CN104614076A - 一种宽温度范围红外线测温仪的精度校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽温度范围红外线测温仪的精度校准方法：首先通过实验获得红外线传感器测得的初始温度值，并绘成离散点图。利用最小二乘法将红外线传感器获得的初始温度值与真实温度曲线进行分段拟合，获得各温度区间的校正系数。然后根据红外线传感器获得的初始温度所在温度区间的对应校正系数对初始温度值进行校正，获得一个比初始温度值更接近于真实温度的温度值。本发明提高了红外测温仪的测量精度，减小了测量误差。

Description

一种宽温度范围红外线测温仪的精度校准方法

技术领域

本发明是关于红外线测温仪的，特别涉一种–40℃～+70℃宽温度范围的红外线测温仪的精度校准方法，以达到测量精度±1℃的要求。

背景技术

红外测温仪具有响应时间短、测量温度范围宽、测量精度高的特点，在物体表面温度测量领域中有着广泛的应用。温度的变化会使内部产生很大的应力而发生材料疲劳，从而影响的使用寿命，通过现场准确测试温度的变化，对于研究使用寿命及材料老化蜕变性能具有重要意义。

目前的非接触式红外线温度测温仪，虽然能在–40℃～+70℃环境下测量高温和低温，测试结果准确，但其响应速度慢，响应时间甚至长达几十秒，给研究人员现场数据采集带来极大的不便。目前商品化的普通非接触式红外温度测温仪的工作温度范围(0℃～50℃)和测试温度范围不完全相同，虽然一些市售红外温度测温仪能在0℃～50℃工作温度下测试–18℃～+250℃的温源，但当这种温度测试仪在50℃以上高温和0℃以下低温环境中工作时，表现为测试误差较大而超出精度要求，很显然这种测温仪不能完全满足–40℃～+70℃环境下精确测温的需要。

本发明能够完全满足–40℃～+70℃环境下精确测温的需要，能为严酷温度环境下的温度数据采集提供合适的快速、准确的测量工具。

发明内容

本发明的目的，是在现有技术的非接触式红外线温度测温仪的基础上，克服该测温仪工作温度范围小的缺点，提供一种响应速度快、极大地提高温度数据采集效率、且能够满足–40℃～+70℃工作环境的非接触式红外测温仪。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种宽温度范围红外线测温仪的精度校准方法，具有如下步骤：

(1)基于测量结果，根据最小二乘法确定函数模型以及各个温度范围的校正系数；

测试时，对目标物体的同一平面选取n个不同位置进行测量，取n次测量的平均值y作为校准的依据，然后利用最小二乘法进行拟合；根据测量平均值的特点，可将测试平均值Y与真实温度X表示为如下矩阵的形式。

$X=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\\ ...\\ x_k\end{array}\right],\stackrel{\‾}{Y}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{y_0}\\ \stackrel{\‾}{y_1}\\ ...\\ \stackrel{\‾}{y_k}\end{array}\right]$

假设在温度区间[x_m，x_n]上的拟合函数为则通过测试值和真实温度x求出校正系数A和B。

对于由矩阵运算法则可得：

$\stackrel{\‾}{y_m}={\mathrm{Ax}}_m+B$

$\stackrel{\‾}{y_{m+1}}={\mathrm{Ax}}_{m+1}+B$

$\stackrel{\‾}{y_{m+2}}={\mathrm{Ax}}_{m+2}+B$

..........

$\stackrel{\‾}{y_n}={\mathrm{Ax}}_n+B$

由最小二乘法原理可知，通过最小化测试数据点和拟合曲线的误差的平方和，来寻找最佳拟合函数，即寻找函数

$S(A,B)={[\stackrel{\‾}{y_m}-({\mathrm{Ax}}_m+B)]}^2+{[\stackrel{\‾}{y_{m+1}}-({\mathrm{Ax}}_{m+1}+B)]}^2+...+{[\stackrel{\‾}{y_n}-({\mathrm{Ax}}_n+B)]}^2$

的最小值，最小值可通过求S(A,B)对A和B的偏导数得到。

$\frac{\∂S}{\∂A}=-2\mathrm{\Σ}\left(x_i\right[\stackrel{\‾}{y_i}-({\mathrm{Ax}}_i+B)\left]\right)$

$\frac{\∂S}{\∂B}=-2\mathrm{\Σ}[\stackrel{\‾}{y_i}-({\mathrm{Ax}}_i+B)],(i=m,m+1...n)$

使上式中的偏导数为0，得到校正系数A和B的值，假设A＝a₀，B＝b₀。由获得的A和B的值可以得到温度区间[x_m，x_n]上的拟合函数为y＝a₀x+b₀，值域为[y_m，y_n]。通过拟合函数，可以得到红外传感器测量温度所在温度区间[y_m，y_n]上的校正函数为定义域为[y_m，y_n]。

利用此方法可分别获得其它温度区间内的校正函数，对y值进行校正，降低测量结果的误差；温度区间不同，校正系数亦不相同；

上述的x为物体真实温度；y为单片机读取传感器信号后处理获得的初始温度值；x'为校准后的温度；y'为LCD显示的校准后的温度值，y'＝x'；

(2)由校正系数A和B即A＝a₀，B＝b₀，及单片机读取传感器信号后处理获得的初始温度值y，获得接近真实温度x的校正值x'；

该红外线测温仪包括摄氏温度和华氏温度转换、激光定位控制、LCD背光控制和发射率调节的功能。

本发明非接触式红外线测温仪包括摄氏温度和华氏温度转换、激光定位控制、LCD背光控制、发射率调节等功能，尤其能够满足–40℃～+70℃环境下正常工作和精确度为±1℃的测温需要。本发明温度测试仪可在2s内测得物体表面温度，极大地提高了温度数据采集效率，且工作温度范围和测量温源范围相同，均为–40℃～+70℃，适用于严酷温度环境下精确测温的需要。

附图说明

图1是利用最小二乘法对测量结果进行校正原理图；

图2是非接触式红外线测温仪温度校正流程图；

图3是实施例红外线测温仪温度技术指标控制图和不同温度下的校正结果图。

具体实施方式

图2是红外线测温仪的温度校正流程图，图中x为物体真实温度；y为单片机读取传感器信号后处理获得的初始温度值，x'为校准后的温度，y'为LCD显示的校准后的温度值。在对红外线测温仪进行校正时，根据y的大小确定其所在的温度区间，判断y是否需要校正，如果不需要则x'＝y，此时显示温度y'等于校正后的温度x'，即y'＝x'＝y；否则将y代入相应的校正函数中，得到一个比y更趋向于真实温度的校准值x'，即校正后的显示温度A和B的值由y所在温度区间确定，校正后的显示温度误差大小为±1℃。因此通过最小二乘法校正后降低了测量误差，提高了测量的精度。

本发明采用最小二乘法对红外传感器测量结果进行分段校准，图1是利用最小二乘法对测量结果进行校正原理图。图1中每一小段的温度范围内，测量结果近似为线性，所以拟合函数的数学模型可采用线性函数y＝Ax+B。可用最小二乘法对每一段内的测量温度和真实温度进行拟合，得到真实温度和测量温度之间的关系。根据最小二乘法进行校正的原理流程和方法如下：

根据测量结果的特点，可将测试结果Y与真实温度X表示为如下矩阵的形式。

$X=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ x_1\\ ...\\ x_k\end{array}\right],Y=\left[\begin{array}{c}{y}_0\\ y_1\\ ...\\ y_k\end{array}\right]$

假设在温度区间[x_m，x_n]上的拟合函数为y＝Ax+B(0≤m＜n≤k)，则通过测试值y和真实温度x求出校正系数A和B。

对于Y＝(AX+B)，由矩阵运算法则可得：

y_m＝Ax_m+B

y_m+1＝Ax_m+1+B

y_m+2＝Ax_m+2+B

..........

y_n＝Ax_n+B

由最小二乘法原理可知，通过最小化测试数据点和拟合曲线的误差的平方和，来寻找最佳拟合函数，即寻找函数

S(A,B)＝[y_m-(Ax_m+B)]²+[y_m+1-(Ax_m+1+B)]²+...+[y_n-(Ax_n+B)]²

的最小值，最小值可通过求S(A,B)对A和B的偏导数得到。

$\frac{\∂S}{\∂A}=-2\mathrm{\Σ}\left(x_i\right[y_i-({\mathrm{Ax}}_i+B)\left]\right)$

$\frac{\∂S}{\∂B}=-2\mathrm{\Σ}[y_i-({\mathrm{Ax}}_i+B)],(i=m,m+1...n)$

使上式中的偏导数为0，得到校正系数A和B的值，假设A＝a₀，B＝b₀。由获得的A和B的值可以得到温度区间[x_m，x_n]上的拟合函数为y＝a₀x+b₀，值域为[y_m，y_n]。通过拟合函数，可以得到红外传感器测量温度所在温度区间[y_m，y_n]上的校正函数为定义域为[y_m，y_n]。

由校正系数A和B即A＝a₀，B＝b₀，及单片机读取传感器信号后处理获得的初始温度值y，获得接近真实温度x的校正值x'。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例选择生锈钢块作为待测物，先将本发明红外温度测试仪和钢块置于ESPECPSL-2J高低温度实验设备中进行温度测试。当温度设备的温度在设定温度(真实温度)恒定时，保温10min，确保红外测温仪和待测钢块内部与其周围环境没有温度梯度。然后快速启动红外测温仪，测试温度实验设备中的钢块，选择钢块同一平面上5个不同部位进行测量，并计算平均值和离差，取测量的平均值作为校准的依据，然后利用最小二乘法进行拟合。

为便于将测试结果与实施例红外线测温仪技术标准进行对比，在实施例中引入产品质量管理的3σ控制图。由实施例红外线测温仪测量温度范围(–40℃～+70℃)和精度要求(±1℃)，并根据产品质量管理的3σ规则，对测试温度进行归一化(测试值与真实值之比)，可得这种红外测温仪的温度技术指标控制图，如图3所示。

图3是实施例用红外测温仪温度技术指标控制图和不同温度下校正结果，其中的温度技术指标控制图由+3σ控制上线、控制中线(测量平均值等于真实值)以及-3σ控制下线构成。根据3σ产品质量控制规则，当测试结果介于+3σ和-3σ控制线之间时，红外测温仪能满足温度技术指标要求；当某些测试结果位于+3σ和-3σ控制线之外时，表明红外测温仪不能完全满足温度技术指标要求。0℃测试结果不能在图3中体现，在测试中将特别指出其测试误差。

在–40℃～+70℃温度范围内，以10℃为温度变化幅度，测量ESPEC PSL-2J实验设备中钢块不同部位的温度，并对其进行归一化处理，得到每种温度下测试结果的平均值及相应的离差，如图3中的离散点所示。图3表明在25℃附近红外测温仪的测试结果较接近真实值，离差小；而负温和50℃以上高温测试平均值的离差大，说明偏离真实值较大。但采用最小二乘法校正后，均能使–40℃～0℃和0℃～+70℃温度范围内的测试结果在温度技术指标控制线之间，表明能满足±1℃的精度要求。0℃测试误差为±0.3℃，也满足±1℃的精度要求。以上实验表明，通过最小二乘法对实验结果进行校正后，使所研制的用红外温度测温仪能满足技术指标要求。这样通过最小二乘法对实验结果进行校准，在–40℃～+70℃工作环境中减小不同温度段的测量误差，使测量精度在每一温度段进一步提高，从而使本发明的红外线测温仪在负温和高温环境下的测量结果能满足±1℃的精度要求。

总之，本发明采用最小二乘法对温度测量结果进行校正，能使工作在–40℃～+70℃环境下的用红外温度测温仪精确测量表面温度，测量误差满足±1℃的精度要求，能实现对物体进行快速、准确、非接触式数据采集，且操作方便。

Claims (2)

1.一种宽温度范围红外线测温仪的精度校准方法，具有如下步骤：

(1)基于测量结果，根据最小二乘法确定函数模型以及各个温度范围的校正系数；

测试时，对目标物体的同一平面选取n个不同位置进行测量，取n次测量的平均值作为校准的依据，然后利用最小二乘法进行拟合；根据测量平均值的特点，可将测试平均值与真实温度X表示为如下矩阵的形式。

假设在温度区间[x_m，x_n]上的拟合函数为则通过测试值和真实温度x求出校正系数A和B。

对于由矩阵运算法则可得：

……….

由最小二乘法原理可知，通过最小化测试数据点和拟合曲线的误差的平方和，来寻找最佳拟合函数，即寻找函数

的最小值，最小值可通过求S(A,B)对A和B的偏导数得到。

使上式中的偏导数为0，得到校正系数A和B的值，假设A＝a₀，B＝b₀。由获得的A和B的值可以得到温度区间[x_m，x_n]上的拟合函数为y＝a₀x+b₀，值域为[y_m，y_n]。通过拟合 函数，可以得到红外传感器测量温度所在温度区间[y_m，y_n]上的校正函数为定义域为[y_m，y_n]。

利用此方法可分别获得其它温度区间内的校正函数，对y值进行校正，降低测量结果的误差；温度区间不同，校正系数亦不相同；

上述的x为物体真实温度；y为单片机读取传感器信号后处理获得的初始温度值；x'为校准后的温度；y'为LCD显示的校准后的温度值，y'＝x'；

(2)由校正系数A和B即A＝a₀，B＝b₀，及单片机读取传感器信号后处理获得的初始温度值y，获得接近真实温度x的校正值x'。

2.根据权利要求1所述的一种宽温度范围红外线测温仪的精度校准方法，其特征在于，该红外线测温仪包括摄氏温度和华氏温度转换、激光定位控制、LCD背光控制和发射率调节的功能。