非平表面的紅外熱像測(cè)溫修正方法研究

李志偉 謝海軍 石煥江 張騎虎 倪慧葉

摘要：紅外熱成像測(cè)溫受到的影響因素很多，比如目標(biāo)輻射溫度、大氣輻射溫度、環(huán)境反射溫度等外界因素影響，同時(shí)也會(huì)受到鏡頭溫度、探測(cè)器陣列溫度、機(jī)芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度、系統(tǒng)電路溫度等內(nèi)部因素影響.在紅外熱成像儀設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)將這些因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行修正和補(bǔ)償，以保證測(cè)溫精確性及穩(wěn)定性.在溫度測(cè)量的過(guò)程中，距離及角度對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響也是人們研究的熱點(diǎn)，但是人們沒(méi)有對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)及面源目標(biāo)分別加以分析，因此，對(duì)于距離是否影響測(cè)溫結(jié)果仍存在分歧.本文通過(guò)對(duì)理論的分析和公式推導(dǎo)，對(duì)待測(cè)目標(biāo)與紅外熱成像儀之間的距離及角度對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響進(jìn)行闡述，并進(jìn)一步對(duì)人體測(cè)溫進(jìn)行研究，得到更準(zhǔn)確的測(cè)溫方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了很好的效果.

關(guān)鍵詞：紅外無(wú)損檢測(cè);紅外熱像儀;測(cè)溫誤差;溫度修正;非平表面

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，及時(shí)掌握設(shè)備的工作狀態(tài)是十分必要的。好多情況下，物體表面溫度可以間接地反映設(shè)備的工作狀態(tài)，因此開(kāi)展依據(jù)物體表面溫度對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的理論與方法研究具有重要的意義。

1熱成像測(cè)溫技術(shù)簡(jiǎn)介

任何物體只要高于絕對(duì)零度（-273.15℃）時(shí)，都會(huì)不斷地以電磁波的形式向外發(fā)出輻射電磁波，輻射的能量中包含各種波長(zhǎng)的電磁波，其中波長(zhǎng)在0.76～1000μm范圍內(nèi)為紅外線，熱作用強(qiáng)，又稱為紅外熱輻射。紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)正是利用被測(cè)物體的紅外輻射能量和自身溫度的關(guān)系來(lái)達(dá)到測(cè)溫的目的，其理論基礎(chǔ)是普朗克輻射定律，該定律揭示了黑體的輻射能量和波長(zhǎng)以及熱力學(xué)溫度的關(guān)系。通過(guò)紅外熱像儀傳感器探測(cè)物體的紅外輻射，經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理，把紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化成溫度值和可視化紅外熱圖像。

2紅外熱像的原理

紅外熱像儀利用紅外探測(cè)器、紅外光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的凝視型焦平面技術(shù)就省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并將其反射到探測(cè)器的光敏元件上，利用光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，當(dāng)掃描系統(tǒng)工作時(shí)，從景物到達(dá)探測(cè)器的光束隨之移動(dòng)，從而出現(xiàn)電視一樣的光柵，掃描系統(tǒng)以電視光柵形式使探測(cè)器掃描景物時(shí)，探測(cè)器將逐點(diǎn)接收的景物輻射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)序列，經(jīng)圖像電路處理、轉(zhuǎn)換成黑白標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，而由于被測(cè)物體紅外輻射的熱像分布圖信號(hào)非常弱，比可見(jiàn)光圖像明顯缺少層次感和立體感，因此，在實(shí)際工作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)物體的紅外熱分布場(chǎng)，常采用一些輔助措施來(lái)增加其實(shí)用功能，如圖像亮度、實(shí)際校正、偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算等。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

紅外熱像儀測(cè)溫流程圖，主要由紅外熱像儀、氙燈、聚光凸透鏡、質(zhì)量流量計(jì)和K型熱電偶等組成。紅外熱像儀采用德國(guó)InfraTec公司生產(chǎn)的VarioCAMHDhead980，其分辨率為1024×768，最大采集頻率為30Hz，精度為±1.5℃或者1.5%（視測(cè)量范圍而不同）。氙燈光源使用中教金源公司生產(chǎn)的CEL-PF300-T8，屬于高光功率全波段光源，波長(zhǎng)連續(xù)分布，光譜覆蓋范圍在200～1100nm。通過(guò)在氙燈上加裝濾光片，控制透過(guò)光線的波長(zhǎng)范圍，濾光片的透過(guò)波長(zhǎng)范圍及實(shí)際光強(qiáng)見(jiàn)表1。氙燈發(fā)出的光線經(jīng)聚光凸透鏡聚集形成光斑，由于在氙燈上加裝濾光片后光照強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，所以采用光功率計(jì)測(cè)量實(shí)際光強(qiáng)。光功率計(jì)采用英國(guó)Newport公司生產(chǎn)的919P-5kW-50，其探頭的接收孔直徑為50mm，測(cè)量功率范圍為20～5000W，精度為±5%。

3.2距離變化對(duì)人體測(cè)溫的影響分析

對(duì)于人體測(cè)溫，可近似看做小區(qū)域內(nèi)的面目標(biāo)測(cè)溫，但由于人體表面溫度場(chǎng)分布的非均勻性及身體各處的發(fā)射率不一致，角度及距離對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響較大，很難用統(tǒng)一的模型進(jìn)行處理.目前對(duì)人體測(cè)溫，基本采用測(cè)量前額部分溫度.由于前額部分面積較寬闊且平坦，適合做溫度采集.額溫檢測(cè)可以視為對(duì)面源目標(biāo)的測(cè)量.目前常用的測(cè)量方法有2種.一種是選取額部一定面積，在選擇范圍內(nèi)尋找最高溫作為測(cè)量結(jié)果;另一種是選取額部一定面積，在選擇范圍內(nèi)求取測(cè)溫平均值作為測(cè)量結(jié)果.經(jīng)過(guò)第2節(jié)的分析，如圖5所示，邊長(zhǎng)為p的正方形表示紅外探測(cè)器的一個(gè)像元，它在距離1l處測(cè)量的是邊長(zhǎng)1q構(gòu)成的正方形面積對(duì)應(yīng)的輻射能量，在距離2l處測(cè)量的是由邊長(zhǎng)2q構(gòu)成的正方形面積對(duì)應(yīng)的輻射能量.

3.3測(cè)溫驗(yàn)證

紅外熱成像儀測(cè)量結(jié)果受外部因素影響較大，目標(biāo)表面的發(fā)射率、大氣透射率、背景與環(huán)境溫度等因素會(huì)直接影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，由于熱電偶測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，所以采用熱電偶測(cè)量溫度與紅外熱像儀測(cè)量溫度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證?？傮w來(lái)看催化劑溫度越高，這兩種測(cè)量差異越大。帶通濾光片透過(guò)光強(qiáng)很小，催化劑溫升不大，這兩種測(cè)量方式幾乎沒(méi)有差異。在全波段光照下催化劑溫度最高，紅外熱像儀測(cè)量溫度略高于熱電偶測(cè)量溫度，原因是紅外熱像儀測(cè)量的是催化劑向光面溫度，而熱電偶測(cè)量的是催化劑背光面溫度。所有波段光照下這兩種方式測(cè)量誤差最大為9.7%，基本驗(yàn)證紅外熱像儀測(cè)溫的準(zhǔn)確性。

3.4溫度修正系數(shù)的分布

由該位置關(guān)系可計(jì)算得出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)天頂角q。由于實(shí)際工程應(yīng)用中，通常在金屬表面填涂一層非導(dǎo)電涂料，且非導(dǎo)電體在法向發(fā)射率相較于導(dǎo)電體更大，理論的光譜定向發(fā)射率與實(shí)際相差不大，因此以8～13mm的PS（Polystyrene）材料作為被測(cè)物體材料。經(jīng)計(jì)算可得，該位置關(guān)系下修正系數(shù)大于1.2的點(diǎn)占比44.1%。由此可見(jiàn)，對(duì)實(shí)際非平表面測(cè)溫時(shí)的定向發(fā)射率進(jìn)行修正是非常必要的。

4結(jié)論

結(jié)論針對(duì)使用紅外熱像儀測(cè)量非平表面溫度時(shí)不同被測(cè)量點(diǎn)的定向發(fā)射率的變化對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，本文依據(jù)物體表面定量發(fā)射率的變化規(guī)律，給出了各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的修正系數(shù)。同時(shí)，通過(guò)點(diǎn)云三維建模，利用熱像儀通用幾何成像原理推導(dǎo)出紅外熱像圖像素與實(shí)際物體的被測(cè)表面之間各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出了紅外熱像測(cè)溫過(guò)程中非平表面上的大天頂角被測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量結(jié)果的誤差修正方法。實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。

結(jié)束語(yǔ)

紅外熱像技術(shù)作為先進(jìn)的測(cè)溫方式及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在石油化工行業(yè)，除了設(shè)備結(jié)焦及設(shè)備保溫檢測(cè)等，紅外熱像也被應(yīng)用于用電設(shè)備運(yùn)行溫度控制、儲(chǔ)液罐內(nèi)液面高度等，不僅增強(qiáng)了石化廠區(qū)設(shè)備的自動(dòng)化控制，減小了生產(chǎn)時(shí)的安全隱患，同時(shí)也為企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能提供了一定的技術(shù)手段，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益增加了一道重要保障。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒學(xué)鋒，丁立強(qiáng)，翟玉衛(wèi)，劉巖，梁法國(guó)，李灝.顯微紅外測(cè)溫中功率器件的邊緣效應(yīng)及其修正[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2019，44（12）：983-988.

[2]賈桂鋒，武墩，蒙俊宇，王自唱，高云，馮耀澤.測(cè)量距離對(duì)生豬紅外熱成像測(cè)溫的影響及校正[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（11）：62-64+68.

[3]潘冬，蔣朝輝，蔣珂，桂衛(wèi)華.基于紅外熱圖像特征的紅外測(cè)溫誤差補(bǔ)償方法[C].中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)過(guò)程控制專業(yè)委員會(huì).第30屆中國(guó)過(guò)程控制會(huì)議（CPCC2019）摘要集.中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)過(guò)程控制專業(yè)委員會(huì)：中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)過(guò)程控制專業(yè)委員會(huì)，2019：95.

[4]趙海濤.基于紅外熱成像技術(shù)的豬體溫檢測(cè)與關(guān)鍵測(cè)溫部位識(shí)別[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

[5]劉曉光，余開(kāi).基于紅外熱成像的回流焊爐測(cè)溫儀設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2019，38（04）：121-124.

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