影响红外测温准确度的因素及补偿方法研究

影响红外测温准确度的因素及补偿方法研究
发表时间：2017-12-01T11:15:21.383Z 来源：《电力设备》2017年第22期作者：付延军刘明阳[导读] 摘要：温度是表征物质状态的主要参数之一。

目前，温度测量方法分为接触测温和非接触测温。

后者主要是基于红外测温技术。

（国网河南省电力公司平顶山供电公司运维检修部舞阳运维班河南平顶山 467000）摘要：温度是表征物质状态的主要参数之一。

目前，温度测量方法分为接触测温和非接触测温。

后者主要是基于红外测温技术。

由于温度的非接触测量，介质的温度测量结果受到很大的影响。

当距离超过一定范围时，红外测温仪的测温精度会降低，造成测量不准确。

关键词：红外测温；准确度；因素；补偿方法
1红外测温仪的工作原理及影响测量精度的因素
1.1红外测温仪的工作原理
红外测温仪又称点温监测仪，是指在平均温度范围内的非成像、仅监控的测试点或小视场。

基本结构包括红外探测器、光学系统、信息处理系统和信号放大、结果显示等。

图1所所示的是一个具有目视瞄准系统的测温仪，工作过程可描述如下：首先，对光学系统的红外辐射能量将收集的对象，并通过45度反射镜的辐射能量的镜头接在一起，通过滤波的红外探测器接收处理后，探测器将接收到的能量转换为电信号，再经放大器放大和处理，由显示器显示目标温度。

1.2影响测量精度的因素
热辐射是物体因温度而辐射电磁辐射的现象。

如果物体的温度高于绝对零度，则红外辐射能量将被发射到周围环境，其大小与物体表面温度分布密切相关。

因此，一旦检测出物体表面的红外辐射能量，就可以得到物体表面温度。

物体在常温下由于分子和原子的随机运动而引起不规则的红外辐射。

物体的不规则自由运动表明，红外辐射能量越大，物体表面温度越高。

相反，红外辐射能量越低，物体表面温度越低。

因此，通过测量物体本身的辐射能，可以更精确地测量物体的表面温度。

这是红外测温仪测量物体表面温度的理论依据。

依据这一思想推导出的普朗克黑体辐射定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律、维恩位移定律和郎伯余弦定律，它定量地描述了能源强度的温度和红外辐射之间的关系，从而得到表面的温度和热辐射能量之间的数学关系为对象：（1）
式中：T为物体的表面温度；P(T)为物体辐射功率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常量；ε为物体表面发射率。

由公式(1)可知，红外测温仪所测量的物体的表面温度T与P(T)、σ和ε的大小有关。

其间，物体辐射功率P(T)首要受空气中的成分、邻近的辐射能量和测温间隔等外界条件的影响。

物体的发射率ε首要受物体自身的特点因素影响。

因而，被测物体的温度会因为物体的所在的环境温度、物体的表面发射率和测量距离等要素的改变，使得红外测温仪测到的物体表面温度也有所改变，然后对红外测温仪的测量精度产生较大的影响。

1.3红外测温的误差分析
环境要素：被测方针所在的外界环境要素如环境温度和大气吸收等对红外测温仪的测量成果也有较大的影响，这儿首要考虑环境温度的影响。

假如被测物体的温度为T1，外界环境温度为T2，那么该物体在单位面积内发出的辐射能量为AεσT14，吸收的辐射能量为AασT24，那么就可以得出物体的净辐射能Q为：
（2）
距离系数：距离系数（K）是对红外测温仪分辨率的一种度量，是指被测物体到红外测温仪的距离S与测量物体的直径D之间的比值，K越大，分辨率越高。

随着距离的增大，红外测温仪测量的物体在多个瞬时视场区域的尺寸减小，当物体未满场时，输出数据就会减少，从而产生误差。

为了提高红外测温仪的测温精度，目标物体必须处于瞬时视场，有足够的剩余量。

因此，距离系数的选取尤为重要。

本文分析了红外测温仪在不同距离和温度下测量的数据，以确定距离因子对测温精度的影响程度。

为了提高红外测温仪的测量精度，设计了一种基于距离补偿的红外测温系统。

2距离补偿系统的设计和实现
2.1硬件设计
基于距离补偿的红外测温系统由红外测温仪、单片机、超声波传感器和标准黑体组成。

第一个红外温度计测量黑体的温度，和黑体的温度为该物体的真实温度，然后红外温度计测量温度，得到了在不同距离的红外温度计测量数据的情况下有不同的结论。

然后利用超声波传感器测量两个传感器之间的距离，并根据实测数据求出距离补偿公式。

最后，在单片机中，根据补偿公式编程下载，最后计算补偿后的温度T，从而实现温度距离补偿。

1）红外测温仪：本体系中，选用红外测温仪的型号为JRTS80的在线式红外测温仪，该测温仪具有抗电磁干扰、抗水蒸气、抗烟雾等特色，可进行小方针丈量，可直接与多种外表、设备、PC机等衔接。

丈量规模为0℃～300℃，其体系丈量精度为±0.5%±2℃。

2）单片机：本体系选用SM5964作为硬件电路设计的中心芯片，与传统的51系列单片机比较，SM5964是一种内嵌64KB闪存和1k字节RAM的8位单片微操控器，具备在体系可编程（in-systemprogram-mmability，ISP）功能，其中PDIP封装有32个I/O口，而PLCC/QFP封装有36个I/O口。

SM5964具有强壮的指令体系，使它成为一种高性价比的操控器。

3）超声波单元：操控芯片SM5964发送8个40kHz的方波以驱动超声波发射传感器，因为单片机的电压信号较低，运用芯片进行电平转换，进步发射能量，增大丈量规模；经过丈量发射信号与接纳信号的时刻间隔核算得到测验的间隔。

然后，依据测得的温度值，对其进行补偿或批改，消除间隔带来的附加差错。

2.2数据处理和改进的效果
在一定的外界条件下，对于同一被测目标物，随着测温距离的不同，红外测温仪所测得的数据也有所不同，为了提高红外测温仪的测量精度，就有必要对测量的数据进行补偿。

利用MATLAB软件拟合工具箱进行测量温度y与标准温度f(x,y)的数据关系分析，结合测试距离x 得到数据模型为：
f(x,y)＝ax＋by＋cxy＋kx2＋my2＋N(3)
经拟合工具得到参数集为N＝－3.682，a＝－3.084，b＝1.155，c＝0.4635，k＝0.05213，m＝－0.001575。

通过单片机并在其内按照数学模型公式进行编程下载，经过计算后得到补偿后的温度T。

表1为当黑体温度为50℃、60℃、70℃时，不
同距离处补偿后的数据。

使用表1所补偿后的数据，使用多项式对修正后的数据进行拟合，得出温度在50℃、60℃、70℃补偿后的不同的间隔-温度拟合曲线。

当黑体温度为50℃时，当间隔从0.5～4.0m改动时，测温差错减少到0.1℃。

当黑体温度为60℃和70℃时，在间隔为4.0m时差错值最大，分别为1.2℃和1.3℃，但仍比补偿前的差错7.4℃和9.0℃有了显着的改进。

因而，间隔的改变对测温精度有较大的影响。

3结论
在大气传输过程中，红外辐射不可避免地受到各种因素的干扰。

提高测量精度的方法主要是通过建立一个温度测量系统和传感器的具体水平补偿电路实现，如辐射温度漂移补偿和增益补偿，操作温度补偿在不同季节的仪器外，在镜头的视场。

然而，这种方法的变异性很差，只能在标称环境中使用，以获得更高的精度。

通过实验，对实际参考温度进行了实验分析，与实测的目标温度和不同距离的温度进行比较，利用补偿公式得到相应的温度差，提高了测温精度。

与当前的温度补偿方法相比，该方法简单易懂，使用方便，不需要知道的优点。