红外热像仪精确测温技术_李云红
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因为干扰越大 , 目标发射率越小 , 显然目标温 度越低 , 测量越困难 。
红外热像仪的探测器是光电转换器件 , 一般 由锑化铟或碲镉汞材料制成 , 用于将接收到的红 外热辐射能量转换为电信号 , 经过放大 、整形 、模 数转换后成为数字信号 , 在显示器上通过图像显 示出来 。 图像中每一个点的灰度值与被测物体上 该点发出并到达光电 转换器件的辐 射能量相对
Accurate measuring temperature with infrared thermal imager
LI Yun-hong1 , 2 , SU N Xiao-gang 1 , Y UA N G ui-bin1
(1. H arbin Insti tute of T echnology , Harbi n 150001 , Chi na ; 2. X i’ an Pol y technic Uni versi ty , X i’ an 710048 , China)
应 。 经过运算 , 可以从红外热像仪的图像上读出 被测物体表面上每一个点的辐射温度值 。红外热 像仪测温是靠接收被测物体表面发射的辐射来确 定其温度的 。
13 38
光学 精密工程
第 15 卷
图 2 由探测器接收到的不同物体温度 的辐射来源 Fig . 2 Radiatio n sources received by de tecto r for
红外热成像过程要经过大气传输 、光学系统 成像等 , 而辐射量转化为温度之前要经过修正 , 即 校准 。热像仪校准有两个原因 , 一是要把被测目 标的辐射能量转化为温度 , 二是要补偿热像仪的 内部辐射 。最实用的校准方法是在固定的较短距 离下使用黑体 。黑体发射的辐射能量与温度之间 的关系是非线性的 , 可以由普朗克辐射定律和热 像仪光谱响应计算 。 通过黑体建立辐射量和温度 之间的关系 , 对处于不同温度的黑体进行测量 , 并 将测量值与黑体的精确温度值拟合 , 可得到校准 曲线 。在不同的精度及测量条件下得到不同的校 准曲线 , 校准数据储存在存储器里 。 进行温度测 量时 , 通过查找相应的修正曲线表 , 即可得到温度 值 。 图 2 给出了黑体目标在不同温度下 , 不同辐 射源[ 1 2-13] 对辐射贡献的比率关系 。(测试条件 :测 试距离 为 10 m , 大气温 度为 20 ℃, 环 境温 度为 20 ℃。)
热像仪最小空间张角所对应的目 标可视面积 ;d
为该目标到测量仪器之间的距离 , 通常在一定条
件下 , A0 d - 2 为一常数 。
热像仪通常 工作在某一个很 窄的波段 , 3 ～
5 μm 或 8 ～ 14 μm 之间 , ελ、αλ、τaλ通常可认为与 λ
无关 。得到热像仪的响应电压为 :
λ2
∫ VS = AR A0 d-2 {τa[ εRλL bλ(t o)dλ+
λ1
λ2
λ2
∫ ∫ (1 - α) RλL bλ(tu)dλ] +εa RλL bλ(ta)dλ} ,
λ1
λ1
(2)
其中 , AR 为热像仪透镜的面积 , 令
λ2
∫ K = AR A0 d-2 , RλL bλ(t)dλ= f (t), 则式(2)变 λ1
为:
VS =K {τa[ εf (to)+(1 - α)f (tu)] +εa f (t a)}, (3)
本文基于红外热像仪测温理论计算公式 , 探 讨了环境 、大气和热像仪本身的影响因素 , 得出了 各种因素对测温精度影响的理论仿真曲线 , 进一 步减小了物体表面的测温误差 。给出了在热像仪 内部使用以温度为参考的钳位系统[ 10-11] , 进行了 温度补偿 。
2 红外热像仪测温原理和计算公式
红外热像仪测温存在的主要问题是温度并 不是直接测量的 。红外探测器接收的辐射包括目 标自身的辐射和目标 对周围环境辐 射的反射辐 射 。 上述辐射经过大气衰减 , 最后到达探测器 , 另 外大气本身的透射辐射以及热像仪内部的辐射都 会掺与其中 , 如图 1 所示 。
收稿日期 :2006-12-17 ;修订日期 :2007-03-11. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(N o. 60377037)
第9期
李云红 , 等 :红外热像仪精确测温技术
133 7
1 引 言
红外热像仪为实 时表面温度测 量提供了有 效 、快速的方法 。与其他测温方法相比 , 热像仪在 以下两种情况下具有明显的优势 :(1)温度分布不 均匀的大面积目标的表面温度场的测量 ;(2)在有 限的区域内快速确定过热点或过热区域的测量 。
Abstract :In o rder to measure t he temperature accurately using inf rared t herm al imager the interpolation o f t rue surface t em perat ure and the inf luence facto rs w ere studied. Based on t he pri nciples of thermal radiation and tempe rat ure measurem ent w ith inf rared t herm al imager , a general fo rmula fo r com puti ng t he t rue surface temperature o f object s w as given. T he inf luence o f emissi vi ty o n accurate temperature measurement w as discussed mainly , the conditio ns of accurate tem perat ure measurem ent wi th inf rared t he rm al imager we re analyzed , and the influence f act ors f rom t he surrounding s , the atm osphere and t he thermal im ager w ere investig ated t oo. Final ly , the t heo retical curves of t he v ario us facto rs inf luencing o n t he accuracy of measuring temperature w ere given. T he result s show t hat w hen emi ssivi ty is 0. 7 , the t rue tempe rat ure i s 50 ℃, as def lected emissivi ty is 0. 1 , the measuring result of t rue tempe ra ture f luct uati ng is 0. 76 ～ 0. 89 ℃ f or a 3 ～ 5 μm t he rmal im ag er ;and 1. 56 ～ 1. 87 ℃ f or a 8 ～ 14 μm t he rm al imager. It is show n that proposed met hod can pro vide a feasibili ty f o r im pro vi ng the accuracy of measuring t em perat rue and surf ace emissivity and reducing m easuring errors. Key words:infrared t herm al imager ;tem perature m easurement ;erro r analy sis ;emissivity
依据普朗克辐射定律 , 得到 :
tnr =τa[ εtno +(1 - α)tnu ] +εa tna ,
(4)
被测表面Baidu Nhomakorabea实温度的计算公式为 :
t o =
1 ε
τ1a tnr
- (1 -
α)tnu
-
ετaa tna
1 /n
.
(5)
当使用不同波段的热像仪时 , n 的取值不同 ,
被测表面的发射率 、反射率 、环境温度 、大气 温度 、测量距离和大气衰减等因素 , 直接影响红外 热像仪测温的准确性 , 也影响热像仪在一些领域 的应用 。 例如 , 在进行 PCB 电路板的温度测量[ 1] 时 , 由于发射率变化很大 , 非常需要可以在热图中 每个像素运用不同发射率值的分析软件 。杨立等 考虑了被测表面的发射率 、反射率(或吸收率)、环 境温度 、大气温度 、大气衰减等因素 , 总结了这些 因素的测量误差对红外测温误差的影响[ 2-5] 。 张 健等着重分析了环境高温物体对红外测温误差的 影响[ 6] 。
图 1 中 , ε为物体的发射率 ;τ为大气的透射
图 1 热辐射原理图 Fig . 1 Hea t radiatio n principle
率 ;tobj为被测物体温度 ;tsur 为 环境温度 ;tatm 为大 气温度 ;被测物体的辐射能为 ετWobj ;周围环境的 反射 辐 射 能 为 (1 - ε) τWsur ;大 气 辐 射 能 为 (1 - τ)W atm 。
different object tempe ratures
作用于热像仪的辐射照度为 :
Eλ=A0 d - 2 [ τaλελL bλ(to) + τaλ(1 - αλ)L bλ(tu )+εaλL bλ(t a)] , (1)
其中 , to 为被测物体表面温度 ;tu 为环境温度 ;ta
为大气温度 ;ελ为表面发射率 ;αλ为表面吸收率 ; τaλ为大气的光谱透射率 ;εaλ为大气发射率 ;A0 为
第 15 卷 第 9 期 2007 年 9 月
O
p
tics
光学 精密工程
and Precision Enginee
rin
g
V o l. 15 N o . 9
Sep. 2007
文章编号 1004-924X(2007)09-1336-06
红外热像仪精确测温技术
李云红1 , 2 , 孙晓刚1 , 原桂彬1
(1. 哈尔滨工业大学 , 黑龙江 哈尔滨 150001 ;2. 西安工程大学 , 陕西 西安 710048)
摘要 :为实现红外热像仪对温度的精确测量 , 根据热辐射理论和 红外热像仪 的测温原 理 , 推导 了计算被 测物体 表面真 实 温度的通用计算公式 ;讨论了发射率对测温精度的影响 , 分析了用红外热像仪进行精确测温的条件 , 探讨了环 境 、大气 和 热像仪本身对测量精度的影响 , 并绘制了各种 因素对测温精度影响 的理论曲 线 。 结果表明 :发 射率为 0. 7 时 , 真实温 度 为 50 ℃, 发射率偏离 0. 1 时 , 对于 3～ 5 μm 热像仪来说 , 测温结果偏离真实温度 0. 76 ～ 0. 89 ℃;对于 8 ～ 14 μm 热像 仪 来说 , 测温结果偏离真实温度 1. 56～ 1. 87℃。 本研 究结果 对提高热 像仪测 量温度 和表面 发射率 的准确 性 , 减 小不必 要 的测量误差具有实际意义 。 关 键 词 :红外热像仪 ;温度测量 ;误差分析 ;发射率 中图分类号 :T N219 文献标识码 :A
在实验研究方面 , 红外热像仪亦显示出其在 测试物体温度场方面的优势 。 例如 , 王喜世等人 利用红外热像仪测量火焰温度[ 7] , 侯成刚等人利 用其精确测试物体的发射率[ 8] , 都取得了较好的 效果 。目前 , 最先进的红外热成像仪 , 其温度灵敏 度可 达到 0. 01 ℃。 仪器 的测量 精度[ 9] 、响 应速 度 、稳定性 、分辨率都达到了相当高的水平 , 测温 范围亦从以往的中高温延伸到室温或更低温度 。
红外热像仪的探测器是光电转换器件 , 一般 由锑化铟或碲镉汞材料制成 , 用于将接收到的红 外热辐射能量转换为电信号 , 经过放大 、整形 、模 数转换后成为数字信号 , 在显示器上通过图像显 示出来 。 图像中每一个点的灰度值与被测物体上 该点发出并到达光电 转换器件的辐 射能量相对
Accurate measuring temperature with infrared thermal imager
LI Yun-hong1 , 2 , SU N Xiao-gang 1 , Y UA N G ui-bin1
(1. H arbin Insti tute of T echnology , Harbi n 150001 , Chi na ; 2. X i’ an Pol y technic Uni versi ty , X i’ an 710048 , China)
应 。 经过运算 , 可以从红外热像仪的图像上读出 被测物体表面上每一个点的辐射温度值 。红外热 像仪测温是靠接收被测物体表面发射的辐射来确 定其温度的 。
13 38
光学 精密工程
第 15 卷
图 2 由探测器接收到的不同物体温度 的辐射来源 Fig . 2 Radiatio n sources received by de tecto r for
红外热成像过程要经过大气传输 、光学系统 成像等 , 而辐射量转化为温度之前要经过修正 , 即 校准 。热像仪校准有两个原因 , 一是要把被测目 标的辐射能量转化为温度 , 二是要补偿热像仪的 内部辐射 。最实用的校准方法是在固定的较短距 离下使用黑体 。黑体发射的辐射能量与温度之间 的关系是非线性的 , 可以由普朗克辐射定律和热 像仪光谱响应计算 。 通过黑体建立辐射量和温度 之间的关系 , 对处于不同温度的黑体进行测量 , 并 将测量值与黑体的精确温度值拟合 , 可得到校准 曲线 。在不同的精度及测量条件下得到不同的校 准曲线 , 校准数据储存在存储器里 。 进行温度测 量时 , 通过查找相应的修正曲线表 , 即可得到温度 值 。 图 2 给出了黑体目标在不同温度下 , 不同辐 射源[ 1 2-13] 对辐射贡献的比率关系 。(测试条件 :测 试距离 为 10 m , 大气温 度为 20 ℃, 环 境温 度为 20 ℃。)
热像仪最小空间张角所对应的目 标可视面积 ;d
为该目标到测量仪器之间的距离 , 通常在一定条
件下 , A0 d - 2 为一常数 。
热像仪通常 工作在某一个很 窄的波段 , 3 ～
5 μm 或 8 ～ 14 μm 之间 , ελ、αλ、τaλ通常可认为与 λ
无关 。得到热像仪的响应电压为 :
λ2
∫ VS = AR A0 d-2 {τa[ εRλL bλ(t o)dλ+
λ1
λ2
λ2
∫ ∫ (1 - α) RλL bλ(tu)dλ] +εa RλL bλ(ta)dλ} ,
λ1
λ1
(2)
其中 , AR 为热像仪透镜的面积 , 令
λ2
∫ K = AR A0 d-2 , RλL bλ(t)dλ= f (t), 则式(2)变 λ1
为:
VS =K {τa[ εf (to)+(1 - α)f (tu)] +εa f (t a)}, (3)
本文基于红外热像仪测温理论计算公式 , 探 讨了环境 、大气和热像仪本身的影响因素 , 得出了 各种因素对测温精度影响的理论仿真曲线 , 进一 步减小了物体表面的测温误差 。给出了在热像仪 内部使用以温度为参考的钳位系统[ 10-11] , 进行了 温度补偿 。
2 红外热像仪测温原理和计算公式
红外热像仪测温存在的主要问题是温度并 不是直接测量的 。红外探测器接收的辐射包括目 标自身的辐射和目标 对周围环境辐 射的反射辐 射 。 上述辐射经过大气衰减 , 最后到达探测器 , 另 外大气本身的透射辐射以及热像仪内部的辐射都 会掺与其中 , 如图 1 所示 。
收稿日期 :2006-12-17 ;修订日期 :2007-03-11. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(N o. 60377037)
第9期
李云红 , 等 :红外热像仪精确测温技术
133 7
1 引 言
红外热像仪为实 时表面温度测 量提供了有 效 、快速的方法 。与其他测温方法相比 , 热像仪在 以下两种情况下具有明显的优势 :(1)温度分布不 均匀的大面积目标的表面温度场的测量 ;(2)在有 限的区域内快速确定过热点或过热区域的测量 。
Abstract :In o rder to measure t he temperature accurately using inf rared t herm al imager the interpolation o f t rue surface t em perat ure and the inf luence facto rs w ere studied. Based on t he pri nciples of thermal radiation and tempe rat ure measurem ent w ith inf rared t herm al imager , a general fo rmula fo r com puti ng t he t rue surface temperature o f object s w as given. T he inf luence o f emissi vi ty o n accurate temperature measurement w as discussed mainly , the conditio ns of accurate tem perat ure measurem ent wi th inf rared t he rm al imager we re analyzed , and the influence f act ors f rom t he surrounding s , the atm osphere and t he thermal im ager w ere investig ated t oo. Final ly , the t heo retical curves of t he v ario us facto rs inf luencing o n t he accuracy of measuring temperature w ere given. T he result s show t hat w hen emi ssivi ty is 0. 7 , the t rue tempe rat ure i s 50 ℃, as def lected emissivi ty is 0. 1 , the measuring result of t rue tempe ra ture f luct uati ng is 0. 76 ～ 0. 89 ℃ f or a 3 ～ 5 μm t he rmal im ag er ;and 1. 56 ～ 1. 87 ℃ f or a 8 ～ 14 μm t he rm al imager. It is show n that proposed met hod can pro vide a feasibili ty f o r im pro vi ng the accuracy of measuring t em perat rue and surf ace emissivity and reducing m easuring errors. Key words:infrared t herm al imager ;tem perature m easurement ;erro r analy sis ;emissivity
依据普朗克辐射定律 , 得到 :
tnr =τa[ εtno +(1 - α)tnu ] +εa tna ,
(4)
被测表面Baidu Nhomakorabea实温度的计算公式为 :
t o =
1 ε
τ1a tnr
- (1 -
α)tnu
-
ετaa tna
1 /n
.
(5)
当使用不同波段的热像仪时 , n 的取值不同 ,
被测表面的发射率 、反射率 、环境温度 、大气 温度 、测量距离和大气衰减等因素 , 直接影响红外 热像仪测温的准确性 , 也影响热像仪在一些领域 的应用 。 例如 , 在进行 PCB 电路板的温度测量[ 1] 时 , 由于发射率变化很大 , 非常需要可以在热图中 每个像素运用不同发射率值的分析软件 。杨立等 考虑了被测表面的发射率 、反射率(或吸收率)、环 境温度 、大气温度 、大气衰减等因素 , 总结了这些 因素的测量误差对红外测温误差的影响[ 2-5] 。 张 健等着重分析了环境高温物体对红外测温误差的 影响[ 6] 。
图 1 中 , ε为物体的发射率 ;τ为大气的透射
图 1 热辐射原理图 Fig . 1 Hea t radiatio n principle
率 ;tobj为被测物体温度 ;tsur 为 环境温度 ;tatm 为大 气温度 ;被测物体的辐射能为 ετWobj ;周围环境的 反射 辐 射 能 为 (1 - ε) τWsur ;大 气 辐 射 能 为 (1 - τ)W atm 。
different object tempe ratures
作用于热像仪的辐射照度为 :
Eλ=A0 d - 2 [ τaλελL bλ(to) + τaλ(1 - αλ)L bλ(tu )+εaλL bλ(t a)] , (1)
其中 , to 为被测物体表面温度 ;tu 为环境温度 ;ta
为大气温度 ;ελ为表面发射率 ;αλ为表面吸收率 ; τaλ为大气的光谱透射率 ;εaλ为大气发射率 ;A0 为
第 15 卷 第 9 期 2007 年 9 月
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光学 精密工程
and Precision Enginee
rin
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V o l. 15 N o . 9
Sep. 2007
文章编号 1004-924X(2007)09-1336-06
红外热像仪精确测温技术
李云红1 , 2 , 孙晓刚1 , 原桂彬1
(1. 哈尔滨工业大学 , 黑龙江 哈尔滨 150001 ;2. 西安工程大学 , 陕西 西安 710048)
摘要 :为实现红外热像仪对温度的精确测量 , 根据热辐射理论和 红外热像仪 的测温原 理 , 推导 了计算被 测物体 表面真 实 温度的通用计算公式 ;讨论了发射率对测温精度的影响 , 分析了用红外热像仪进行精确测温的条件 , 探讨了环 境 、大气 和 热像仪本身对测量精度的影响 , 并绘制了各种 因素对测温精度影响 的理论曲 线 。 结果表明 :发 射率为 0. 7 时 , 真实温 度 为 50 ℃, 发射率偏离 0. 1 时 , 对于 3～ 5 μm 热像仪来说 , 测温结果偏离真实温度 0. 76 ～ 0. 89 ℃;对于 8 ～ 14 μm 热像 仪 来说 , 测温结果偏离真实温度 1. 56～ 1. 87℃。 本研 究结果 对提高热 像仪测 量温度 和表面 发射率 的准确 性 , 减 小不必 要 的测量误差具有实际意义 。 关 键 词 :红外热像仪 ;温度测量 ;误差分析 ;发射率 中图分类号 :T N219 文献标识码 :A
在实验研究方面 , 红外热像仪亦显示出其在 测试物体温度场方面的优势 。 例如 , 王喜世等人 利用红外热像仪测量火焰温度[ 7] , 侯成刚等人利 用其精确测试物体的发射率[ 8] , 都取得了较好的 效果 。目前 , 最先进的红外热成像仪 , 其温度灵敏 度可 达到 0. 01 ℃。 仪器 的测量 精度[ 9] 、响 应速 度 、稳定性 、分辨率都达到了相当高的水平 , 测温 范围亦从以往的中高温延伸到室温或更低温度 。