CN102818635A - 一种提高红外传感器标定精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高红外传感器标定精度的方法，在标定红外传感器时，首先选择与被测物体发射系数相同或相近的黑体源，再根据使用红外传感器工作时的环境温度范围，划分多个档次的环境温度区间，通过环境温度箱或空调系统设定红外传感器工作的环境温度，在设定的环境温度条件下标定红外传感器，采用联机测试系统或仪器记录红外传感器输出的电压或电流值，得到各档环境温度下对应于标准黑体温度的红外传感器输出电压或电流的数据表，将数据进行回归分析，制作红外传感器输出特性回归方程和曲线，将此输出特性代入测试系统，在标定状态下检查标定误差，若误差超出精度要求，重新标定。该方法能够减小误差，提高标定精度，避免工作环境温度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及红外技术领域，特别是涉及一种提高红外传感器标定精度的方法。
背景技术
在红外测温仪器或系统中，信号的流程一般为：被测对象红外辐射→红外传感器（探头）→信号电路→模数转换→数据→程序根据红外传感器（探头）输出特性曲线计算→显示输出，红外传感器（探头）的输出与被测对象温度的对应关系曲线即为红外传感器（探头）输出特性曲线。由此可见，红外传感器（探头）标定精度与红外传感器（探头）输出特性曲线是影响测温准确性的关键。特别是红外测温仪器长期使用过程中或更换红外传感器（探头）后，通过标定减小测温误差、提高精度显得尤为重要。
红外传感器（探头）是被测对象信号输入的源端，红外传感器（探头）均由红外元件、前置放大电路、信号处理电路、电源电路等构成，红外元件与被测对象的温度对应关系是非线性的，因此红外传感器（探头）的输出特性曲线也是非线性的。通常情况下，红外测温仪器或系统内置的红外传感器（探头）的输出特性曲线往往是以线性曲线设定的，标定时以一个或几个特定的温度设定出线性的输出特性曲线，在整个测温范围内输出特性曲线与实际往往不一致，这种方法极大程度上影响了测温精度。
红外元件多采用感温性元件，通过热电变化来探测红外辐射，自身特性以及信号电路工作点也都会受到工作温度的影响，不同工作温度下红外传感器（红外探头）的输出特性曲线并不一致，且使用的环境温度差别很大。不区分工作环境温度而在一个标准温度下标定，也是影响测温精度的一个重要因素。
斯蒂芬-波尔兹曼定律是红外测温技术的理论依据，物体辐射功率 M(λ,T)=εσT 4 ,ε为发射系数，它是影响测温精度的另一个因素。而被测对象的发射系数是有差别的，从0～1差别很大，通常情况下红外测温仪器或系统内置的是固定发射率或有限的几档，与被测对象的实际发射率有相当大的差距，针对特定检测对象需要较高精度时，难以满足应用需要。
中国专利CN 101181902A披露了一种提高调制探头测温精度的方法，其特征是：根据探头输出电压对参考对象的温度作出探头响应曲线，然后对响应曲线进行平移校正。但是该方法并未涉及提高红外传感器的标定精度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种提高红外传感器标定精度的方法。针对特定或有限检测对象、已知工作环境温度范围、需要较高的检测精度时，采用本发明提供的标定方法，通过综合考虑被测对象的发射系数、工作环境温度、分段划分红外传感器输出特性曲线能够较大程度上减小误差、提高测温精度。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一：选择黑体源；
步骤二：设定红外传感器的工作环境温度范围；
步骤三：记录各工作环境温度下对应于标准黑体温度的红外传感器输出电压或电流的数据，形成红外传感器输出特性数据表；
步骤四：根据步骤三所得数据制作红外传感器输出特性的回归方程和曲线。
所述步骤一中黑体源是通过查询或测定被测对象的发射系数，选择与其发射系数相同或相近的黑体。
所述步骤二中红外传感器的工作环境温度是通过使用环境温度箱或空调系统设定标定时环境温度，具体是根据红外传感器测温使用的环境温度范围，划分出多个档次的环境温度区间，使红外传感器的标定环境接近于实际应用工作环境。
所述步骤三中红外传感器输出电压或电流的数据表是在设定的工作环境温度条件下标定红外传感器，采用联机测试系统或仪器记录红外传感器输出的电压或电流值获得，红外传感器的温度与输出有对应关系。
所述步骤四中红外传感器输出特性的回归方程和曲线是对各工作环境温度下的红外传感器输出电压或电流值，采用分段线性或非线性回归获得。
将获得的红外传感器输出特性回归方程或曲线输入仪器内置测试系统中，并通过重复步骤二至步骤四，进一步提高标定精度。
与现有技术相比，本发明提供的提高红外传感器标定精度的方法的优点在于：
1.本发明在于对红外传感器分段(包括1℃步进)标定、输出特性曲线采取分段线性或非线性划分的方法，使得红外传感器输出特性曲线能够更接近实际应用，克服了常规采用一条特性曲线造成标定误差大的缺陷，能够提高标定精度。
2. 本发明在于考虑到工作环境温度对输出特性曲线的影响，并在标定时预先设定并记录该温度，从而能够得到不同工作环境温度下的红外传感器输出特性曲线，通过程序内置曲线能够精确的计算温度。
3. 本发明在于考虑到当特定或有限被测对象时，采用与被测对象发射系数相同或近似的黑体进行标定，能够提高测温精度。
附图说明
图1为本发明提高红外传感器标定精度的方法示意图；
图2为本发明提高红外传感器标定精度的方法流程图；
图3为划分9档的红外传感器输出特性曲线；
图4为采用本方法与未采用本方法的测量误差对比图；
图中：1. 环境温度箱 2.黑体源 3.红外传感器 4.信号处理电路 5.控制计算机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进一步的详细说明。
本发明涉及一种提高红外传感器标定精度的方法，在标定红外传感器时，首先选择与被测物体发射系数相同或相近的黑体源，再根据使用红外传感器工作时的环境温度范围，划分多个档次的环境温度区间，通过环境温度箱或空调系统设定红外传感器工作的环境温度，在设定的环境温度条件下标定红外传感器，采用联机测试系统或仪器记录红外传感器输出的电压或电流值，得到各档环境温度下对应于标准黑体温度的红外传感器输出电压或电流的数据表，将数据进行回归分析，制作红外传感器输出特性回归方程和曲线，将此输出特性代入测试系统，在标定状态下检查标定误差，若误差超出精度要求，重新标定。该方法能够减小误差，提高标定精度，避免工作环境温度的影响。
实施例1：
参见附图1、图2，本发明实施以标定使用环境温度为﹣20～50℃，测温范围为﹣20～60℃的水泥混凝土路面，输出﹣2000～2000mv的红外传感器为例。包括如下步骤：
步骤一：通过查询资料，水泥混凝土发射系数为0.95，选择发射系数0.95、精度±0.15%（满量程）、温度分辨率：0.01℃、温度范围：-20～70℃的HFY-302C型低温型黑体源。
步骤二：按照红外传感器测温使用的环境温度﹣20～50℃范围，以每10℃间隔划分出7档的环境温度区间（见表1），每个区间选中位值作为代表，选择合适的环境温度试验箱分别设定工作环境温度。
表1根据环境温度划分的档位及设定温度
[0023] 表2 红外传感器输出记录表（设定环境温度24.5℃）
步骤三：将测温范围按照一定的间隔分档，档位分的越细越有利于提高标定的精度。本实例测温范围为﹣20～60℃，以每2℃为一档间隔标定，在定好的各档环境温度下，分别记录对应输出数据（见表2）。
步骤四：将环境温度24.5℃条件下得到的红外传感器输出数据通过excel分段归纳总结，分段的原则是：按照由高温向低温（黑体设定值）的顺序找出每2℃间输出增量值，然后将相近的变化值对应的温度区间归为一档，并修正每档起始和终值，使每档内均符合线性变化。本例得到9个档红外传感器输出特性曲线参见附图3及对应关系数据（见表3）。
表3 9个档对应关系数据表
采用本发明方法标定红外传感器输出特性曲线并输入仪器程序内置，环境温度20℃条件下，在设定量程范围﹣20～60℃内选取8个温度点检查，与采用原2点标定法的测温对比误差参见附图4，可见采用本方法标定的红外传感器测温误差精度明显高于原2点标定法。
Claims (5)
1.一种提高红外传感器标定精度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：选择黑体源；
步骤二：设定红外传感器的工作环境温度范围；
步骤三：记录各工作环境温度下对应于标准黑体温度的红外传感器输出电压或电流的数据，形成红外传感器输出特性数据表；
步骤四：根据步骤三所得数据制作红外传感器输出特性的回归方程和曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中黑体源是通过查询或测定被测对象的发射系数，选择与其发射系数相同或相近的黑体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中红外传感器的工作环境温度是通过使用环境温度箱或空调系统设定标定时环境温度，具体是根据红外传感器测温使用的环境温度范围，划分出多个档次的环境温度区间，使红外传感器的标定环境接近于正常工作环境。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中红外传感器输出电压或电流的数据表是在设定的工作环境温度条件下标定红外传感器，采用联机测试系统或仪器记录红外传感器输出的电压或电流值获得。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中红外传感器输出特性的回归方程和曲线是对各工作环境温度下的红外传感器输出电压或电流值，采用分段线性或非线性回归获得。
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