郭珂等

摘 要：為改進因測量距離增大引起的紅外測溫精度不高的問題，建立一種新的溫度補償方法。該方法研究引起測量誤差的主要影響因素、紅外測溫的基本原理以及紅外能量衰減規(guī)律后，推導(dǎo)出溫度補償公式。滿足一定條件下，通過實驗，將補償前與補償后的溫度進行比較，獲得較為精確的溫度值，從而驗證方法的有效性。

關(guān)鍵詞：紅外測溫 影響因素 精度提高 補償方法

中國分類號：TP202+.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）009-025-03

1 引言

溫度是表征物質(zhì)狀態(tài)的主要參數(shù)之一。目前，測溫方法主要分為接觸式測溫與非接觸式測溫。后者主要以紅外測溫為主。由于是非接觸測溫，故測溫結(jié)果受到中間介質(zhì)的影響比較大，當(dāng)距離超過一定范圍時，紅外測溫儀的測溫精度將會降低，從而導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確。

紅外輻射在大氣傳播過程中，不可避免地要受到各種因素的干擾。目前提高測溫精度的方法主要通過搭建特定的測溫系統(tǒng)和傳感器后級補償電路來實現(xiàn)，比如儀器內(nèi)部的溫度漂移和增益補償、鏡頭視場外的輻射補償以及不同季節(jié)下的操作溫度補償。但此方法存在可變性差，只有在標(biāo)稱環(huán)境下使用才能達到較高精度的缺點。進行溫度補償時，補償公式與系統(tǒng)本身參數(shù)有關(guān)，導(dǎo)致補償方法復(fù)雜難懂，適用條件苛刻，實用性不強。為此，作者通過對影響紅外測溫精度的因素、紅外輻射的基本原理進行分析和試驗研究，提出了一種新的溫度補償方法。通過實驗，將所測溫度與被測目標(biāo)的真實參考溫度做對比分析，并在不同的測溫距離下，利用補償公式得到一個相應(yīng)的溫度差值，使測溫儀的精度得到提高。相比目前的溫度補償方法，該方法具有簡單易懂，應(yīng)用方便，且不需要知道測量儀器的詳細參數(shù)的優(yōu)點，這對于工業(yè)測溫應(yīng)用領(lǐng)域獲取設(shè)備運行精確溫度參數(shù)具有重要意義。

2 紅外測溫原理

自然界中任何高于絕對零度的物體都會向外界輻射紅外電磁波。通過對物體紅外輻射能量的測量，來確定其表面溫度，這就是紅外測溫儀測溫的理論基礎(chǔ)。

1900年，普朗克提出了黑體輻射量子假設(shè)后，利用諧振子能量分布應(yīng)該滿足麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計，求得普適函數(shù)表示如下，用波長 可表示如下：

（4）

式（4）表示大氣介質(zhì)中輻射電磁波的衰減遵循指數(shù)衰減規(guī)律，稱為波爾蓋定律。

在接近地面的大氣中，對紅外輻射吸收起到了主導(dǎo)作用的是水蒸氣和二氧化碳。

3.2 環(huán)境對紅外輻射的散射作用

當(dāng)紅外輻射在大氣中傳播時，大氣分子會引起輻射散射。散射可以看做是光子與大氣分子發(fā)生彈性碰撞，改變了輻射方向，使得本應(yīng)進入測量系統(tǒng)的能量并沒有被吸收，從而造成誤差。大氣中云、霧、水滴的半徑分子大小與紅外波長差不多，對紅外輻射具有強烈的散射作用。對于散射作用電磁波強度的衰減和傳輸距離關(guān)系可用下式表示：

W=W0e- x （5）

由式（4）和（5）可見，無論對與吸收還是散射，紅外電磁波能量都隨距離增大成指數(shù)衰減。

4 補償方法

大氣對紅外能量的衰減作用，隨著測量距離的增大而增大，導(dǎo)致測量時引起測量誤差，本方法就是針對該誤差進行補償。

假設(shè)儀器設(shè)定的發(fā)射率為 1，物體的實際發(fā)射率為 2，根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，設(shè)在距離R時紅外測溫儀測量溫度為T1，物體的表面溫度T2、環(huán)境溫度T0之間的關(guān)系可以表示為：

（10）

式（10）中： 為消光系數(shù)，此公式為進行溫度修正的理論依據(jù)。

在測量環(huán)境較為穩(wěn)定時，忽略大氣散射和其它因素對紅外輻射的影響，近似大氣消光系數(shù)為 = + ，通過上式較為準(zhǔn)確地求解出被測目標(biāo)表面的真實溫度。

5 實驗驗證

5.1 實驗條件及儀器

實驗在室內(nèi)進行，其測量環(huán)境穩(wěn)定，大氣消光系數(shù)近似為常數(shù)。

實驗儀器為在線式紅外測溫儀IS-500V，測溫范圍：0-500℃，對應(yīng)正比輸出0-5V；吸收光譜波長為：8-14 m；參考發(fā)射率：0.95固定；距離系數(shù)：1：30。

被測物體使用聚丙烯樹脂密封盒（發(fā)射率0.920.95）。

5.2 實驗方法與分析

將被測物均勻加熱至80℃，利用標(biāo)準(zhǔn)溫度計測量被測物體的表面溫度，作為其真實溫度。用紅外測溫儀以20cm為單位不斷增加測量距離，并記錄該測量距離時紅外測溫儀所顯示的溫度。得到溫度-距離的關(guān)系，見表1。

由公式（4）（5）可知，紅外輻射在大氣中的透過率呈現(xiàn)指數(shù)衰減。測溫儀所測物體溫度是對其接收到紅外能量的一種體現(xiàn)。由公式（2）給出的斯蒂芬-波爾茲曼定律表明對于同一材質(zhì)的物體，其溫度與輻射紅外能量是一一對應(yīng)的關(guān)系，紅外測溫儀所測溫度大小可以反映距離對紅外輻射的衰減作用強弱。溫度與測量距離關(guān)系已由公式（10）給出。

利用實驗中測得T2、T0、T1和R的大小，可以繪出T14-T04—R曲線，對其進行擬合，便可得到消光系數(shù) ，如圖1所示。

將 代入公式（10）中求出修正后的溫度值T1，并將其與參考溫度進行比較，可得到被測目標(biāo)參考溫度、紅外測溫儀測得的溫度以及紅外測溫儀修正后的溫度與距離關(guān)系曲線。

圖2所示虛線是物體真實溫度曲線，由圖可知，隨著測量距離增大，測量溫度減小很快，遠遠超過了被測物體真實溫度減小速度，造成測量誤差。當(dāng)測量距離為400cm時，物體真實溫度與測量溫度相差15℃，相對誤差超過20%。帶“*”的曲線是經(jīng)過修正后的溫度變化曲線，它分布在物體真實溫度曲線附近，測量誤差小于1℃，相對誤差小于1.5%。相比于沒有修正時，誤差明顯減小。

6 結(jié)束語

由理論分析結(jié)合實驗驗證可知，在一定的距離范圍內(nèi)，紅外測溫儀測量值隨著測量距離的增加而不斷減小，引起測量誤差，往往使之達不到測量精度要求。這就要求實際測量時必須利用補償模型來修正由于大氣衰減以及環(huán)境的影響。根據(jù)公式（10）建立的溫度補償公式，將測量溫度進行適當(dāng)?shù)男拚?，可大幅提高測量精度。該補償方法在應(yīng)用時，要求測量環(huán)境環(huán)境溫濕度恒定、被測物發(fā)射率和儀器參考發(fā)射率盡量一致，這樣才能使衰減系數(shù)基本為一定值，達到補償效果。該方法原理簡單，通俗易懂，方法實用，適用于如測量室內(nèi)電力設(shè)備運行溫度等諸多場合，具有很高的應(yīng)用價值。

（基金項目：重慶大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（編號1210611025））

參考文獻：

[1] 聶紹龍.大距離系數(shù)紅外測溫理論及應(yīng)用研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2003：1-6.

[2] 唐忠，楊春旭，崔吳楊，等.電氣設(shè)備紅外測溫影響因數(shù)及溫度修[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2010，26（5）：415-417.

[3] 孫志遠，李清安，喬彥峰，等.提高紅外測溫系統(tǒng)測溫精度的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2005，27（6）：67-68.

[4] 晏敏，顏永紅，曾云，等.非接觸式紅外測溫原理及誤差分析[J].計量技術(shù)，2006，（1）：23-25.

[5] 余懷之.紅外光學(xué)材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：1-5.

[6] 張忠恒.雙波長紅外測溫儀的研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2007：10-12.

[7] 吳晗平.紅外輻射大氣透過率的工程理論計算方法研究[J].光學(xué)精密工程，1998，6（4）：36-41.

[8] 周國輝，劉湘?zhèn)?，徐記?一種計算紅外輻射大氣透過率的數(shù)學(xué)模型[J].紅外技術(shù)，2008，30（6）.331-332.