将反射光的光信号转换为数字信号或模拟信号；所述信号处理装置能够处理数字信号或模拟信号。

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