CN103604504B - 一种红外辐射精确测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外辐射精确测温方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：测出环境反射温度T_u；步骤2：利用温度计测出环境大气温度T_α，再根据被测物体与红外辐射测温设备之间的距离计算出大气透射率τ_α；步骤3：利用红外辐射测温设备测出被测物体的辐射温度T_r；步骤4：确定被测物体的发射率ε_n反射率ρ_n、发射率与反射率之和α，α≤1；步骤5：将测量值T_α、T_u、T_r输入红外辐射测温设备计算出环境大气温度信号I(T_α)、环境反射温度信号I(T_u)和被测物体的辐射温度信号的值I(T_r),代入实际物体红外测温公式<maths num="0001"></maths>计算得到红外辐射测温信号I(T₀);步骤6：根据红外热像仪的标定公式，由红外辐射测温信号的值I(T₀)换算出物体的真实温度T₀。

Description

一种红外辐射精确测温方法

技术领域

本发明属于红外辐射测温技术领域，具体地指一种红外辐射精确测温方法。

背景技术

由于红外辐射测温原理较复杂，影响温度测量准确性的因素较多，在许多人看来红外辐射测温的准确度不高。红外测温仪或红外热像仪测温精度是在实验室近距离通过对黑体辐射源的标定来保证的，对黑体的测温精度一般为1～2%。但是，在实际测量中由于被测物体往往不满足黑体辐射特性，红外辐射测温的精度将显著降低，误差的大小与被测物体表面辐射特性有关，对金属表面的红外辐射测温误差甚至超过100%。为了提高红外辐射测温设备的测量精度，人们根据红外测温仪或红外热像仪接收到的辐射能量，建立了测温修正方法。目前，红外辐射测温的修正方法是假设被测物体表面满足灰体近似，通过设定被测物体表面发射率ε、环境温度和大气温度来修正温度测量值，如AGAThermovision782热像仪操作手册中给出的红外热像仪测温修正公式，通过检索公开发表的文献和专利发现目前所有的红外测温仪和热像仪还是采用这种修正算法，可称为灰体修正方法。这种修正方法对发射率较高的非金属物体的红外测温能基本满足测量准确性的要求。但对低发射率物体、非漫射表面等，目前的测温修正算法误差较大，不能满足红外辐射准确测温的需要。

单波段红外热像仪的应用最为广泛，为得到被测物体表面的真实温度，需要输入被测物体表面的波段平均发射率、环境的反射温度和大气透射率。实际上，这种修正方法是建立在被测物体发射率ε与对环境辐射的反射率之和等于1这个假设条件下的。对于大多数非金属物体，在远红外波段是近似满足灰体特性的，它们的表面发射率与对环境辐射的反射率之和近似等于1，采用灰体修正误差较小。而对于非朗伯体（比如金属），它们的表面发射率与对环境的反射率之和不等于1，仍然采用灰体修正误差较大。因此，目前红外测温仪和红外热像仪的测温修正方法就不能用于金属等非朗伯体温度的准确测量，这也是长期以来人们认为光亮的金属等物体的红外辐射测温是不准确的原因之一，限制了红外辐射测温设备在这些领域的应用。因此，开展实际物体红外辐射温度测量技术的研究，对提高红外辐射测温准确性、扩展红外辐射测温设备的应用范围有重要的意义。

为了提高红外测温仪和热像仪的测温精度，需要建立合理的测温修正模型和算法，将红外测温的对象扩展到非朗伯体等实际物体。

发明内容

本发明的主要目的是为红外测温仪和红外热像仪等红外辐射测温仪器提供一种红外辐射精确测温方法，适合对包括不满足黑体或灰体特性的实际物体的表面温度进行准确测量。

为实现上述目的，本发明所设计的一种红外辐射精确测温方法，包括如下步骤：

步骤1：测出环境反射温度T_u；

步骤2：利用温度计测出环境大气温度T_α，再根据被测物体与红外辐射测温设备之间的距离计算出大气透射率τ_α；

步骤3：利用红外辐射测温设备测出被测物体的辐射温度T_r；

步骤4：确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α，α≤1；

步骤5：将测量值T_α、T_u、T_r输入红外辐射测温设备计算出环境大气温度信号I(T_α)、环境反射温度信号I(T_u)和被测物体的辐射温度信号的值I(T_r)，将ε_n、α、τ_α、I(T_α)、I(T_u)和I(T_r)的值代入实际物体红外测温公式

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n}I\left(T_r\right)+(1-\frac{a}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right)$

计算得到红外辐射测温信号I(T₀)；

步骤6：根据红外热像仪的标定公式，由红外辐射测温信号的值I(T₀)换算出物体的真实温度T₀。

进一步地，当被测物体为朗伯体或漫射物体时，所述步骤1测出环境反射温度T_u的具体步骤包括：

步骤1.11：取一张铝箔，弄皱后再展平，将铝箔固定在纸板上，亮面朝向红外辐射测温设备，铝箔放在被测物体前面并与之平行；

步骤1.12：调节红外辐射测温设备的发射率，将发射率设置为1.00；

步骤1.13：将红外辐射测温设备瞄准铝箔并调焦；

步骤1.14：测量铝箔反射镜表面的表观温度，即得到环境反射温度T_u，多次测量，取平均值。

更进一步地，当被测物体为非朗伯体时，所述步骤1测出环境反射温度T_u的具体步骤包括：

步骤1.21：取与被测物体表面结构相似的物体作为红外反射镜，将红外反射镜镜面朝上，放在被测物体前面并与之平行；

步骤1.22：调节红外辐射测温设备的发射率，将发射率设置为1.00；

步骤1.23：将红外辐射测温设备瞄准红外反射镜并调焦；

步骤1.24：测量红外反射镜表面的表观温度，即得到环境反射温度T_u，多次测量，取平均值。

更进一步地，所述步骤4确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α的具体步骤包括：

步骤4.11：测量环境反射温度T_u，取被测物体，将被测物体加热至预设温度T，T高于环境反射温度T_u1；

步骤4.12：在环境反射温度T_u1下对被测物体的表面温度进行测量，得到被测物体的辐射温度为T_r1；

步骤4.13：放置一个辐射加热器对被测物体进行辐射加热，同时改变环境反射温度至T_u2，T_u2高于T_u1，在环境反射温度T_u2下对被测物体的表面温度进行测量，得到被测物体的辐射温度T_r2；

步骤4.14：将测量数据T、T_u1、T_u2、T_r1、T_r2代入红外辐射测温设备得到被测物体温度信号I(T)、环境反射温度信号I(T_u1)，I(T_u2)、物体辐射温度信号I(T_r1)，I(T_r2)，将所得值代入计算公式

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{\mathrm{rl}}\right)I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_{\mathrm{ul}}\right)}{[I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)]I\left(T_0\right)}$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)}$

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r2}\right)[I\left(T\right)-I\left(T_{u1}\right)]-I\left(T_{r1}\right)[I\left(T\right)-I\left(T_{u2}\right)]}{[I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)]I\left(T\right)}$

计算得到被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α。

更进一步地，所述步骤4确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α的具体步骤包括：

步骤4.21：选取被测物体，将该物体加热至预设温度T₁；

步骤4.22：测量环境反射温度为T_u，将温度为T₁的被测物体放入该环境，被测物体受到环境温度的辐射，在环境反射温度T_u下测出物体的辐射温度T_r1；

步骤4.23：改变被测物体温度为T₂，待其稳定后，测出物体的辐射温度T_r2；

步骤4.24：将测量数据T_u、T₁、T_r1、T₂、T_r2代入红外辐射测温设备得到环境反射温度信号I(T_u)，被测物体温度信号I(T₁)、I(T₂)，物体辐射温度信号I(T_r1)、I(T_r2)，

将所得值代入计算公式

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)}$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r1}\right)I\left(T_2\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_1\right)}{[I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)]I\left(T_u\right)}$

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r1}\right)[I\left(T_2\right)-I\left(T_u\right)]-I\left(T_{r2}\right)[I\left(T_1\right)-I\left(T_u\right)]}{[I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)]I\left(T_u\right)}$

计算得到被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α。

更进一步地，对于黑体和灰体，取发射率与反射率之和α=1，所述步骤5中实际物体红外测温公式为：

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n}I\left(T_r\right)+(1-\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right).$

本发明与现有技术相比其优点在于：1、实际物体红外辐射测温修正算法简单有效，便于红外测温仪和红外热像仪编程应用，与原测温修正公式不存在冲突，修正算法的测温精度明显提高；2、本发明提供的发射率、反射率和反射温度测量方法简单可行，便于实际测量使用。

本发明的关键是发现除黑体外无论是朗伯体还是非朗伯体其发射率与反射率之和都不再为1，而是一个约小于1的常数。本发明的原理是根据红外测温仪或红外热像仪的辐射测温原理，建立波段辐射测温方程，由发射率与反射率的关系，得到实际物体辐射能的计算公式，再通过标定曲线，得到物体真实温度。

首先，建立不透明实际物体的波段辐射测温方程。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。实际测量时，热像仪接收到的有效辐射包括三部分：目标自身辐射、环境反射辐射和大气辐射。对如图1所示的实际物体，该物体位于一定的环境中，环境将向被测物体发射辐射，其结果是被测物体将反射一定量的环境辐射，同时物体自身也将对外辐射热辐射。另外，在目标和热像仪之间还存在大气。这三部分能量都将进入热像仪。最终热象仪将接收的三部分辐射能量转换为仪器的输出信号，测温方程如下：

I(T_r)=τ_a[ε_n(λ_e,T₀)I(T₀)+ρ_n(λ_f,T₀)I(T_u)]+(1-τ_a)I(T_a)(1)

其中,L_bλ(T)为辐射亮度，这也是红外热像仪的标定公式。由热像仪得到的I(T)结合标定公式或标定曲线可得到对应的温度T。T_r为红外热像仪指示的温度称为辐射温度或表观温度，T₀为被测物体的真实温度，T_u为环境温度，T_a为大气温度，ε_n(λ_e,T₀)为温度为T₀的被测物体的法向发射率，ρ_n(λ_f,T₀)为温度为T₀的被测物体法向的半球—方向反射率。λ_e由物体温度，光谱响应度，方向光谱发射率所决定，λ_e∈(λ₁,λ₂)；λ_f由环境温度，物体温度，光谱响应度，光谱半球—方向反射率所决定，λ_f∈(λ₁,λ₂)。τ_a为λ₁～λ₂光谱区间内大气的平均透射率，λ₁为探测器响应波段的下限波长，λ₂为探测器响应波段的上限波长。

在目前使用的红外热像仪测温修正方程中，都取ρ=1-ε，这是造成热像仪等辐射测温设备对朗伯体或非朗伯体等实际物体测温误差大的原因之一。

对于郎伯体，其发射率与反射率与方向无关，即ε_n(λ_g,T₀)=ε(λ_g,T₀)，ρ_n(λ_f,T₀)=ρ(λ_f,T₀)，则可得

ρ(λ_f,T₀)=1-ε(λ_f,T₀)（2）

则其发射率与反射率之和为

ε(λ_g,T₀)+ρ(λ_f,T₀)=1+ε(λ_g,T₀)-ε(λ_f,T₀)（3）

由式（3）可知，在两个不同的波长λ_g和λ_f下，ε(λ_g,T₀)和ε(λ_f,T₀)不相等，则发射率与反射率之和不等于1，而是为偏离1的一个数值，该偏离值即为ε(λ_g,T₀)-ε(λ_f,T₀)的值。

令1+ε(λ_g,T₀)-ε(λ_f,T₀)=a，则式（3）变形为

ε(λ_g,T₀)+ρ(λ_f,T₀)=a（4）

对于灰体，其发射率不随波长的变化而变化，即ε(λ_g,T₀)=ε(λ_f,T₀)=ε(T₀)，则其发射率与反射率之和可表述为

ε(T₀)+ρ(T₀)=1（5）

这就是通常热像仪测温方程中采用的关系。

对于非郎伯体，假设其发射率与反射率满足式（4），可表述为

ε_n(λ_g,T₀)+ρ_n(λ_f,T₀)=a（6）

则式（6）即为被测实际物体发射率与反射率之间关系的普适表达式，适用于一切物体。黑体和灰体为其中的特殊情况，此时a=1。

最后，建立实际物体红外测温的修正公式。由式（1）和（6）可得

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}I\left(T_r\right)+(1-\frac{a}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right)---\left(7\right)$

上式就是红外热像仪计算实际物体表面真实温度的修正算法公式。由得到的I(T₀)结合标定公式或标定曲线，如图2所示，可得到物体表面的真实温度T₀。

当近距离测量时，τ_a=1，则（7）式变为

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}I\left(T_r\right)-\frac{a-{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}I\left(T_u\right)---\left(8\right)$

对灰体，取a=1，式（7）就简化得到目前红外热像仪采用的测温修正公式，我们称为灰体修正算法。

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}I\left(T_r\right)+(1-\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right)---\left(9\right)$

当被测表面为黑体，即ε=1，且在近距离测量时，即大气透射率τ_a=1，I(T_r)=I(T_o)，热像仪测量的辐射温度就是物体表面的真实温度。当ε<1时，热像仪的辐射温度不等于物体的真实温度。

附图说明

图1为红外热像仪辐射测温原理示意图。

其中：1.被测物体，温度为T₀，表面发射率为ε_n，反射率为ρ_n；2.大气，大气温度为T_a，透射率为τ_a；3.红外热像仪；4.环境，环境反射温度为T_u。

图2为温度T与热像仪接收的辐射能I(T)之间对应的关系图。

图3为金属铜板的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α随表面氧化、粗糙的铜板温度T的变化关系图。其中：□发射率，○反射率，*发射率与反射率之和。

图4为铜板的真实温度T₀、修正后的温度和不修正的温度随表面氧化、粗糙的铜板温度T的变化关系图。其中：——物体真实温度，○修正后的温度，□不修正的温度。

图5为白漆板的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α随白漆板温度T的变化关系图。其中：□发射率，○反射率，*发射率与反射率之和。

图6为白漆板的真实温度T₀、修正后的温度和不修正的温度随白漆板温度T的变化关系图。其中：——物体真实温度，○修正后的温度，□不修正的温度。

图7表面光滑铜板的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α随表面光滑的铜板温度T的变化关系图。其中：□发射率，○反射率，*发射率与反射率之和。

图8为表面光滑铜板的真实温度T₀、修正后的温度和不修正的温度随表面光滑的铜板温度T的变化关系图。其中：——物体真实温度，○修正后的温度，□不修正的温度。

图9为表面光滑铜板的真实温度T₀、反射温度补偿后的温度和不补偿的温度随铜板温度T的变化关系图。其中：——物体真实温度，◇反射温度补偿后的温度，☆不补偿的物体温度。

图10为表面光滑铜板反射温度补偿后的测温误差和未补偿的测温误差D随铜板的真实温度T₀的变化关系图。其中：◇反射温度补偿后的温度误差，☆不补偿的物体温度误差。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

一种红外辐射精确测温方法，包括如下步骤：

步骤1：测出环境反射温度T_u；

步骤2：利用温度计测出环境大气温度T_α，再根据被测物体与红外辐射测温设备之间的距离计算出大气透射率τ_α；

步骤3：利用红外辐射测温设备测出被测物体的辐射温度T_r；

步骤4：确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α，α≤1；

步骤5：将测量值T_α、T_u、T_r输入红外辐射测温设备计算出环境大气温度信号I(T_α)、环境反射温度信号I(T_u)和被测物体的辐射温度信号的值I(T_r)，将ε_n、α、τ_α、I(T_α)、I(T_u)和I(T_r)的值代入实际物体红外测温公式

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n}I\left(T_r\right)+(1-\frac{a}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right)$

计算得到红外辐射测温信号I(T₀)；

步骤6：根据红外热像仪的标定公式，由红外辐射测温信号的值I(T₀)换算出物体的真实温度T₀。

对于黑体和灰体，取发射率与反射率之和α=1，所述步骤5中实际物体红外测温公式变形为：

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n}I\left(T_r\right)+(1-\frac{a}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right).$

2.测量环境反射温度T_u

当被测物体为朗伯体或漫射物体时，所述步骤1测出环境反射温度T_u的具体步骤包括：

步骤1.11：取一张铝箔，弄皱后再展平，将铝箔固定在纸板上，亮面朝向红外辐射测温设备，铝箔放在被测物体前面并与之平行；

步骤1.12：调节红外辐射测温设备的发射率，将发射率设置为1.00；

步骤1.13：将红外辐射测温设备瞄准铝箔并调焦；

步骤1.14：测量铝箔反射镜表面的表观温度，即得到环境反射温度T_u，多次测量，取平均值。

对于非朗伯面，其环境反射温度T_u的测量方法稍有不同。当被测物体为非朗伯体时，需要选用与被测物体表面结构相似的物体作为红外反射镜，环境反射温度T_u的测量步骤与朗伯体的测量方法相同。测量步骤包括：

步骤1.21：取与被测物体表面结构相似的物体作为红外反射镜，将红外反射镜镜面朝上，放在被测物体前面并与之平行；

步骤1.22：调节红外辐射测温设备的发射率，将发射率设置为1.00；

步骤1.23：将红外辐射测温设备瞄准红外反射镜并调焦；

步骤1.24：测量红外反射镜表面的表观温度，即得到环境反射温度T_u，多次测量，取平均值。

3.测量发射率与反射率之和α

(1)在不同的背景下测量（双背景法）

假设在两个不同的背景温度下物体法向发射率ε_n(T₀)和法向反射率ρ_n(T₀)不变，则在两个不同的环境温度下分别用热像仪近距离进行测温，可列出如下方程组

$\left\{\begin{array}{c}I\left(T_{r1}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_0\right)+{\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_{u1}\right)\\ I\left(T_{r2}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_0\right)+{\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_{u2}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中T_r1为在环境反射温度T_u1下被测物体的辐射温度，T_r2为在环境反射温度T_u2下被测物体的辐射温度，T₀为被测物体的真实温度。

则被测物体的发射率ε_n和反射率ρ_n可通过运算得出，分别为

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{\mathrm{rl}}\right)I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_{\mathrm{ul}}\right)}{[I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)]I\left(T_0\right)}---\left(11\right)$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)}---\left(12\right)$

发射率与反射率之和α可通过下式来计算得出，即

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r2}\right)[I\left(T\right)-I\left(T_{u1}\right)]-I\left(T_{r1}\right)[I\left(T\right)-I\left(T_{u2}\right)]}{[I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)]I\left(T\right)}---\left(13\right)$

步骤4确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α的具体步骤包括：

步骤4.11：测量环境反射温度T_u，取被测物体，将被测物体加热至预设温度T，T高于环境反射温度T_u1；

步骤4.12：在环境反射温度T_u1下对被测物体的表面温度进行测量，得到被测物体的辐射温度为T_r1；

步骤4.13：放置一个辐射加热器对被测物体进行辐射加热，同时改变环境反射温度至T_u2，T_u2高于T_u1，在环境反射温度T_u2下对被测物体的表面温度进行测量，得到被测物体的辐射温度T_r2；

步骤4.14：将测量数据T、T_u1、T_u2、T_r1、T_r2代入红外辐射测温设备得到被测物体温度信号I(T)、环境反射温度信号I(T_u1)，I(T_u2)、物体辐射温度信号I(T_r1)，I(T_r2)，将所得值代入计算公式

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{\mathrm{rl}}\right)I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_{\mathrm{ul}}\right)}{[I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)]I\left(T_0\right)}$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)}$

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r2}\right)[I\left(T\right)-I\left(T_{u1}\right)]-I\left(T_{r1}\right)[I\left(T\right)-I\left(T_{u2}\right)]}{[I\left(T_{u2}\right)-I\left(T_{u1}\right)]I\left(T\right)}$

计算得到被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α。

(2)在不同的温度下测量（双温度法）

改变被测物体的温度，使其工作在两个不同的温度下，且两个温度间温差不是很大。假设被测物体在两个不同的温度下法向发射率ε_n(T₀)和法向反射率ρ_n(T₀)不变，则在两个不同的物体温度下分别用热像仪进行测温，可列出如下方程组

$\left\{\begin{array}{c}I\left(T_{r1}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_0\right)+{\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_u\right)\\ I\left(T_{r2}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_1\right)+{\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)I\left(T_u\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中T_r1为在物体温度为T₀下被测物体的辐射温度，T_r2为在物体温度为T₁下被测物体的辐射温度，T_u为环境反射温度。

则被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α可通过运算得出，分别为

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)}$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r1}\right)I\left(T_2\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_1\right)}{[I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)]I\left(T_u\right)}$

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r1}\right)[I\left(T_2\right)-I\left(T_u\right)]-I\left(T_{r2}\right)[I\left(T_1\right)-I\left(T_u\right)]}{[I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)]I\left(T_u\right)}$

步骤4确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α的具体步骤包括：

步骤4.21：选取被测物体，将该物体加热至预设温度T₁；

步骤4.22：测量环境反射温度为T_u，将温度为T₁的被测物体放入该环境，被测物体受到环境温度的辐射，在环境反射温度T_u下测出物体的辐射温度T_r1；

步骤4.23：改变被测物体温度为T₂，待其稳定后，测出物体的辐射温度T_r2；

步骤4.24：将测量数据T_u、T₁、T_r1、T₂、T_r2代入红外辐射测温设备得到环境反射温度信号I(T_u)，被测物体温度信号I(T₁)、I(T₂)，物体辐射温度信号I(T_r1)、I(T_r2)，将所得值代入计算公式

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)}$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r1}\right)I\left(T_2\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_1\right)}{[I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)]I\left(T_u\right)}$

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r1}\right)[I\left(T_2\right)-I\left(T_u\right)]-I\left(T_{r2}\right)[I\left(T_1\right)-I\left(T_u\right)]}{[I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)]I\left(T_u\right)}$

计算得到被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α。

4.测量结果分析

为了验证本发明提出的修正算法的可靠性和准确性，利用目前市场上成熟的FLUKETi30红外热像仪对不同材料的温度进行测量，分别采用传统的灰体修正方法（FLUKETi30红外热像仪自带）和本发明提出的实际物体测温修正算法修正温度测量结果，并与用安捷伦数据采集仪（Agilent34970A）获取的热电偶直接温度测量结果进行对比。

(1)表面氧化、粗糙的铜板测温对比

图3表示氧化、粗糙的铜板的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α随铜板的真实温度的变化规律。由该图可知，随着铜板温度的增高，其表面发射率ε_n略有升高，但变化不大，其平均值为0.82，其反射率ρ_n略有降低，但变化不大，其平均值为0.17，其发射率与反射率之和α基本上保持不变，其平均值为0.99。

图4表示氧化、粗糙的铜板的真实温度、实际物体修正后的测量温度、灰体近似的测量温度随铜板真实温度的变化规律。由该图可知，实际物体修正后的测量温度与灰体近似的测量温度都与铜板的真实温度比较接近，其最大误差分别只有0.9%和1.6%，都能满足热像仪的精度要求。所以氧化、粗糙的铜板在测温时可近似视为灰体。

(2)表面涂白油漆的铜板

图5表示白油漆板的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α随铜板的真实温度的变化规律。由该图可知，随着物体温度的增高，其表面发射率ε_n略有降低，其平均值为0.93，其反射率ρ_n略有升高，其平均值为0.05，其发射率与反射率之和α略有减小，但变化不大，其平均值为0.98。

图6表示白油漆板的真实温度、实际物体修正后的测量温度、灰体近似的测量温度随其真实温度的变化规律。由该图可知，采用灰体近似修正所得的测量温度与物体的真实温度有一定的偏差，其最大误差为3.0%，而按本发明提出的修正算法进行温度修正后的测量温度与真实温度比较接近，其最大误差只有1.6%。这说明若将白油漆板视为灰体的话，将增大其测温误差。

(3)表面光滑的铜板

图7表示表面光滑的铜板的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α随铜板的真实温度的变化规律。由该图可知，随着物体温度的增高，其表面发射率ε_n逐渐减小，其反射率ρ_n逐渐升高，其发射率与反射率之和α略有减小，但变化不大，其平均值为0.95。

图8表示表面光滑的铜板的真实温度、本发明算法修正后的测量温度、灰体近似修正的测量温度随其真实温度的变化规律。由该图可知，灰体近似修正所得的测量温度与物体的真实温度的偏差非常大，其最大误差高达29.9%，最小误差也达24.4%；而按本发明算法进行温度修正后的测量温度与真实温度比较接近，其测温误差明显减小，其大部分的测温数值的误差都在3%以下。这说明表面光滑的铜板在测温时若采用灰体近似修正的话，将不能准确地测量其真实温度，必须对其进行实际物体的修正，进行修正后，能满足测温精度的要求。

当被测物体周围存在非均匀的高温物体时，对红外辐射测温影响很大，必须进行反射温度补偿修正。图9表示表面光滑的铜板的真实温度、反射温度补偿后的物体温度、未补偿的物体温度随铜板的真实温度的变化规律，图10表示表面光滑的铜板的反射温度补偿后的测温误差、未补偿的测温误差随铜板的真实温度的变化规律。由该两图可知，在周围存在高温物体的情况下，如果不对测温进行反射温度补偿修正，测温结果将与真实温度产生很大的偏差，其最大偏差高达16.8℃，测温误差的最大值为31.1%；随着物体温度的升高，测温温差有逐渐减小的趋势，这是因为随着物体温度的升高，周围高温物体对物体的影响逐渐减小。为了提高测温的精度，在周围存在高温物体的情况下，需要对测温进行反射温度补偿修正。经过补偿后，测温结果与真实温度基本符合，其最大偏差为2.1℃，测温误差比较稳定，测温误差的最大值为5.0%。这说明经过补偿后，测温精度有了很大的提高，基本能准确地测量表面光滑的铜板的温度。

(4)综合分析

对于表面氧化、粗糙的铜板，其发射率与反射率之和α约为0.99，接近1，它可视为灰体，其测温误差能控制在要求的范围内；对于表面涂白油漆的铜板，其发射率与反射率之和α约为0.98，若不对其测温进行实际物体修正的话，其测温误差将在一定程度上增大，不能采用灰体修正方法；对于表面光滑的铜板，其发射率与反射率之和α约为0.95，若不对其进行实际物体修正的话，将产生很大的测温误差，不能准确地测量其表面温度，进行实际物体修正后，其测温误差显著地减小，能较为准确地测量其表面温度。

由实际物体辐射温度测量实验，可得到以下结论：

①在一定的温度范围内，物体的发射率与反射率之和基本保持不变，可略等于为一定值α。

②物体的发射率与反射率之和α与物体种类、表面状况及物体温度有关。物体与灰体越接近，α越大，其值越接近于1；物体表面状况偏离灰体越远，表面越光滑，α越小。

③对于表面粗糙且发射率较高的物体，可将其视为灰体，无需进行实际物体修正；对于表面光滑但发射率较高的物体，若将其视为灰体，将产生一定的测温误差；对于表面光滑且发射率较低的物体，不可将其视为灰体，否则将产生很大的测温误差，必须对其进行实际物体修正，修正后能较为准确地测量其表面温度。

利用本发明所提供的红外辐射测温修正算法，对表面氧化粗糙的铜板、表面涂白油漆的铜板和表面光滑的铜板进行了红外辐射测温，结果表明红外辐射测温误差由分别由1.6%降为0.9%、3%降为1.6%、24%降为3.0%，红外辐射测量精度大大提高。

Claims (4)

1.一种红外辐射精确测温方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：测出环境反射温度T_u；

步骤2：利用温度计测出环境大气温度T_α，再根据被测物体与红外辐射测温设备之间的距离计算出大气透射率τ_α；

步骤3：利用红外辐射测温设备测出被测物体的辐射温度T_r；

步骤4：确定被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α，α≤1；具体步骤包括：

步骤4.21：选取被测物体，将该物体加热至预设温度T₁；

步骤4.22：测量环境反射温度为T_u，将温度为T₁的被测物体放入该环境，被测物体受到环境温度的辐射，在环境反射温度T_u下测出物体的辐射温度T_r1；

步骤4.23：改变被测物体温度为T₂，待其稳定后，测出物体的辐射温度T_r2；

步骤4.24：将测量数据T_u、T₁、T_r1、T₂、T_r2代入红外辐射测温设备得到环境反射温度信号I(T_u)，被测物体温度信号I(T₁)、I(T₂)，物体辐射温度信号I(T_r1)、I(T_r2)，将所得值代入计算公式

${\mathrm{\&epsiv;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r2}\right)-I\left(T_{r1}\right)}{I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)}$

${\mathrm{\&rho;}}_n\left(T_0\right)=\frac{I\left(T_{r1}\right)I\left(T_2\right)-I\left(T_{r2}\right)I\left(T_1\right)}{\&lsqb;I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)\&rsqb;I\left(T_u\right)}$

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&epsiv;}}_n+{\mathrm{\&rho;}}_n=\frac{I\left(T_{r1}\right)\&lsqb;I\left(T_2\right)-I\left(T_u\right)\&rsqb;-I\left(T_{r2}\right)\&lsqb;I\left(T_1\right)-I\left(T_u\right)\&rsqb;}{\&lsqb;I\left(T_2\right)-I\left(T_1\right)\&rsqb;I\left(T_u\right)}$

计算得到被测物体的发射率ε_n、反射率ρ_n、发射率与反射率之和α；

步骤5：将测量值T_α、T_u、T_r输入红外辐射测温设备计算出环境大气温度信号I(T_α)、环境反射温度信号I(T_u)和被测物体的辐射温度信号的值I(T_r)，将ε_n、α、τ_α、I(T_α)、I(T_u)和I(T_r)的值代入实际物体红外测温公式

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n}I\left(T_r\right)+(1-\frac{a}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right)$

计算得到红外辐射测温信号I(T₀)；

步骤6：根据红外热像仪的标定公式，由红外辐射测温信号的值I(T₀)换算出物体的真实温度T₀。

2.根据权利要求1所述的红外辐射精确测温方法，其特征在于：当被测物体为朗伯体或漫射物体时，所述步骤1测出环境反射温度T_u的具体步骤包括：

步骤1.11：取一张铝箔，弄皱后再展平，将铝箔固定在纸板上，亮面朝向红外辐射测温设备，铝箔放在被测物体前面并与之平行；

步骤1.12：调节红外辐射测温设备的发射率，将发射率设置为1.00；

步骤1.13：将红外辐射测温设备瞄准铝箔并调焦；

步骤1.14：测量铝箔反射镜表面的表观温度，即得到环境反射温度T_u，多次测量，取平均值。

3.根据权利要求1所述的红外辐射精确测温方法，其特征在于：当被测物体为非朗伯体时，所述步骤1测出环境反射温度T_u的具体步骤包括：

步骤1.21：取与被测物体表面结构相似的物体作为红外反射镜，将红外反射镜镜面朝上，放在被测物体前面并与之平行；

步骤1.22：调节红外辐射测温设备的发射率，将发射率设置为1.00；

步骤1.23：将红外辐射测温设备瞄准红外反射镜并调焦；

步骤1.24：测量红外反射镜表面的表观温度，即得到环境反射温度T_u，多次测量，取平均值。

4.根据权利要求1所述的红外辐射精确测温方法，其特征在于：对于黑体和灰体，取发射率与反射率之和α＝1，所述步骤5中实际物体红外测温公式为：

$I\left(T_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a{\mathrm{\&epsiv;}}_n}I\left(T_r\right)+(1-\frac{a}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n})I\left(T_u\right)+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}(1-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_a})I\left(T_a\right).$