CN101435721B - 红外目标温度校正系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了红外IR温度计校准系统和方法，其中，控制IR温度计校准系统的温度，从而使目标在指定输入温度上发射的辐射等于灰体所发射的辐射，所述灰体被加热至所述输入温度并且其发射率等于将要采用所述IR温度计校准系统进行校准的IR温度计的发射率设置。

Description

红外目标温度校正系统和方法

技术领域

本发明涉及用于对红外温度计的校准中所采用的红外温度计校淮系统进行校准的系统和方法。

背景技术

红外(IR)温度计测量来自实体(body)的IR辐射，并输出对应于在IR温度计的频率范围内测得的辐射强度的温度。通过感测来自被加热到精确的已知温度的热目标的辐射校准IR温度计。之后，可以将IR温度计测得的辐射亮度映射到所述目标的设定温度。

热目标的准确度受到目标的发射率随温度不同而产生的变化的限制。目标的发射率还随着入射到目标上以及从目标反射的辐射波长的不同而变化。但是，正在被校准的IR温度计可以具有小于1的发射率设置(setting)，因而可以采用IR温度计测量具有低发射率的实体的温度。但是，发射率设置通常是恒定的，因此不等于跨越一定温度范围的目标的发射率。因此，无法针对所需范围内的所有温度准确地校准IR温度计。

出于上述考虑，提供一种如下的方便的系统和方法将是本领域的一种进步，所述系统和方法用于采用具有与温度相关的发射率的热目标而准确地校准具有恒定发射率设置的IR温度计。

发明内容

就本发明的一个方面而言，控制IR温度计校准系统的温度，从而使目标在指定输入温度上发射的辐射等于灰体所发射的辐射，该灰体被加热到所述输入温度并且其发射率等于将要采用所述IR温度计校准系统进行校准的IR温度计的发射率设置。

就本发明的另一方面而言，采用参考IR温度计来获取处于多个温度设定点上的IR温度计校准系统的多个辐射亮度测量值。可以采用准黑体来校准所述参考IR温度计，所述参考IR温度计的发射率设置可以等于将要采用所述IR温度计校准系统进行校准的IR温度计的发射率设置。采用辐射亮度测量值来计算用于将温度设定点映射到表观温度的校正因数，所述表观温度对应于发射率等于所述发射率设置的灰体将发射与所述辐射亮度测量所探测到的辐射量相同的辐射量的温度。在采用所述IR温度计校准系统校准所述IR温度计时，用户输入其后将被采用校正因数映射到温度设定点的温度。之后，将所述目标加热到所述温度设定点，并通过IR温度计测量辐射亮度。之后，校准所述IR温度计，从而将所测得的辐射映射到用户输入的温度。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的IR温度计校准系统的方框图；

图2是根据本发明的实施例的采用准黑体校准的IR温度计的方框图；

图3是根据本发明的实施例的用于校准IR温度计校准系统的方法的过程流程图；

图4是根据本发明的实施例的用于采用IR温度计校准系统来校准IR温度计的设置的方框图；

图5是根据本发明的实施例的用于校准IR温度计的方法的过程流程图。

具体实施方式

参考图1，用于红外(IR)温度计的IR温度计校准系统10可以包括与温度传感器14热接触的目标12。目标12可以具有辐射面16。面16可以带有诸如高发射率油漆的高发射率涂层，所述涂层可以具有与温度相关的发射率，尽管所述涂层的发射率随温度不同而产生的变化程度可能小于大多数物质。传感器14可以与辐射面16相反设置。因此，由于辐射和传导所带来的热损耗，传感器14的读数可能不表示面16的确切温度。

还将加热元件18设置为与目标12热接触。可以将加热元件18与辐射面16相反设置。将加热元件18和传感器14耦合到控制器20，控制器20读取传感器14的输出，并根据读数以及由用户指定的或者控制器20执行的程序指定的设定温度来控制向加热元件提供的功率。可以将接口22耦合至控制器20，从而使用户能够向控制器20输入设定温度。耦合到控制器20的存储器24可以存储测试结果以及其他可运算和可执行数据，例如校准应用26。

可以将IR温度计28设置到与目标12相距一定距离的位置，以接收来自目标12的IR辐射30。可以将IR温度计28耦合至控制器20，从而为控制器20提供辐射亮度测量值。在参考图1的同时参考图2，在一个实施例中，采用IR温度计28来校准IR温度计校准系统10，而IR温度计28本身则由诸如加热室发射的辐射等的准黑体32来校准。IR温度计28的准确度优选高于将要采用IR温度计校准系统10校准的IR温度计的准确度。IR温度计28可以测量黑体32在各个温度设定点上的辐射，并在IR温度计28的诸如8-14微米的谱带内，使IR温度计28的输出与来自黑体32的实际辐射亮度值形成映射。在测量来自黑体32的辐射亮度值时，IR温度计优选具有设置于1左右的发射率设置。

再次参考图1，在一个实施例中，用户或校淮应用26向控制器20输入一系列设定温度，IR温度计28则测量目标12在每一温度设定点上的辐射亮度。在仍然参考图1的同时参考图3，用于校准IR温度计校准系统10的方法36可以包括：在块38中，设置温度T_SET并将目标12的温度驱动到近似于T_SET。在块40中，通过读取温度传感器14的输出来测量接触温度T_CONT。在块42中，执行损耗校正，以确定目标12的面16上的表面温度T_SURF。在一些实施例中，在块44内测量环境温度T_AMB，并在块42中采用其来确定T_SURF。T_SURF的确定可以包括参考将T_SURF映射到T_CONT的查询表格，在一些实施例中，T_AMB由前一校准确定。或者，可以将T_CONT、并且任选将T_AMB输入到方程或计算算法中来确定T_SURF。

在块46中，采用IR温度计28来测量目标12的辐射亮度M，以获得表面温度T_SURF。有利地，可以按照上文参考图2的说明来校准IR温度计28。在块48中，计算目标12的温度T_APP。可以根据方程1，采用将要采用IR温度计校准系统10进行校准的IR温度计的预期带宽λ1-λ2、发射率设置ε_IR和/或背景温度设置T_BG来计算T_APP。在一些实施例中，用于测量辐射亮度M的IR温度计28可以具有与待校准的单元相同的带宽λ1-λ2和ε_IR设置。在这样的实施例中，IR温度计28可以输出被用作T_APP的温度读数。

在块50中，计算使T_SURF与T_APP相关的校正因数。可以针对多个T_AET温度以及与其对应的T_SURF温度来重复方法36，从而针对若干各温度设定点来计算T_APP和对应的校正因数。

可以采用方程1来计算表观温度，其中，M是具体的辐射亮度测量值，ε_IR是正在校准的IR温度计的预期发射率设置，T_BG是正在校准的IR温度计的以开氏度为单位的预期背景温度设置，T_APP是针对具体辐射亮度测量值M的表观温度。可以通过本领域公知的任何适当的数值方法来解方程1，以确定T_APP。

$M=\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{IR}}{c}_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{\frac{c2}{{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{APP}}}}-1)}\mathrm{d\λ}+\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{IR}})c_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{\frac{\mathrm{\λ}2}{{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{BG}}}}-1)}\mathrm{d\λ}$

方程1

在方法36的备选实施例中，IR温度计28具有发射率设置1，并且被用来获取若干个设定温度上的IR温度计校准系统10的辐射亮度测量值。采用IR温度计28的读数来计算在每一温度设定点上目标12的发射率。目标12的发射率的计算可以包括采用方程1解出ε_IR，其中，采用给定设定点上的T_SURF替代T_APP，M是在具体设定点上采用IR温度计28测得的辐射亮度，而ε_IR是设定点上的目标12的发射率。

在根据备选方法校准被测单元时，可以采用这些通过实验确定的发射率值来解方程2。由操作者输入的温度为TAPP，采用方程2，利用通过实验确定的目标12的发射率值来计算在TAPP下提供理想灰体的辐射所需的实际温度。在方程2中，εTGT是按照上文所述那样确定的在温度设定点上或者在接近温度设定点时的目标的发射率。在一些实施例中，通过在如上文所述的通过实验确定的发射率值之间插值，或者通过以实验确定的发射率值为基础采用曲线拟合方程来确定εTGT的值。εIR是处于测试中的单元的发射率设置(通常近似等于0.95)，TBG是背景温度，TAPP是对应于具体设定温度TTGT的表观温度。可以通过本领域公知的任何适当的数值方法来解方程2，以确定T_APP。

$\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TGT}}{c}_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{\frac{c2}{{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{TGT}}}}-1)}\mathrm{d\λ}+\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TGT}})c_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{\frac{c2}{{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{BG}}}}-1)}\mathrm{d\λ}=\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{IR}}{c}_1}{{\mathrm{\λ}}^5\left(e^{\frac{c2}{\mathrm{\λ}{T}_{\mathrm{APP}}}}-1\right)}\mathrm{d\λ}+\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{IR}})c_1}{{\mathrm{\λ}}^5(e^{\frac{c2}{{\mathrm{\λT}}_{\mathrm{BG}}}}-1)}\mathrm{d\λ}$

方程2

参考图4，可以采用根据方法3所校准的IR温度计校准系统10来校准具有发射率设置54和背景温度设置56的被测单元(UUT)IR温度计52。

参考图5，用于校准UUT IR温度计52的方法58可以包括：在步骤60中，例如，通过采用准黑体32校准IR温度计28来校准参考IR温度计。在步骤62中，例如，通过方法36确定使温度设定点与表观温度相关的校正因数。在步骤64中，向IR温度计校准系统10输入校准温度作为温度设定点。在步骤66中，利用直接映射、针对限定校准温度的经测试的设定温度的计算因数之间的插值，或者通过应用根据由方法36确定的校正因数而确定的曲线拟合方程，来将一个或多个校正因数应用于校准温度。所述校正因数使校准温度与面16的经校正的温度相关。所述校正温度是这样一个温度，在该温度上，面16发射的辐射将大致等于发射率等于UUT IR温度计52的发射率设置并且被加热至校准温度的灰体所发射的辐射。之后，在步骤68中，IR温度计校准系统10将目标面16加热到校正温度。步骤68可以包括，针对对应于处于校准温度的面16的温度传感器读数来计算T_CONT值，并加热面16，从而使T_CONT等于对应于面温度T_SURF的值，其中面温度T_SURF近似等于所述校准温度。

在步骤70中，利用UUT IR温度计52测量目标的辐射亮度。在步骤72中，在经受到步骤70中测得的辐射亮度时，对UUT IR温度计进行校准，以输出校准温度。之后，UUT IR温度计52可以测量来自其他实体的辐射亮度，并根据步骤72中的温度校准来输出对应于实体的辐射的温度。

尽管已经参考所公开的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种形式和细节上的变化。这样的修改处于本领域技术人员的能力范围内。因而，本发明除了受所附权利要求限定外不受其他任何限制。

Claims (22)

1.一种用于校准红外温度计的方法，包括：

获取红外目标的多个第一辐射亮度测量值，其中，在将红外目标加热到多个目标设定温度之一的情况下获取所述多个第一辐射亮度测量值中的每一个；

对于每一个第一辐射亮度测量值，计算辐射亮度等于所述第一辐射亮度测量值并且发射率基本上等于第一红外温度计的发射率设置的灰体的表观温度；

将每一个所述表观温度映射到所述目标设定温度中对应于相同辐射亮度测量值的一个目标设定温度；

将校准温度输入到耦合到所述红外目标的控制器中；

将所述红外目标加热到一个设定温度，该设定温度是所述多个设定温度中被映射到所述表观温度中对应于所述校准温度的一个表观温度的一个设定温度；

利用所述第一红外温度计来获取对所述红外目标的第二辐射亮度测量值；以及

对所述第一红外温度计进行校准，以便将所述第二辐射亮度测量值映射到所述校准温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述红外目标的所述多个第一辐射亮度测量值包括：利用根据模拟黑体所校准的第二红外温度计来获取所述红外目标的多个第一辐射亮度测量值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一和第二红外温度计具有基本上相同的频率响应带。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标具有高发射率涂层。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发射率设置小于1。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述发射率设置处于0.9和1之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述发射率设置处于0.9和0.95之间。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括采用第一红外温度计来测量对象的辐射亮度，并输出对应于对所述第一红外温度计进行校准的步骤的温度。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括对于所述多个设定温度中的每一个导出多个接触温度，所述多个接触温度中的每一个对应于在所述目标的表面处于所述设定温度时与所述目标热接触的传感器的输出，其中，将所述目标加热到所述多个设定温度之一的步骤包括对所述目标进行加热，从而使所述温度传感器产生对应于与所述多个设定温度之一相对应的接触温度的输出。

10.一种校准系统，包括：

具有发射率设置的红外温度计；

朝向所述红外温度计发射红外辐射的目标；

与所述目标热接触的加热元件；

与所述目标热接触的温度传感器；以及

耦合到所述温度传感器和加热元件的控制器，所述控制器被配置为接收输入温度，所述控制器被配置为将所述输入温度映射到设定温度，并且使所述加热元件将所述目标加热到近似于所述设定温度，所述设定温度对应于所述目标的等于所述输入温度的表观温度，所述表观温度基本上等于灰体的灰体温度，该灰体的发射率基本上等于所述红外温度计的所述发射率设置并且其辐射亮度基本上等于被加热到所述设定温度时的所述目标的辐射亮度。

11.根据权利要求10所述的校准系统，其中，所述目标具有高发射率涂层。

12.根据权利要求10所述的校准系统，其中，所述发射率设置小于1。

13.根据权利要求12所述的校准系统，其中，所述发射率设置处于0.9和1之间。

14.根据权利要求13所述的校准系统，其中，所述发射率处于0.9和0.95之间。

15.一种用于校准红外温度计的方法，包括：

获取红外目标的多个第一辐射亮度测量值，其中，在将红外目标加热到多个目标设定温度之一的情况下获取所述多个第一辐射亮度测量值中的每一个；

对于每一个第一辐射亮度测量值，计算所述红外目标的发射率值；

将校准温度输入到耦合到所述红外目标的控制器内；

根据所述校准温度和所述发射率值中的至少一个计算所述控制器内的设定温度，所述红外目标在所述设定温度下发射红外辐射，该红外辐射近似等于具有被测单元红外温度计的发射率设置并且被加热到所述校准温度的灰体的红外辐射；

将所述红外目标加热到所述设定温度；

利用所述被测单元红外温度计获取所述红外目标的第二辐射亮度测量值；以及

对所述被测单元红外温度计进行校准，从而将所述第二辐射亮度测量值映射到所述校准温度。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，获取所述红外目标的所述多个第一辐射亮度测量值包括利用根据准黑体所校准的参考红外温度计来获取所述红外目标的多个第一辐射亮度测量值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述被测单元和所述参考红外温度计具有基本上相同的频率响应带。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述目标具有高发射率涂层。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述发射率设置小于1。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述发射率小于或等于0.95。

21.根据权利要求15所述的方法，还包括采用所述被测单元红外温度计来测量对象的辐射亮度，并输出对应于所述被测单元红外温度计的校准步骤的温度。

22.根据权利要求15所述的方法，还包括对于所述多个设定温度中的每一个导出多个接触温度，所述多个接触温度中的每一个对应于在所述目标的表面处于所述设定温度时与所述目标热接触的传感器的输出；且其中，将所述目标加热到所述多个设定温度之一的步骤包括对所述目标进行加热，从而使所述温度传感器产生对应于与所述多个设定温度之一相对应的接触温度的输出。

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