紅外熱像儀測量切削溫度的誤差來源分析與實驗研究

陶 媛，王中任，胡玉琴，游浩浩

（湖北文理學院 機械與汽車工程學院，襄陽 441053）

0 引言

切削溫度是影響切削加工過程中刀具狀況和工件表面質(zhì)量的重要物理量，精確測量和控制切削溫度，對于降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)率具有重要的意義。在用紅外熱像儀對切削溫度進行測量時，會受很多因素的影響。比如前面所說的拍攝角度、距離、發(fā)射率等可以改變的因素，還有一些很難改變的因素，比如，環(huán)境輻射、大氣溫度、大氣衰減等，這些因素的不確定都會帶來測溫誤差。

對于切削溫度的測量，國內(nèi)外比較常用的是自然熱電偶法和人工熱電偶法，它們分別測的是切削區(qū)的平均溫度和某點的溫度[1]。雖然紅外熱像儀在測量切削溫度時存在一些誤差來源，但相對于其他的測溫方法還是有很多優(yōu)點的。它不僅能測目標范圍內(nèi)任一區(qū)域的平均溫度，還可獲得最高溫度，最低溫度與任一點溫度，其次它靈敏度高，可遠距離非接觸實時監(jiān)測，能很直觀簡便的獲得紅外圖像。為了更好地運用熱像儀的這些優(yōu)點，首先就要了解其測溫原理，然后才能找出并避免人為因素帶來的測溫誤差。

1 FLIR紅外熱像儀測溫原理及公式

從原理上講，熱像儀包括兩部分：光學部件和探測器。光學部件使被測物體的紅外輻射集中到探測器上，然后探測器將接受到的輻射以電信號的方式輸出，并在顯示器上顯示目標圖像，圖像上每一點的灰度值都對應著目標物體表面上每一點的溫度。紅外線熱像儀在進行標定時，就是用圖像灰度值與黑體溫度之間的對應關系得到擬合公式的，當我們使用熱像儀時，就利用各種擬合公式來得出不同溫度的物體的輻射溫度[2]。

在研究紅外輻射的歷史過程中，最基礎的公式是普朗克公式，它描述了黑體輻射的光譜分布：

式（1）中：W為在任何波長λ時，黑體的光譜輻射率；C為光速=3×108m/s；h為普朗克常量=6.6×10-23J/s；K為玻爾茲曼常量=1.4×10-23J/K；T為黑體的絕對溫度(K)，λ為波長（微米）。在普朗克定律的基礎上相繼出現(xiàn)了維恩位移定律和玻爾茲曼定律，為紅外熱像儀奠定了堅實的理論基礎。FLIR熱像儀的工作波長范圍很小，所以物體表面發(fā)射率ε和吸收率α，還有大氣透射率τ都是定值，即與λ無關。所以作用于熱像儀的輻射照度為：

其中，Ao為熱像儀最小空間張角所對應的目標物體可視面積，d為熱像儀與目標物體的距離，Tobj為目標物體的表面溫度，Trefl為環(huán)境溫度，Tatm溫度，L(T,λ)表示溫度為T的黑體的輻射亮度。 由文獻[2]：

式（3）中ρ為目標輻射率。同樣因為熱像儀的工作范圍很小，W(T,λ)與λ無關，則L(T,λ)也與λ無關。如果測量條件不變，即不變，并且ε、α、τ為定值。雖然Ao與d一般條件下是定值，但在測量切削溫度時，會改變拍攝角度與距離，那么d會改變，Ao也會因為所測范圍被部分遮擋而間接變小，所以這些數(shù)據(jù)的變動，就會帶來一定的測溫誤差[3～5]。當目標物體表面發(fā)射率不確定時，錯誤的發(fā)射率也會帶來測溫誤差[6]。下面通過實驗來研究這些因素對切削溫度的影響情況，并依此來指導熱像儀參數(shù)的設置。

2 實驗及結(jié)果分析

如圖1所示為實驗現(xiàn)場，機床為CA6140車床，熱像儀型號為FLIR A315，工件材料為45號鋼棒料，刀具為YT15，主偏角為90o。首先，在車床上安裝好工件與刀具；然后，通過千兆網(wǎng)線連接電腦與熱像儀，并根據(jù)所測要求擺放好熱像儀；最后，采用FLIR/Tools工具獲取圖像，并實施實時采集切削區(qū)域的紅外圖像并分析切削溫度。切削用量分別為：n=800r/min，f=0.24mm/r，ap=0.5mm，并且每次實驗時保持三要素的取值不變，則可知每次切削時的最高溫度不變。另外，每次實驗都是在相同環(huán)境中實施，即相對濕度、大氣溫度，環(huán)境溫度都相同。

在使用FLIR/Tools采集時候，要填寫發(fā)射率、距離、大氣溫度等參數(shù)，圖2為拍攝所得圖像。實驗中所測的溫度可以通過FLIR/Tools界面，通過點、線、面，來確定測量點溫、線溫和區(qū)域溫度。下面計算時為軟件上顯示的切削區(qū)的最高溫度。

2.1 拍攝角度對切削溫度的影響

此次實驗在車床上切削工件時，刀具與工件垂直，拍攝角度與工件和刀具在同一平面內(nèi)。因為拍攝角度有限，只能從車床左側(cè)拍攝。設與工件垂直的拍攝角度為0°，從此角度往左來實測拍攝角度。本次實驗拍攝角度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°。需要注意的是，改變平面拍攝角度時，熱像儀的視場角為定值。圖表3為不同角度時溫度的波動圖。

圖1 實驗環(huán)境

圖2 拍攝所得圖像

圖3 不同角度時溫度的波動圖

由圖3知，此折線圖兩邊的溫度顯示較高，中間的溫度顯示較低。在實驗環(huán)境中，角度較小或較大時，熱像儀視場角雖然一定，但車床的車身都會在一定程度上遮擋住視場角所測范圍，這就間接的減小了視場角。因為視場角越大，相對信號差值越大，測量的溫度誤差越大[2]。那么則是視場角越大，溫度則相對較低。在15°、20°、25°時，視場角所測范圍幾乎沒被遮擋，所以視作視場角較大，溫度也就相對較低，測溫誤差也相對較大。而5°、10°、30°、35°時，視場角所測范圍有一部分被遮擋，所以視作視場角較小，溫度則相對較高，測溫誤差也相對較小。

2.2 測量距離對切削溫度的影響

本實驗中，拍攝距離依次為：0.8m、0.9m、1m、1.1m、1.2m、1.3m和1.4m。圖4為不同距離時溫度的波動圖。

圖4 不同距離時溫度的波動圖

如圖4經(jīng)過計算后知，在1.1m～1.2m的范圍內(nèi)，溫度方差S1最小，其值為S1=0.9，即溫度較穩(wěn)定。而在0.8m～1.1m或1.2m～1.4m這兩個范圍內(nèi)，溫度方差分別為58.3和48.6，都比S1大很多，即溫度的變化很大。如果熱像儀只在某距離d下進行標定時，不同距離測溫，則溫度絕對誤差平均值在d距離時相對較小，距離小于d或大于d時,其溫度絕對誤差平均值相對較大。所以要想減小測量誤差，每次改變距離時，重新進行熱像儀標定，可以減小測量距離的變化對熱像儀測量精度的影響。如果不重新標定，計算溫度相對誤差，并以此值作為修正值，對標定方程得到的溫度值進行修正，也可減小測溫誤差。所以從此實驗數(shù)據(jù)看，如果不做任何措施，拍攝距離應該控制在1.1m～1.2m之間，而且此款熱像儀的標定距離也在這個范圍內(nèi)。如果選取熱像儀的標定距離為1.15m，則拍攝距離與其差值應不大于0.05m。

2.3 發(fā)射率對切削溫度的影響

本實驗中，發(fā)射率依次設為：0.4、0.44、0.46、0.48、0.5、0.52、0.54、0.56和0.58。圖5為不同發(fā)射率時溫度的波動圖。

圖5 不同發(fā)射率時溫度的波動圖

如圖5經(jīng)過計算后知，發(fā)射率在0.48～0.5范圍內(nèi)，溫度方差S2=0.45，而發(fā)射率在0.4～0.48和0.5～0.58這兩個范圍內(nèi)時，溫度方差分別為20.7和24.6，都比S2大很多。所以發(fā)射率在0.48～0.5范圍內(nèi)，溫度最穩(wěn)定。此規(guī)律與實驗二相似。

目標物體表面會因為物質(zhì)的成分改變和氧化程度不同，從而導致表面發(fā)射率不確定，但鋼材料的發(fā)射率的基本范圍在0.52～0.57之間。所以先在0.52和0.57左右假設出物體不同的發(fā)射率，則可知，越接近真實發(fā)射率時，測溫誤差越小，所測溫度越穩(wěn)定；越遠離真實發(fā)射率，測溫誤差越大，所測溫度越不穩(wěn)定。從圖5中數(shù)據(jù)看，本實驗物體表面發(fā)射率可定在0.48～0.5范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

通過實驗研究可知，雖然熱像儀的拍攝角度有限，但角度上的變化會對所測溫度帶來誤差。視場角一定時，在能測到目標物體的前提下，所拍攝角度應盡量在對視場角所測范圍起到遮擋作用的范圍內(nèi)；選擇測量距離時，所選距離會帶來測量誤差，另外，還要根據(jù)切削現(xiàn)場情況合理安裝熱像儀，必要時可以采取倒置懸掛的方式。對于同一種碳鋼而言，不同加工表面光潔度，表面的發(fā)射率會不同，可以預先設定材料的參考發(fā)射率，然后通過大量的試驗，把發(fā)射率確定在測量溫度較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這樣可以減少測溫誤差。

研究結(jié)果對于紅外熱像儀現(xiàn)場監(jiān)測切削溫度，具有實際的指導意義。

[1]全燕鳴,趙婧,何振威,林金萍 ,樂有樹.切削溫度測量信號的獲取與處理[J].中國機械工程,2009,20(5):573-576.

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