CN103913238A - 双温双波段红外辐射精确测温方法 - Google Patents

Abstract

一种双温双波段红外辐射精确测温方法，在无需得到物体表面发射率的情况下可精确测量物体的表面温度，同时测出物体的波段发射率随温度的变化。本发明的基本思路是建立实际物体红外测温模型，针对双波段热像仪或单波段红外热像仪进行双波段处理，当可通过改变负荷改变被测物体温度的情况下，使被测物体工作在不同的温度，推导出一种红外热像仪双温双波段测温的变谱法测温模型和计算算法，从而在无需得到物体表面发射率的情况下可准确测量物体的表面温度，提高红外热像仪测温的准确性。

Description

双温双波段红外辐射精确测温方法

技术领域

本发明属于热成像辐射测温技术领域，具体地指一种双温双波段红外辐射精确测温方法。 

背景技术

由于红外热像仪温度测量原理复杂，影响温度测量准确性的因素较多，使得许多人认为红外热像仪测温精度不高。影响测温精度的一个主要因素就是物体表面的发射率，红外热像仪测温时必须事先输入材料表面的准确发射率才能保证对灰体表面的准确测温。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，测量精度一般为1～2%。对单波段的红外热像仪，为得到被测物体的表面温度，需要事先通过查找表查找被测物体表面发射率或通过一些方法测得表面发射率。然而发射率受众多因素的影响，用查找表或测量法得到的被测物体的发射率存在一定误差，某些情况下误差较大，发射率误差的存在将增大被测物体表面的测温误差；在某些特殊条件下（比如高温物体及带电的物体）发射率很难测量得到；还有的物体随温度的不同表面发射率存在明显的变化。因此，急需得到一种无需事先知道发射率就能测量物体表面温度的方法。对于温度测量与发射率分离的方法，目前有采用双波段热像仪或多波长辐射计来进行测量，但是双波段热像仪仅适用于灰体的测量，不能测量物体表面发射率随波长变化的材料；而多波长辐射计主要用于高温物体的测量，同时在一定的波长范围内，增加波长数会导致拟合温度的不确定度增大，从而导致测温误差增大。对于现有的单波段红外热像仪或未来新型的多 波段热像仪，还没有相应的温度与发射率分离的测温方法，这就限制了红外热像仪测温的应用领域。 

发明内容

本发明的主要目的是为针对现有技术的不足，提供一种双温双波段红外辐射精确测温方法，在无需得到物体表面发射率的情况下可精确测量物体的表面温度，同时测出物体的波段发射率随温度的变化。 

为实现上述目的，本发明所设计的双温双波段红外辐射精确测温方法，包括如下步骤： 

1、一种双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于包括如下步骤： 

步骤1：确定两个红外热像仪使用的红外线波段，所述两个红外线波段为不相同的波段； 

步骤2：利用红外热像仪在所述两个红外线波段下，通过对黑体辐射源进行标定分别得到两个红外线波段的红外热像仪测温标定公式： 

$I_i\left(T_{\mathrm{ri}}\right)={\∫}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i}{I}_{\mathrm{b\λi}}\left(T_i\right)\mathrm{d\λ}$

其中Δλ为所在红外线波段的宽度，L_bλi为所在红外线波段的黑体辐射亮度值，i=1,2； 

步骤3：利用标定后的红外热像仪在所述两个红外线波段中的任一波段下测出被测物体表面的环境反射温度T_u

步骤4：利用红外热像仪分别测出被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度T_r1、T_r2； 

步骤5：改变被测物体表面温度，利用红外热像仪再次分别测出被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度T_r3、T_r4； 

步骤6：将所述被测物体表面的环境反射温度T_u代入所述两个红外线波段下的红外热像仪测温标定公式得到被测物体表面在两个红 外线波段下的环境反射温度信号I₁（T_u）、I₂（T_u）；将所述被测物体表面在两个红外线波段下第一次测量的辐射温度T_r1、T_r2和第二次测量的辐射温度T_r3、T_r4分别代入所述两个红外线波段下的红外热像仪测温标定公式得到两次测量、在两个红外线波段下的辐射温度信号I₁（T_r1）、I₁（T_r2）、I₂（T_r3）、I₂（T_r4）； 

步骤7：分别计算被测物体表面在所述两个红外线波段下的辐射温度信号与环境反射温度信号差值e_i（i=1，2，3，4）, 

e₁=I₁(T_r1)-I₁(T_u),e₂=I₁(T_r2)-I₁(T_u),e₃=I₂(T_r3)-I₂(T_u),e₄=I₂(T_r4)-I₂(T_u)； 

步骤8：预设两个被测物体表面温度为T₀和T₁，分别将其代入所述两个红外线波段的红外热像仪测温标定公式得到被测物体表面分别在所述两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁（T₀）、I₂（T₀）、I₁（T₁）、I₂（T₁）； 

步骤9：根据公式 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_0\right)=\frac{e_1}{e_3}[I_1\left(T_1\right)-I_1\left(T_u\right)]+I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_1\right)=\frac{e_4}{e_2}[I_2\left(T_0\right)-I_2\left(T_u\right)]+I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.$ 或 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_1\right)=\frac{e_3}{e_1}[I_1\left(T_0\right)-I_1\left(T_u\right)]+I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_0\right)=\frac{e_2}{e_4}[I_2\left(T_1\right)-I_2\left(T_u\right)]+I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.$

通过迭代求解修正所述被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁（T₀）、I₂（T₀）、I₁（T₁）、I₂（T₁）； 

步骤10：利用红外热像仪，根据修正后的所述被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁（T₀）、I₂（T₀）、I₁（T₁）、I₂（T₁）得到精确的原始被测物体表面温度T和改变后的被测物体表面温度T'。 

优选地，所述被测物体表面为朗伯体材料。当被测物体为漫反射体时，被测物体的辐射特性与方向无关，其测量结果更精确。 

优选地，利用所述红外热像仪进行测温时，所述红外热像仪与所述被测物体表面之间无造成透射影响的衰减介质。红外热像仪在近距离测量时，即红外热像仪与所述被测物体表面之间的大气透射率为100%，其测量结果更精确。 

优选地，所述三个红外线波段均在2～5μm波段内，或者均在7～14μm波段内。2～5μm波段和7～14μm为红外热像仪常用的红外线波段。 

优选地，所述步骤5中，利用加热板改变被测物体表面温度。利用加热板改变被测物体表面温度容易实现，且温度可控。 

优选地，所述红外热像仪采用单波段红外热像仪，在所述单波段红外热像仪前分别加设两个不同波段的波段滤光片，实现单波段红外热像仪在双波段红外线内工作。确定两个红外线波段通过在常见的单波段红外热像仪前端加设两个窄带滤光片的方法容易实现。 

优选地，所述红外热像仪具有两个不同响应波段。若采用双波段红外热像仪，可直接得到两个红外线波段。 

本发明比现有技术的优点在于：1、在红外热像仪测温时无需事先输入物体的表面发射率就能准确测量出物体的表面温度，同时测出物体的波段发射率随温度的变化，这对无法准确估计表面发射率的物体或表面发射率随温度变化的物体的测温有重要的应用价值；2、对实际物体、郎伯体和灰体材料可分别采用五波段、三波段和两波段红外成像测温方法，迭代算法简单，便于红外热像仪编程应用，采用多波段红外测温方法可使红外热像仪测温精度显著提高。 

本发明的基本思路是建立实际物体红外测温模型，针对双波段热像仪或单波段红外热像仪进行双波段处理，当可通过改变负荷改变被测物体温度的情况下，使被测物体工作在不同的温度，推导出一种红外热像仪双温双波段测温的变谱法测温模型和计算算法，从而在无需得到物体表面发射率的情况下可准确测量物体的表面温度，提高红外 热像仪测温的准确性。 

本发明的关键是利用在一个很窄波段内光谱发射率与反射率随波长近似线性变化的关系，通过改变负荷改变被测物体温度，使被测物体工作在不同的温度，使原红外测温方程中物体表面温度、表面发射率两个未知参数可解，推导出一种红外热像仪双温双波段测温的变谱法测温模型和计算算法。具体步骤是： 

1、红外热像仪的测温模型 

红外热像仪的测温模型如下： 

在近距离测温时大气透射率τ_a=1，根据式（1）可知要得到被测物体的表面真实温度T₀，需要知道红外热像仪测得的辐射温度T_r，物体表面法向发射率ε_n，物体表面法向反射率ρ_n和环境温度T_u。辐射温度T_r可通过红外热像仪测得，环境温度T_u也可通过红外热像仪或温度计测得，而被测物体表面法向发射率ε_n和法向反射率ρ_n为未知参数，则式（1）一个方程含有三个未知参数，是不可解的。采取在不同的波段下测量的方法，可以构造不同的测温方程。但是单纯依靠增加波段来增加测温方程，同时也会增加未知数的数目，这是因为物体的表面发射率和反射率是随测温波段的不同而变化的。所以即使增加到n个波段，还是有n+3个未知数，仍然不可解。所以需要采取一定的方法来求解被测物体的表面温度。 

2、光谱发射率与反射率的线性表达式 

1）光谱发射率的线性表达式 

实际物体辐射的复杂性可归结为发射率的光谱复杂性和方向复杂性，而发射率的光谱性是辐射测温中最为关键的问题。对于具有连续辐射性质的物体，其光谱发射率必然是波长的连续函数，往往表现为波长的复杂曲线。 

设满足以下条件： 

①在波长λ₀的某邻域波段|λ-λ₀|<δ内有定义； 

②在此邻域波段内具有一直到n+1阶的导数

则根据泰勒局部展开公式，在波长λ₀的邻域波段内可以表达为 

其中而λ_ξ在该邻域波段内。 

定义邻域(λ₀,λ₀+δ)内的无量纲波长 

$\mathrm{\&Lambda;}=\frac{\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&delta;}}---\left(3\right)$

改写式（2），其变形为 

若δ取无穷小量时，n≥2的高阶量及余项O_n(Λ)可以忽略，于是有 

其中

式（5）描述了局部波长区间内的光谱发射率的分布，该分析表明：在有限的窄波段内，光谱发射率可以用波长的线性函数来表示。 

引入无量纲波长使发射率函数中的参数具有了与发射率相同的无量纲特征。图1为邻域(λ₀,λ₀+δ)内发射率线性化及无量纲化的示例图。 

根据发射率的定义，其满足 

根据式（6）并结合图1，发射率模型中无量纲参数的取值范围为 

因此，无量纲波长的提出在使参数无量纲化的同时，也使发射率函数中无量纲参数的数值范围得以明确。 

令则（5）式变形为 

表示斜率/截距比，其数值范围为[-1,+∞)。 

当光谱发射率随波长变化的实际情况与线性发射率模型有一定偏差时，可引入弯曲度指数n₁来改造式（8）的发射率模型 

在大多数情况下，测量选取有限的窄波段时，线性模型可以较好地适合大部分实际物体。对其实际温度的偏离，可以在已知弯曲度指数的情况下予以修正。 

2）光谱反射率的线性表达式 

与光谱发射率的线性化处理类似，若选取合适波段(λ₀,λ₀+δ)，则光谱半球—方向反射率可以表示为如下的线性形式 

当光谱半球—方向反射率随波长变化的实际情况与线性模型有一定偏差时，可引入弯曲度指数n₂来改造式（10）的反射率模型，即 

3、红外热像仪多波段变谱法测温的原理 

1）红外热像仪变谱法测温模型 

在近距离测温时，大气透射率τ_a为1，式（1）简化为 

选择热像仪的响应波段在(λ₀,λ₀+δ)之内，将式（8）和（9）代入式（12）可得 

上式可变形为 

根据将其代入式（14），并化简可得 

令 

$J\left(T\right)={\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}\mathrm{\&lambda;}{L}_{\mathrm{b\&lambda;}}\left(T\right)\mathrm{d\&lambda;}---\left(16\right)$

J(T)的单位为W·μm/m²。 

则式（15）可变形为 

上式含有五个未知参数 构造5个测温方程，并且方程 

之间满足线性无关，如下式所示 

式中下标i表示在波段i下的数值。则通过求解方程组可以求得T₀。式 

（18）即为红外热像仪多波段变谱法的测温原理公式。 

2)J(T)的计算 

要求解方程组（18），必须得到J(T)的计算值。由式（16），可得 

$J\left(T\right)={\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}\mathrm{\&lambda;}{L}_{\mathrm{b\&lambda;}}\left(T\right)\mathrm{d\&lambda;}=\frac{C_1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}^4[\exp (C_2/\mathrm{\&lambda;T})-1]}\mathrm{d\&lambda;}---\left(19\right)$

式(19)不能直接积分求解，需要采取一定的方法进行处理。 

$J_{0~\mathrm{\&lambda;}}\left(T\right)=\frac{C_1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&lambda;}}\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}^4[\exp (C_2/\mathrm{\&lambda;T})-1]}\mathrm{d\&lambda;}---\left(20\right)$

令x=C₂/λT，则式（20）变形为 

$J_{0~\mathrm{\&lambda;}}\left(T\right)=\frac{C_1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&lambda;}}\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}^4[\exp (C_2/\mathrm{\&lambda;T})-1]}\mathrm{d\&lambda;}=\frac{C_1{T}^3}{\mathrm{\&pi;}{C_2}^2}{\&Integral;}_x^{\&infin;}\frac{x^2}{e^x-1}\mathrm{dx}=\frac{C_1{T}^3}{\mathrm{\&pi;}{C_2}^3}{\&Integral;}_{\frac{C_2}{\mathrm{\&lambda;T}}}^{\&infin;}\frac{{(C_2/\mathrm{\&lambda;T})}^2}{\exp (C_2/\mathrm{\&lambda;T})-1}d(C_2/\mathrm{\&lambda;T})---\left(21\right)$

令 

$H\left(\mathrm{\&lambda;T}\right)={\&Integral;}_{\frac{C_2}{\mathrm{\&lambda;T}}}^{\&infin;}\frac{{(C_2/\mathrm{\&lambda;T})}^2}{\exp (C_2/\mathrm{\&lambda;T})-1}d(C_2/\mathrm{\&lambda;T})---\left(22\right)$

对于给定的一系列λT值可以计算出相应的函数值H(λT)。H(λT)的图解表示，如图2所示。 

利用H(λT)函数，可以完成J_0～λ(T)的计算，即 

$J_{0~\mathrm{\&lambda;}}\left(T\right)=\frac{C_1{T}^3}{\mathrm{\&pi;}{C_2}^2}H\left(\mathrm{\&lambda;T}\right)---\left(23\right)$

波长λ₁～λ₂之间的J(T)的值为 

$J\left(T\right)=J_{0~{\mathrm{\&lambda;}}_2}\left(T\right)-J_{0~{\mathrm{\&lambda;}}_1}\left(T\right)=\frac{C_1{T}^3}{\mathrm{\&pi;}{C_2}^3}[H\left({\mathrm{\&lambda;}}_{2}T\right)-H\left({\mathrm{\&lambda;}}_{1}T\right)]---\left(24\right)$

3）模型的简化计算 

由式（18）可知，式中需要进行I(T)和J(T)的运算，导致其运算比较复杂。如果变谱法采用在红外热像仪前加设滤光片的方法，则热像仪工作在一个很窄的波段，所以可以对式（18）进行合理的简化。 

在很窄的波段内，式（16）可简化为 

$J\left(T\right)={\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}\mathrm{\&lambda;}{L}_{\mathrm{b\&lambda;}}\left(T\right)\mathrm{d\&lambda;}\&ap;{\mathrm{\&lambda;}}^{*}{\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{L}_{\mathrm{b\&lambda;}}\left(T\right)\mathrm{d\&lambda;}={\mathrm{\&lambda;}}^{*}I\left(T\right)---\left(25\right)$

式中λ^*为响应波段的中心波长。 

图3表示在10.38～10.54μm响应波段范围内λ^*I(T)和J(T)随被测物体温度的变化情况。由该图可知，λ^*I(T)与J(T)的数值能够很好地吻合，其最大误差仅为0.0028%，即可以认为λ^*I(T)与J(T)相等。 

将式（25）代入式（17），并经过化简可得 

由式（3），可得则式（26）可变形为 

则式（18）相应地可简化为 

5、郎伯体测温的双温双波段法原理 

对于郎伯体材料而言，当其发射率随波长显著变化时，采用固定 发射率测温，其发射率误差较大，而发射率误差的存在将会增大被测物体表面温度的测温误差，采用常规灰体修正测量方法对郎伯体材料进行测温的误差较大甚至不能准确测量。而采用变谱法可实现对郎伯体温度的准确测量。 

1）原理 

当被测物体的辐射特性与方向无关，即物体可视为漫反射体时，被测物体可视为郎伯体。 

则式（8）与（10）相应地变形为 

ε(λ,T₀)=a₀(λ₀,T₀)[1+m(λ₀,T₀)Λ]    （29） 

ρ(λ,T₀)=b₀(λ₀,T₀)[1+t(λ₀,T₀)Λ]    （30） 

对于朗伯体，其发射率与反射率之和近似为1。则可得 

ρ(λ,T₀)=1-ε(λ,T₀)    （31） 

对郎伯体由式（31）可知，反射率ρ(λ,T₀)=1-ε(λ,T₀)，在近距测温时τ_a=1，根据式（1）可知，要得到被测物体的表面温度，需要知道热像仪测得的辐射温度T_r，物体表面法向发射率ε_n(T₀)和环境温度或反射温度T_u。辐射温度通过热像仪测得，反射温度可通过热像仪或温度计测得，而物体表面法向发射率为未知参数，则式（1）一个方程含有2个未知参数，是不可解的，所以需要采取一定的方法来求解被测物体的表面温度。 

当可通过改变负荷改变被测物体温度的情况下，使被测物体可以工作在不同的温度时，可采用双温双波段法测温。当被测物体的温度为T₀时，在不同的两个响应波段进行测温，其发射率分别为ε₁和ε₂，改变被测物体的温度，该温度设为T₁，且该温度与T₀之间温差不是太大。由于发射率随温度的变化很小，则可假设在两个不同的温度下被测物体的发射率不变，则可以建立如下的方程组 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_{r1}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_1{I}_1\left(T_0\right)+(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_1)I_1\left(T_u\right)\\ I_1\left(T_{r3}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_1{I}_1\left(T_1\right)+(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_1)I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_{r2}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_2{I}_2\left(T_0\right)+(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_2)I_2\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_{r4}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_2{I}_2\left(T_1\right)+(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_2)I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.---\left(32\right)$

式中下标1，2分别在两个波段下的数值。构造两个不同的响应波段可以通过用两个不同响应波段的热像仪进行测温，也可以通过在一台热像仪前分别加设两个不同透过波段的滤光片，加设滤光片后要对热像仪重新进行标定。 

通过运算可消去方程组（32）中的ε₁和ε₂，则方程组（32）变形为 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{I_1\left(T_{r1}\right)-I_1\left(T_u\right)}{I_1\left(T_{r3}\right)-I_1\left(T_u\right)}=\frac{I_1\left(T_0\right)-I_1\left(T_u\right)}{I_1\left(T_1\right)-I_1\left(T_u\right)}\\ \frac{I_2\left(T_{r2}\right)-I_2\left(T_u\right)}{I_2\left(T_{r4}\right)-I_2\left(T_u\right)}=\frac{I_2\left(T_0\right)-I_2\left(T_u\right)}{I_2\left(T_1\right)-I_2\left(T_u\right)}\end{array}\right.---\left(33\right)$

令 

I₁(T_r1)-I₁(T_u)=e₁,I₁(T_r2)-I₁(T_u)=e₂,I₂(T_r3)-I₂(T_u)=e₃,I₂(T_r4)-I₂(T_u)=e₄，则可以建立求解T₀和T₁的迭代方程组，如下所示 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_0\right)=\frac{e_1}{e_3}[I_1\left(T_1\right)-I_1\left(T_u\right)]+I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_1\right)=\frac{e_4}{e_2}[I_2\left(T_0\right)-I_2\left(T_u\right)]+I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.---\left(34\right)$

或 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_1\right)=\frac{e_3}{e_1}[I_1\left(T_0\right)-I_1\left(T_u\right)]+I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_0\right)=\frac{e_2}{e_4}[I_2\left(T_1\right)-I_2\left(T_u\right)]+I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.---\left(35\right)$

则通过迭代求解方程组（34）或（35）即可求得被测物体的温度T₀和T₁。 

附图说明

图1为发射率线性化及无量纲化的示例图，其中：ε为被测物体表面发射率，Λ为无量纲波长。 

图2为函数H(λT)的曲线图，其中：H(λT)为函数值，λT为波长与温度的乘积。 

图3为λ^*I(T)函数和J(T)函数随被测物体温度的变化情况示意图，其中：·为λ^*I(T)函数，——为J(T)函数。 

图4为表面氧化粗糙的钢板的真实温度、采用常规测量方法测得的被测物体温度、采用双温双波段法得到的被测物体温度随钢板的真实温度的变化关系示意图，其中：——为被测物体的真实温度，△为常规测量方法在7-14μm波段得到的被测物体表面温度，○为常规测量方法在7.5-13μm波段得到的被测物体表面温度，·为双温双波段法得到的被测物体表面温度，T为被测物体真实温度，T₀为被测物体表面温度。 

图5为采用常规测量方法得到的被测物体温度的误差、采用双温双波段法得到的被测物体温度的误差随钢板的真实温度的变化关系示意图，其中：——为常规测量方法在7-14μm波段得到的被测物体表面温度的误差，○为常规测量方法在7.5-13μm波段得到的被测物体表面温度的误差，·为双温双波段法得到的被测物体表面温度的误差，T为被测物体真实温度，D为误差。 

图6为表面氧化、粗糙的钢板的波段发射率随温度的变化关系示意图，其中：——为在7-14μm波段被测物体发射率随温度的变化关系，·为在7.5-13μm波段被测物体发射率随温度的变化关系，ε为被测物体表面发射率，T为被测物体真实温度。 

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。 

一种双温双波段红外辐射精确测温方法，包括如下步骤： 

步骤1：确定两个红外热像仪使用的红外线波段，两个红外线波段为不相同的波段； 

步骤2：利用红外热像仪在两个红外线波段下，通过对黑体辐射 源进行标定分别得到两个红外线波段的红外热像仪测温标定公式： 

$I_i\left(T_{\mathrm{ri}}\right)={\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&lambda;}}_i}{I}_{\mathrm{b\&lambda;i}}\left(T_i\right)\mathrm{d\&lambda;}$

其中Δλ为所在红外线波段的宽度，L_bλi为所在红外线波段的黑体辐射亮度值，i=1,2； 

步骤3：利用标定后的红外热像仪在两个红外线波段中的任一波段下测出被测物体表面的环境反射温度T_u

步骤4：利用红外热像仪分别测出被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度T_r1、T_r2； 

步骤5：改变被测物体表面温度，利用红外热像仪再次分别测出被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度T_r3、T_r4； 

步骤6：将被测物体表面的环境反射温度T_u代入两个红外线波段下的红外热像仪测温标定公式得到被测物体表面在两个红外线波段下的环境反射温度信号I₁（T_u）、I₂（T_u）；将被测物体表面在两个红外线波段下第一次测量的辐射温度T_r1、T_r2和第二次测量的辐射温度T_r3、T_r4分别代入两个红外线波段下的红外热像仪测温标定公式得到两次测量、在两个红外线波段下的辐射温度信号I₁（T_r1）、I₁（T_r2）、I₂（T_r3）、I₂（T_r4）； 

步骤7：分别计算被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度信号与环境反射温度信号差值e_i（i=1，2，3，4）, 

e₁=I₁(T_r1)-I₁(T_u),e₂=I₁(T_r2)-I₁(T_u),e₃=I₂(T_r3)-I₂(T_u),e₄=I₂(T_r4)-I₂(T_u)； 

步骤8：预设两个被测物体表面温度为T₀和T₁，分别将其代入两个红外线波段的红外热像仪测温标定公式得到被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁（T₀）、I₂（T₀）、I₁（T₁）、I₂（T₁）； 

步骤9：根据公式 

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_0\right)=\frac{e_1}{e_3}[I_1\left(T_1\right)-I_1\left(T_u\right)]+I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_1\right)=\frac{e_4}{e_2}[I_2\left(T_0\right)-I_2\left(T_u\right)]+I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.---\left(34\right)$

或 $\left\{\begin{array}{c}{I}_1\left(T_1\right)=\frac{e_3}{e_1}[I_1\left(T_0\right)-I_1\left(T_u\right)]+I_1\left(T_u\right)\\ I_2\left(T_0\right)=\frac{e_2}{e_4}[I_2\left(T_1\right)-I_2\left(T_u\right)]+I_2\left(T_u\right)\end{array}\right.---\left(35\right)$

通过迭代求解修正被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁（T₀）、I₂（T₀）、I₁（T₁）、I₂（T₁）； 

步骤10：利用红外热像仪，根据修正后的被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁（T₀）、I₂（T₀）、I₁（T₁）、I₂（T₁）得到精确的原始被测物体表面温度T和改变后的被测物体表面温度T'。 

采用响应波段为7～14μm的单波段红外热像仪进行测量，通过在该热像仪前分别加设的两个窄带滤光片实现单波段红外热像仪在双波段红外线内工作。红外热像仪对被测物体进行近距离测温，红外热像仪与被测物体表面之间无造成透射影响的衰减介质。具体操作过程包括： 

（1）将被测物体固定在加热板上，对其进行加热。用温度计测出环境温度T_u。将FLUKE Ti30红外热像仪固定在热像仪支架上，按测量要求调节热像仪的位置对准被测物体，对热像仪进行调焦，使成像清晰。 

（2）等待几分钟，待热电偶的读数稳定后，记下安杰伦数采系统显示的温度值，此温度即为测得的物体的真实温度T₀。用FLUKETi30热像仪进行测温，调节热像仪的发射率的数值将其设置1，则测得的是被测物体的辐射温度T_r1。查发射率表，得到发射率值为0.86，将热像仪发射率值设置为0.86，则测得的温度为常规测量方法用Ti30热像仪测得的物体温度。 

（3）将FLUKE Ti30热像仪从支架上取下，把FLIR E320热像仪固定在支架上进行测温，调节热像仪的发射率的数值将其设置1，则测得的是被测物体的辐射温度T_r2。将热像仪发射率值设置为0.86，则测得的温度为常规测量方法用E320热像仪测得的物体温度。 

（4）调高加热板的设置温度，设置为45℃，等待几分钟，待热电偶读数稳定后，记下安杰伦数采系统显示的温度值，此温度即为测得的物体的真实温度T₁。用上述（2）和（3）的方法分别得到Ti30热像仪测得的被测物体的辐射温度T_r3和E320热像仪测得的被测物体的辐射温度T_r4。将热像仪发射率值设置为0.86，分别得到常规测量方法用Ti30热像仪和E320热像仪测得的物体温度。 

（5）调高加热板的设置温度，分别将加热板温度设置为50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、95℃，按照上述（2）～（4）的方法分别测得T_r1、T_r2、T_r3、T_r4。 

（6）根据测得的T_r1、T_r2、T_r3、T_r4和环境温度T_u利用式（34）或（35）迭代求解T₀和T₁，获得原始被测物体表面温度T和改变后的被测物体表面温度T'。 

测量结果分析 

图4为表面氧化粗糙的钢板的真实温度、采用常规测量方法用Ti30热像仪测得的物体温度、采用常规测量方法用E320热像仪测得的物体温度、采用双温双波段法得到的物体温度随钢板的真实温度的变化情况，图5表示采用常规测量方法用Ti30热像仪测得的物体温度的误差、采用常规测量方法用E320热像仪测得的物体温度的误差、采用双温双波段法得到的物体温度的误差随钢板的真实温度的变化情况。由图4和图5可知，采用常规测量方法用Ti30热像仪测得的物体温度与真实温度有一定偏差，其最大偏差为3.2℃，最小偏差为0.8℃，其最大误差为4.4%，最小误差为2.1%，并且随着温度的升高，其偏差与误差逐渐增大并趋于稳定；采用常规测量方法用E320热像 仪测得的物体温度与真实温度的偏差较大，其最大偏差为7.0℃，最小偏差为1.6℃，其最大误差为10.6%，最小误差为4.3%，并且随着温度的升高，其偏差与误差逐渐增大；采用双温双波段法得到的物体温度与真实温度的偏差较小，其最大偏差为1.0℃，最小偏差为0.4℃，其最大误差为2.0%，最小误差为0.6%，并且随着温度的升高，其偏差与误差有减小的趋势并趋于稳定。采用常规测量方法测得的物体温度有一定误差主要是由于发射率误差引起的，通过查找表得到的发射率值与材料真实发射率值有一定偏差，发射率误差的存在导致了测温误差的产生。而用常规测量方法用E320热像仪测得的物体温度的误差较大是除发射率误差的影响外，E320热像仪经过较长时间的使用而未经过标定，导致其辐射温度测温误差超过了2%的设计值而引起测温误差增大。而采用双温双波段法也存在一定误差是由于在不同的温度下被测物体发射率并不完全相同，会存在很小的差值。这说明采用常规测量方法用E320热像仪测得的表面氧化、粗糙的钢板的温度误差较大，不能满足测量精度，采用常规测量方法用Ti30热像仪测得的表面氧化、粗糙的钢板的温度有一定误差，但是在测温精度要求不高的场合可以满足测量要求，采用双温双波段法可以较准确地得到表面氧化、粗糙的钢板的温度，其误差很小，可以保证较高的测量精度。 

图6为根据实验的结果由式（32）得到的表面氧化、粗糙的钢板的波段发射率随温度的变化规律。由图可知，在不同的波段下被测物体的发射率不同，而发射率随温度的变化很小。在7-14μm波段，被测物体的平均发射率为0.79；在7.5-13μm波段，被测物体的平均发射率为0.71。可见采用双温双波段法不仅能准确测出物体温度，还能同时测出物体的波段发射率随温度的变化。 

利用本发明所提供的双温双波段红外测温方法及迭代算法，对表面氧化粗糙的钢板进行了红外辐射测温，在很小的温度变化下，采 用常规测量方法用FLUKE Ti30热像仪测得的物体温度与真实温度有一定偏差，其最大偏差为3.2℃，最小偏差为0.8℃，其最大误差为4.4%，最小误差为2.1%；采用常规测量方法用FLIR E320热像仪测得的物体温度与真实温度的偏差较大，其最大偏差为7.0℃，最小偏差为1.6℃，其最大误差为10.6%，最小误差为4.3%；而采用双温双波段法得到的物体温度与真实温度的偏差较小，其最大偏差为1.0℃，最小偏差为0.4℃，其最大误差为2.0%，最小误差为0.6%，可见采用双温双波段测温方法可使红外热像仪的测温精度大大提高，有效消除被测物体表面发射率带来的测量误差，达到仪器本身的测量精度。如果测量前进行实时标定减少仪器误差的话，可非常准确测出物体表面温度。 

Claims (7)

1.一种双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于包括如下步骤： 

步骤1：确定两个红外热像仪使用的红外线波段，所述两个红外线波段为不相同的波段； 

步骤2：利用红外热像仪在所述两个红外线波段下，通过对黑体辐射源进行标定分别得到两个红外线波段的红外热像仪测温标定公式： 

其中Δλ为所在红外线波段的宽度，L_bλi为所在红外线波段的黑体辐射亮度值，i＝1,2； 

步骤3：利用标定后的红外热像仪在所述两个红外线波段中的任一波段下测出被测物体表面的环境反射温度T_u

步骤4：利用红外热像仪分别测出被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度T_r1、T_r2； 

步骤5：改变被测物体表面温度，利用红外热像仪再次分别测出被测物体表面在两个红外线波段下的辐射温度T_r3、T_r4； 

步骤6：将所述被测物体表面的环境反射温度T_u代入所述两个红外线波段下的红外热像仪测温标定公式得到被测物体表面在两个红外线波段下的环境反射温度信号I₁(T_u)、I₂(T_u)；将所述被测物体表面在两个红外线波段下第一次测量的辐射温度T_r1、T_r2和第二次测量的辐射温度T_r3、T_r4分别代入所述两个红外线波段下的红外热像仪测温标定公式得到两次测量、在两个红外线波段下的辐射温度信号I₁(T_r1)、I₁(T_r2)、I₂(T_r3)、I₂(T_r4)； 

步骤7：分别计算被测物体表面在所述两个红外线波段下的辐射温度信号与环境反射温度信号差值e_i(i＝1，2，3，4), 

e₁＝I₁(T_r1)-I₁(T_u),e₂＝I₁(T_r2)-I₁(T_u),e₃＝I₂(T_r3)-I₂(T_u),e₄＝I₂(T_r4)-I₂(T_u)； 

步骤8：预设两个被测物体表面温度为T₀和T₁，分别将其代入所述两个红外线波段的红外热像仪测温标定公式得到被测物体表面分别在所述两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁(T₀)、I₂(T₀)、I₁(T₁)、I₂(T₁)； 

步骤9：根据公式 

或 

通过迭代求解修正所述被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁(T₀)、I₂(T₀)、I₁(T₁)、I₂(T₁)； 

步骤10：利用红外热像仪，根据修正后的所述被测物体表面分别在两个红外线波段下的两个预设温度信号I₁(T₀)、I₂(T₀)、I₁(T₁)、I₂(T₁)得到精确的原始被测物体表面温度T和改变后的被测物体表面温度T'。 

2.根据权利要求1所述的双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于：所述被测物体表面为朗伯体材料。 

3.根据权利要求1所述的双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于：利用所述红外热像仪进行测温时，所述红外热像仪与所述被测物体表面之间无造成透射影响的衰减介质。 

4.根据权利要求1所述的双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于：所述两个红外线波段均在2～5μm波段内，或者均在7～14μm波段内。 

5.根据权利要求1所述的双温双波段红外辐射精确测温方法， 其特征在于：所述步骤5中，利用加热板改变被测物体表面温度。 

6.根据权利要求5所述的双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于：所述红外热像仪采用单波段红外热像仪，在所述单波段红外热像仪前分别加设两个不同波段的波段滤光片，实现单波段红外热像仪在双波段红外线内工作。 

7.根据权利要求1至6所述的双温双波段红外辐射精确测温方法，其特征在于：所述红外热像仪具有两个不同响应波段。