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    非制冷紅外熱像儀的測溫算法

    2018-07-27 08:38:08劉佳鈺
    關(guān)鍵詞:黑體輻射量測溫

    劉佳鈺

    (中國空空導(dǎo)彈研究院,洛陽471000)

    引言

    紅外測溫是以黑體輻射理論為基礎(chǔ),利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理,使用紅外熱成像系統(tǒng)對被測目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行測量,并通過一定的算法計(jì)算出被測目標(biāo)的溫度[1]。紅外測溫是一種非接觸測溫方式,與傳統(tǒng)測溫方式相比具有無損傷、非接觸、快速實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離、測溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前紅外測溫技術(shù)己在多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,如建筑、電力工業(yè)、航天航空、質(zhì)量檢測及冶金等。

    1 測溫模型的建立

    1.1 模型的建立

    本文的測溫模型基于全輻射理論建立。

    考慮一個(gè)微小面元,單位時(shí)間面積上,其輻射的能量滿足關(guān)系:

    式中,ε為物體表面發(fā)射率,σ=5.670×10-8(ω·m-2·K-4)稱為斯蒂芬—波爾茲曼常量,T為物體的絕對溫度。

    探測器的輸出信號表征探測器所接收到的輻射量,而機(jī)芯組件中探測器所接收到輻射包括,目標(biāo)的輻射量以及殼體和鏡頭對探測器的輻射為:。

    其中,Mt表示探測器所接收到的總輻射量,Mj表示探測器接收到的鏡頭的輻射量,Mk表示探測器接收到的殼體的輻射量,Mm表示探測器接收到的目標(biāo)的輻射量。

    機(jī)芯組件開機(jī)后,內(nèi)部器件開始工作,會散發(fā)出一定的熱量,導(dǎo)致殼體和鏡頭都有一定的溫升,即Mj和Mk變大。所以,在目標(biāo)Mm不變的情況下,隨開機(jī)時(shí)間的變化,探測器的輸出會發(fā)生變化。如果要補(bǔ)償這部分輻射帶來的誤差,則需要實(shí)時(shí)測量殼體和鏡頭的溫度。當(dāng)擋片擋在探測器前面時(shí),探測器的總輻射量可表示為:

    其中,Md為探測器接收到的擋片的輻射量。

    由式(2)-式(3),得到結(jié)果:

    根據(jù)式(1)可知,輻射量M與溫度T為四次方的關(guān)系,而輻射量M卻與探測器的輸出成正比關(guān)系,則可建立數(shù)學(xué)模型為:

    其中,Tm是目標(biāo)溫度,Tj是鏡頭的溫度,Td是擋片的溫度,ΔV是輸出電壓的差值,A、B、C為常數(shù)。通過試驗(yàn)測定A、B、C系數(shù),即,用溫度傳感器測定Tj和Td,再由公式6反推出系數(shù)值。雖然鏡頭和擋片溫度有差值,理論上需要用兩個(gè)傳感器來測量他們的溫度,但在實(shí)際上,由于擋片上不宜安裝傳感器,可使用鏡頭溫度進(jìn)行替代(通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擋片的溫度通常只比鏡頭溫度高1~2℃,可近似兩者相同),則數(shù)學(xué)模型可簡化為:

    再根據(jù)此模型重新擬合A、D系數(shù)。

    1.2 試驗(yàn)方法

    根據(jù)上述測溫模型可知,只要知道鏡頭的溫度,以及同一時(shí)刻擋片開關(guān)前后的探測器輸出,就可以反推出Tm。

    改變黑體溫度,Tm在20~150℃,以10℃為間距取值。每隔20s,記錄鏡頭溫度Tj、探測器在擋片開關(guān)前后的輸出信號ΔV,總測量時(shí)間為80min。在每一時(shí)刻,根據(jù)式(6)將ΔV對Tm4與Tj4擬合,得出該時(shí)刻的擬合常數(shù)A、D,可以通過式(7)反推黑體溫度。

    1.3 測溫模型驗(yàn)證結(jié)果

    經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集,可得到A、D系數(shù)的擬合結(jié)果如表1所示,表中只給出了前、后兩部分的數(shù)據(jù)。由表1可知,由于黑體溫度一直比較穩(wěn)定,所以,A系數(shù)在整個(gè)測量時(shí)間內(nèi)較穩(wěn)定,變化幅度不到1%。但是,由于鏡頭溫度要經(jīng)過10分鐘左右才能穩(wěn)定,所以,系數(shù)D變化很大。

    表2給出了計(jì)算的溫度值以及和實(shí)際值之間的相對偏差。

    表1 擬合常數(shù)

    表2 計(jì)算值與實(shí)際值的偏差

    2 結(jié)論

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