影响红外测温系统精度的主要因素及解决方法浅析

影响红外测温系统精度的主要因素及解决方法浅析 (2007/04/19 10:22)目录： 技术论坛



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摘要 本文主要针对现各化工企业中所使用的红外测温系统在操作中易忽视的影响精度测量的几个方面进行阐述，目的是为了进一步提高测量的精度，并且针对这些影响因素提出了解决的方法。

关键词 红外测温系统 辐射衰减 发射率 背景噪声 强制对流

1 前言

随着科学技术的进一步发展和普及,红外热像仪,作为热成像系统进行非接触温度测量的重要工具,已越来越广泛地应用于电气设备、石化设备和其它工业设备的状态监测。

用红外热像仪对各类设备进行状态监测,除了要得到良好的红外图像,更重要和更具有意义地是要做到精确地测量。只有精确地测量,才能准确地反应设备的运行状态,为工艺的改进提供可靠的数据；也只有精确地测量,才能避免各类事故的发生,为各生产厂减少不必要的经济损失。

发展到目前的热成像系统已是现代半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程的产物,是一个利用红外传感器接收被测目标的红外线信号,经放大和处理后送至显示器上,形成该目标温度分布的二维可视图像的装置。

2 正文

红外线波长范围是0.78μm到100μm。然而,红外辐射自目标发射出来,总是要在大气中传播一段距离才能到达观测仪器,除几何发散外,红外辐射在大气中传播会有很大衰减,主要因素是大气中各种气体对辐射的吸收。

组成大气的主要气体是氮气.氧气.氩气,它们占99%以上。有幸的是，它们不吸收15μm以下的红外线,否测红外技术在野外就无法使用。能引起红外吸收的气体是水汽,二氧化碳,臭氧(O3),它们在不同波段针对红外线形成吸收带，再加上甲烷,一氧化碳等吸收作用,造成了红外辐射的衰减。通过1μm到15μm的红外辐射通过一海里长度的大气透射比试验,证明只有处于红外吸收带之间的红外辐射能够透过大气向远处传输,其中有三个透过大气的红外波段，1-2.5μm,3-5μm,8-13μm，这三个波段被称作”大气窗口”，红外测温系统常常在这三个窗口内工作.

3-5μm,8-13μm两个波段的范围都有不同特性的控制可选用。这两个波段分别称为”短波”和”长波”窗口。从原理上计,这两个窗口都敏感,但大多数设计者都选择了短波段,原因是该波段范围中,能在较宽的范围内提供最佳功能,达到良好的测温要求；而长波窗口则更多地用于低温及远距离的检查(AGENA570就有此功能)。

只有对热成像系统的原理及构成有了一定的了解后,才能实现对热像仪的正确操作,从而

进一步实现对温度的精确测量。

由于热像仪测温是利用探测器输出的视频信号进行处理后得出的，根据公式:

Us∝(wσT5/π)∫ ε(λT)τα(λ)R(λ)dλ

式中:Us---探测器输出视频信号的幅度

λ1,λ2---热像仪工作波长范围

w---热像仪瞬时视场角.

σ---辐射常数

T ---被测目标温度

ε(λT)---被测目标光谱辐射率

τα(λ)---大气透过率

R(λ)---热像仪总光谱响应

可见,测温精度与很多因素有关,如目标特性,热像仪特性,测量距离等。

为了实现所需的温度测量和便于操作,目前使用的大多数热像仪（如PM290）已在系统中实现了以下三方面的精度补偿:

(1)热像仪内部的飘移和增溢补偿.

(2)不同操作温度下的补偿.如夏天和冬天.

(3)镜头视场外的辐射补偿.

其它如发射率,环境温度,距离,湿度等最基本的参数则要求用户根据实际情况自行设置,以保证测温精度的可靠性。

下面我们以美国红外测量公司(Inframetrics)生产的PM290型红外热像仪为例,来说明在实际监测过程中,如何做到精确测量。

开机后,在设置菜单1中,可见到以下几项要求用户进行设置的项目.

a被测目标发射率

b背景温度

c环境温度

d湿度

e距离

因此，实际测温过程中的影响因素主要有以下四方面.

A辐射系数的影响

B背景噪声

C光路上的吸收与散射

D红外测温仪的稳定性

上述因素的影响程度随测量条件的不同而变化,为了保证测量的可靠性,必须尽可能准确地进行校准,也就是说,要想得到精确的温度值,检测人员必须尽可能在系统设置项中准确地设定各参数的值。

2． 1发射率

不同的物体辐射能力不同,理想黑体具有最大的辐射能力,而其它物体辐射能力的衡量引入了一个参量,即光谱发射率ε ,又称辐射系数。 ε系指在相同温度及条件下,实际辐射体与黑体的辐出度之比值。

发射率表明了辐射和吸收的能力,它是材料的固有性质.测温时选用ε值的大小直接影响测温结果。然而,它随表面条件、形状、波长和温度等因素的影响而变化，为了测量真实温度，需要精确的设定发射率值。以下四幅图是用PM290拍摄的盛有热水的红外热像图。相邻热像图之间的拍摄间隔为2秒，因此，因时间造成的误差可以忽略。根据有关手册查得玻璃在20℃～100℃时的发射率为0.94～0.91,试验取值为0.92.拍摄时其它条件不变，仅改变ε的取值：

许多文献著作中都有物理常数表，但由于ε是随测量条件不同而变化的，因而在使用这些数据前必须检查测量条件，包括材料的材质，材料的温度，表

面的状况等。值得一提的是，在检测外壁上涂有除腐涂层的容器时，一定要注意涂层是否有脱落，减薄，不均等现象，因为测点位置的错误很可能导致错误的温度数据，所以在现场要灵活运用，综合分析。

B使用涂料或已知发射率的物质，置于被测物体表面，通过加热的方法使其与被测物体达到热均衡，各处温度一致，用辐射温度计测量其温度和被测物体表面温度，取二者辐射能的比率来测定发射率。

C将被测物（或与被测物相同的材料）放入载有黑体的加热器中，加热试样使其达到黑体温度，求出试样与黑体辐射能力的比率，从而测定被测物的发射率。

2．2背景噪声

利用红外辐射测温，由于信号非常小，低于常温的测量将受背景噪声的影响，在室外，阳光的直接辐射，折射和空间散射线是主要的背景噪声。室内测量时，来自待测物体周围的反射光有时极大地影响测量结果，因此在测温时必须考虑上述影响因素，采取的基本对策如下：

2.2.1准确对焦距，避免非待测物体的辐射能进入测试角。

2.2.2在待测物体附近设置屏避物，以排除外界干扰。

2.2.3室外测量时，选择有云天气或晚上以排除日光的影响

2.2.4物体发射率低，光反射的影响越大，因而应采用发射率高的涂料或制小孔等方法来提高发射率。

2.3光路上的吸收

空气中某些物质，如H2O，CO2，O3，CO N2O CH2等均吸收红外线。根据实际的工作环境及仪器自身的适应性，PM290型热像仪在设置中，主要考虑的是水蒸汽对测温精度的影响。

除此以外，我们在实际检测时，发现风力状况也影响到测温的精度，为此，我们查阅了一些相关资料，发现瑞典国家电力局早已为此经过了多次实验并定义了下面的公式作为风力影响的修正:

T01＝T02 × （V1／V2）＝T02 ×√V1／V2

T01―――在风速V1下的过热温度

T02―――在风速V2下的过热测度

该公式适用于室外的强制对流（风正面吹向物体）条件。例如：风速V1＝4m／s时测得过热温度为T01＝10℃，那么在风速V2＝1m／s的条件下，过热温度T02可得为：

T02＝10×√4／1＝20℃

2.4热像仪的稳定性

与其它仪器不同的是，红外热像仪在很大程度上受环境温度的影响，实际上待测温度低于常温时，环境温度变化的影响甚至大于信号的变化，这是由于红外透镜自身存在一些不可避免的影响因素，尽管仪器设计中考虑了某种补偿措施，但最好使仪器的使用温度维持在恒定的温度，当环境温度高于规定值时，必须冷却仪器。

3结束语：

本文仅是对检测人员在实际操作中易忽视的一些环节作

了提示性的总结及建议，如有不正之处，希望能给予大力指正。




大气窗区 atmospheric window
电磁波辐射能够较好地穿透大气的一些波段。包括可见光窗区、红外窗区和射电窗区。
可见光窗区 波长为0.3～0.7微米的可见光波段，能够穿透大气被人们的视觉直接感受到。这波长范围的辐射，大气吸收很少，主要因大气分子和气溶胶的散射而衰减（见大气散射）。一些激光发射波长位于可见光窗区，如0.4880微米（氩离子激光）、0.6328微米（氦氖激光）、0.6943微米（红宝石激光）等波长都没有显著的吸收。但也可能存在少数的吸收线，如红宝石激光要注意避开0.69438微米的水汽吸收线。
红外窗区 在红外波段，大气中的主要吸收成分是水汽、二氧化碳和臭氧，其中尤以水汽为最重要。水汽在1.1、1.4、1.9、2.7、6.3 微米附近和13微米以上有一系列吸收带。二氧化碳的吸收带中心位于2.7、4.3和14.7微米附近。 臭氧的吸收带中心位于4.7、9.6和4.1微米附近（见大气吸收光谱）。这些吸收带间的空隙形成一些红外窗区,如1.05、1.25、1.65、2.3、3.8、4.0微米附近，但最主要的红外窗区是8～13微米波段,它比较宽，而且除9.6微米臭氧吸收带外,别无其他强烈的吸收。红外窗区中的常用激光发射波长有1.06微米（钇铝石榴石激光和钕玻璃激光）和10.6微米(二氧化碳激光)，都是透过率很好的波段。在红外波段，大气分子和气溶胶的散射衰减比可见光窗区要小得多。
射电窗区 波长在1毫米（300吉赫）至30米（10兆赫）的电磁波能较好地穿透大气。此窗区的短波端，属微波范围,称为微波窗区。短波端的下限,主要由大气中的氧分子和水汽的吸收以及降水水滴对电磁波的散射和吸收所限制。在窗区内还出现以氧分子吸收为主的2.53毫米和5毫米的吸收带,以及以水汽吸收为主的1.64毫米和1.35厘米的吸收带，为了避开这些吸收带，微波窗区的波长常用3.3毫米、8～9毫米和3厘米等（见大气的微波吸收）。射电窗区长波端的上限主要由电离层的临界频率所限制，后者与太阳活动、太阳高度角、地理位置等因素有关。通常，频率低于10兆赫的电磁波将不能穿透电离层。
大气窗区在大气辐射和遥感探测方面都具有重要意义，例如可见光窗区使我们能得到太阳的光和热，用于可见光摄影；红外窗区被广泛地用作热成像遥感，常用的卫星云图就利用红外窗区进行“拍摄”；气象雷达和卫星通信的波长都选在射电窗区。为了发展卫星遥感技术，大气窗区衰减机制和透过率的研究具有很大的重要性。


二氧化碳对红外线吸收波段为多少呢？
20[ 标签：二氧化碳,红外线 波段,波段 ] 星愿 回答:1 人气

:1 解决时间:2008-10-06 13:54
满意答案两个波段:2.6-2.9和4.1-4.5微米