紅外測溫精度的影響因素及補償方法的研究

廖盼盼，張佳民

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紅外測溫精度的影響因素及補償方法的研究

廖盼盼，張佳民

（上海電力學院 自動化工程學院，上海 200090）

為了減少紅外測溫儀的測量誤差，提高紅外測溫儀的測溫精度，分析了距離、發(fā)射率和外界環(huán)境溫度等因素對紅外測溫儀測溫的影響；建立了紅外測溫實驗系統(tǒng)采集測溫數(shù)據(jù)，并對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行了分析驗證，通過分析驗證可得距離因素對紅外輻射測溫精度有較大的影響，并且存在一定的關系，從而為提高紅外測溫精度的提供了依據(jù)；設計了一套提高紅外測溫儀測量精度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測出被測物與紅外測溫儀之間的距離，根據(jù)測出的結果得到距離補償公式，然后依據(jù)公式得出溫度的距離補償，從而得到物體的實際溫度。最后分析可得，紅外測溫儀的測量精度能夠大幅提高。

紅外輻射測溫；測量精度；距離補償

0 引言

隨著社會的進步和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對電能的需求越來越大，國家對電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性的要求也越來越高，這就對傳統(tǒng)電氣設備的安全有了更高的要求?，F(xiàn)如今的電力系統(tǒng)的發(fā)展將向高電壓、大容量發(fā)展，設備的輸送能力不斷增加，從而引起設備的溫度不斷升高，容易導致設備損壞的問題時有發(fā)生，如若不及時發(fā)現(xiàn)，容易導致火災或爆炸，造成巨大的經(jīng)濟損失[1-3]。

目前在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中對電氣設備溫度的測量大多數(shù)采用手持式紅外測溫儀或紅外熱像儀。由于紅外熱像儀價格昂貴，若大量的使用于變電站就顯得不切實際。

紅外測溫技術作為一種典型的非接觸式測溫技術，它具有準確度高、測溫范圍廣、可實現(xiàn)實時觀測和自動控制等優(yōu)點[4]。

用紅外測溫儀進行測溫時，存在一些影響紅外測溫儀測量精度的外在因素，其中的主要因素有：目標物與紅外測溫儀之間的距離、目標物的發(fā)射率、外界環(huán)境條件（如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境輻射和風力影響等）[5]。本文主要分析距離因素對紅外測溫儀測量精度的影響，擬通過設計一個距離補償系統(tǒng)來提高紅外測溫儀的測量精度。

1 紅外測溫儀的工作原理及影響測量精度的因素

1.1 紅外測溫儀的工作原理

紅外測溫儀又稱為點溫儀，是一種非成像的、只能監(jiān)測待測點或小視場范圍內的平均溫度的監(jiān)測儀器?；窘Y構包括紅外探測器、光學系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)與信號放大、結果顯示等幾個主要功能部分。紅外測溫儀的工作原理框圖如圖1所示[6]。

圖1 紅外測溫儀的工作原理框圖

圖1所表示的是一個具有目視瞄準系統(tǒng)的測溫儀，其工作過程可以描述為：首先光學系統(tǒng)將收集目標物的紅外輻射能量，并通過45°反射分光鏡將接收到的輻射能量經(jīng)透鏡匯聚，通過濾光片處理后被紅外探測器接收，探測器將接收到的能量轉換為電信號，然后經(jīng)放大器放大和處理，由顯示器顯示目標物體的溫度。

1.2 影響測量精度的因素

熱輻射指的是物體由于自身溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。如果物體的溫度在絕對零度之上就會向周圍環(huán)境發(fā)出紅外輻射能，其大小與物體表面溫度分布情況密切相關。所以，一旦探測出物體表面發(fā)出的紅外輻射能量，就可以獲得物體的表面溫度。

常溫下的物體，由于本身的分子和原子做無規(guī)則自由運動，從而產(chǎn)生了紅外輻射。物體的無規(guī)則自由運動越劇烈，代表紅外輻射能量就越大，從而物體的表面溫度就越高，相反，紅外輻射能量越小，物體的表面溫度就越低。因此，通過測量物體自身的輻射能量，就可以較為準確地測量出物體的表面溫度，這就是紅外測溫儀測量物體表面溫度的理論基礎[7]。

依據(jù)這一思想推導出的普朗克黑體輻射定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律、維恩位移定律和郎伯余弦定律，它們都定量描述了溫度與紅外輻射能量強度的關系，因此可以得到物體的表面溫度與熱輻射能量之間的數(shù)學關系為：

()＝4(1)

式中：為物體的表面溫度；()為物體輻射功率；為斯蒂芬-玻爾茲曼常量；為物體表面發(fā)射率。

由公式(1)可知，紅外測溫儀所測量的物體的表面溫度與()、和的大小有關。其中，物體輻射功率()主要受空氣中的成分、附近的輻射能量和測溫距離等外界條件的影響。物體的發(fā)射率主要受物體自身的屬性因素影響。因此，被測物體的溫度會因為物體的所處的環(huán)境溫度、物體的表面發(fā)射率和測量距離等因素的改變，使得紅外測溫儀測到的物體表面溫度也有所變化，從而對紅外測溫儀的測量精度產(chǎn)生較大的影響。

1.3 紅外測溫的誤差分析

1）環(huán)境因素：被測目標所處的外界環(huán)境因素如環(huán)境溫度和大氣吸收等對紅外測溫儀的測量結果也有較大的影響，這里主要考慮環(huán)境溫度的影響。假如被測物體的溫度為1，外界環(huán)境溫度為2，那么該物體在單位面積內發(fā)出的輻射能量為14，吸收的輻射能量為24，那么就可以得出物體的凈輻射能[8]為：

＝14－24(2)

式中：為被測物體的單位面積；、分別為被測物體的發(fā)射率和物體的吸收率。

若待測物體的和相等，則：

＝(14－24) (3)

隨著外界環(huán)境溫度2的改變，測量結果也將會隨著改變。

2）發(fā)射率：發(fā)射率指的是物體的輻射能力與在相同溫度下黑體的輻射能力之比，是一個在0和1之間變化并且衡量物體輻射能力強弱的數(shù)值。

假設目標物的實際發(fā)射率為1，紅外測溫儀設定的發(fā)射率為2，根據(jù)紅外輻射測溫定律，目標物的真實溫度1和紅外測溫儀測量出的溫度2、環(huán)境溫度0之間的關系為[9]：

1(14－04)＝2(24－04) (4)

當被測目標物的實際發(fā)射率1為0.95，紅外測溫儀設定的發(fā)射率2為0.98，假如外界環(huán)境溫度0為20℃，紅外測溫儀測得溫度為2＝50℃，根據(jù)計算可以得到物體實際的溫度為50.38℃。如果被測目標物的實際發(fā)射率改為0.8，紅外測溫儀測得溫度依然為50℃時，計算可得物體真實的溫度為52.54℃，這樣導致了比較大的誤差。一般要減少測量誤差，首先要清除待測物體的發(fā)射率，然后再進行溫度監(jiān)測。一般的電力設備的發(fā)射率在0.85～0.95，所以多數(shù)使用的紅外測溫儀的發(fā)射率一般固定在0.95[10]。

3）距離系數(shù)：距離系數(shù)（）是對紅外測溫儀分辨率的一種度量，是指被測物體到紅外測溫儀的距離與測量物體的直徑之間的比值，越大，分辨率越高。當距離增加時，會使紅外測溫儀測得的物體的尺寸在瞬時視場面積的倍數(shù)減小，當被測物體不能充滿視場時，那么輸出數(shù)據(jù)就會減少，從而產(chǎn)生了誤差。為了提高紅外測溫儀測溫精度，所以目標物體務必要在瞬時視場內，而且要有適量的富余，因此距離系數(shù)的選擇就顯得格外的重要。

本文擬通過對同一物體在不同距離不同溫度的情況下，對紅外測溫儀所測得的數(shù)據(jù)進行分析，以確定距離因素對測溫精度的影響程度。設計一套基于距離補償?shù)募t外測溫系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)來提高紅外測溫儀的測量精度。

2 實驗方法及結果分析

在室溫一定的情況下，用測溫儀在不同距離對標準黑體進行測溫，測得黑體分別在不同溫度50℃（323K）、60℃（333K）、70℃（343K），不同距離的情況下得到的測溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同距離不同溫度測得的溫度

利用表1所測得的數(shù)據(jù)對，利用三階多項式對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得出溫度在50℃、60℃、70℃時，不同的距離-溫度擬合曲線，如圖2所示。

由上述分析可得紅外輻射測溫受距離因素的影響較大，因此在測溫距離不斷發(fā)生變化的情況下，為了實現(xiàn)測量的數(shù)據(jù)有較高的精準度，那么溫度的距離補償就顯得很有必要。

圖2 距離-溫度擬合曲線

3 距離補償系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

首先測量標準黑體和紅外測溫儀之間的距離，得到測量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出公式，依據(jù)公式得出溫度的距離補償值，最后就可以得出補償后的被測物體的真實溫度值。

3.1 硬件設計

建立的基于距離補償?shù)募t外測溫系統(tǒng)是由紅外測溫儀、單片機、超聲波傳感器和標準黑體構成的。首先紅外測溫儀測量被測黑體的溫度，并且由黑體的溫度作為物體的真實溫度，然后再與紅外測溫儀測得的溫度比較，得出在不同的距離的情況下紅外測溫儀的測量數(shù)據(jù)有所不同的結論。然后通過超聲波傳感器測出兩者之間的距離，并根據(jù)測出的數(shù)據(jù)得出距離補償公式。最后在單片機內按照補償公式進行編程下載，最后計算后出補償后的溫度，從而實現(xiàn)了溫度的距離補償。測溫系統(tǒng)的總體框圖如圖3。

圖3 測溫系統(tǒng)整體框圖

1）紅外測溫儀：本系統(tǒng)中，采用紅外測溫儀的型號為JRTS80的在線式紅外測溫儀，該測溫儀具有抗電磁干擾、抗水蒸氣、抗煙霧等特點，可進行小目標測量，可直接與多種儀表、設備、PC機等連接。測量范圍為0℃～300℃，其系統(tǒng)測量精度為±0.5%±2℃。

2）單片機：本系統(tǒng)采用SM5964作為硬件電路設計的核心芯片，與傳統(tǒng)的51系列單片機相比，SM5964是一種內嵌64KB閃存和1k字節(jié)RAM的8位單片微控制器，具備在系統(tǒng)可編程（in-system program- mmability，ISP）功能，其中PDIP封裝有32個I/O口，而PLCC/QFP封裝有36個I/O口。SM5964具有強大的指令系統(tǒng)，使它成為一種高性價比的控制器。

3）超聲波單元：控制芯片SM5964發(fā)送8個40kHz的方波以驅動超聲波發(fā)射傳感器，由于單片機的電壓信號較低，運用芯片進行電平轉換，提高發(fā)射能量，增大測量范圍；通過測量發(fā)射信號與接收信號的時間間隔計算得到測試的距離。從而，根據(jù)測得的溫度值，對其進行補償或修正，消除距離帶來的附加誤差。

3.2 數(shù)據(jù)處理和改進的效果

從表1可以看出，在一定的外界條件下，對于同一被測目標物，隨著測溫距離的不同，紅外測溫儀所測得的數(shù)據(jù)也有所不同，為了提高紅外測溫儀的測量精度，就有必要對測量的數(shù)據(jù)進行補償。利用MATLAB軟件擬合工具箱進行測量溫度與標準溫度(,)的數(shù)據(jù)關系分析，結合測試距離得到數(shù)據(jù)模型為：

(,)＝＋＋＋2＋2＋(5)

經(jīng)擬合工具得到參數(shù)集為＝－3.682，＝－3.084，＝1.155，＝0.4635，＝0.05213，＝－0.001575。

通過單片機并在其內按照數(shù)學模型公式進行編程下載，經(jīng)過計算后得到補償后的溫度。表2為當黑體溫度為50℃、60℃、70℃時，不同距離處補償后的數(shù)據(jù)。

表2 不同距離處補償后的數(shù)據(jù)

利用表2所補償后的數(shù)據(jù)，利用多項式對修正后的數(shù)據(jù)進行擬合，得出溫度在50℃、60℃、70℃補償后的不同的距離-溫度擬合曲線，如圖4所示。

經(jīng)過距離補償系統(tǒng)后的測溫數(shù)據(jù)表2可以看出，當黑體溫度為50℃時，當距離從0.5～4.0 m改變時，測溫誤差減少到0.1℃。當黑體溫度為60℃和70℃時，在距離為4.0m時誤差值最大，分別為1.2℃和1.3℃，但仍比補償前的誤差7.4℃和9.0℃有了明顯的改善。因此，距離的變化對測溫精度有較大的影響。

圖4 補償后的距離-溫度擬合曲線

4 結論

從表1可以看出，當目標物溫度為50℃、60℃和70℃時，在測量距離4.0m處誤差最大，但是經(jīng)過距離補償后，發(fā)現(xiàn)距離-溫度的擬合曲線得到大大的改善，因此可以得出測量距離的大小對紅外測溫儀是否精確是有很大的影響，在忽略外界的一些條件下，可以通過此方法對實驗測得的數(shù)據(jù)校正，得到比較精確的結果，這種方法在理論、實踐上具有一定的可行性。

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Research on Influence Factors for Measuring and Method of Correction in Infrared Thermometer

LIAO Panpan，ZHANG Jiamin

（School of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China）

In order to reduce the measurement error and improve temperature measurement accuracy of the infrared thermometer, the effect of distance, emissivity, ambient temperature and other factors on temperature measurement accuracy by infrared thermometer is analyzed. Therefore the temperature measurement data of infrared temperature measurement system is established, and the collected experimental data is analyzed. Through the analysis of authentication, the distance factors have bigger effect on the infrared radiation temperature measurement accuracy, and there is a certain relationship that provides the basis for increasing accuracy of infrared measuring temperature. The system of the infrared thermometer is designed to improve the measurement accuracy, which can measure the distance between the measured object and the infrared thermometer. According to the measured results, distance compensation formula is obtained, then according to the distance formula derived from the temperature compensation, and the actual temperature of the object is obtained. Finally, the measurement accuracy of infrared thermometers can be greatly improved.

infrared thermometer，measuring-temperature accuracy，distance compensation

TN219

A

1001-8891(2017)02-0173-05

2016-05-30；

2016-06-27.

廖盼盼（1991-），男，碩士研究生，研究方向為電氣設備多點紅外測溫遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究，E-mail：791707177@qq.com。

上海市電站自動化技術重點實驗室（13DZ2273800）。