CN104634458A - 一种测温标定系统及测温方法 - Google Patents

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周成
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Abstract

本发明涉及一种测温标定系统及测温方法，包括黑体单元、热成像单元、步入式高低温箱和控制单元；控制单元，用于在每个预定时间段内控制黑体单元按照预定辐射温度产生热辐射；在不同时间段按照预设温度值调整步入式高低温箱的温度；控制热成像单元旋转直至热成像单元的成像中心对准黑体单元的发热中心；控制单元根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合；在测量温度时，将热成像单元输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果；热成像单元，用于测量黑体单元的温度，并将测得的温度发送给控制单元。本发明标定了多个不同的环境温度的红外热像仪响应曲线，用以补偿实际应用时温度漂移对测温准确性的影响。

Description

一种测温标定系统及测温方法
技术领域
本发明涉及一种测温标定系统及测温方法。
背景技术
在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75μm～100μm的红外线。他最大的特点是在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，并设定他的反射系数为1，其他的物质反射系数小于1，称为灰体，由于黑体的光谱辐射功率P(λT)与绝对温度T之间满足普朗克定律。说明在绝对温度T下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为P(λT)。(1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。
(2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动(向左)，并且满足维恩位移定理，峰值处的波长与绝对温度T成反比，虚线为峰值处连线。这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。
(3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高(灵敏度高)，抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。
在理想模型下，目标温度T与探测器的输出D为某一函数关系T＝f(D)，根据探测器的输出值D带入上述函数关系即可得到目标的温度T。
实际测温过程中，红外热像仪的输出数据D并不是简单的只与目标温度 T有关，它还受到红外热像仪周围环境温度Tf的影响，因此由函数T＝f(D)并不能准确获取目标温度。原本对30度的目标红外热像仪的响应输出为D2，但由于温漂的影响红外热像仪的响应输出为D1，此时再带入函数T＝f(D)中则势必造成测量温度小于30度。
此外带壳的测温热像仪是一个相对独立的热平衡系统，在该系统中热量是均衡的(导热良好)，在某一环境温度下，热像仪开机，体内的热量会从不平衡达到相对的平衡，且该平衡过程是可重复且可记录的。
因此，温度漂移是造成测温误差的根源。
所以，红外测温仪在标定时需要考虑温度漂移对温度响应曲线影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够自适应环境温度变化、工作精度不受环境影响的测温标定系统及测温方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种测温标定系统，包括黑体单元、热成像单元、步入式高低温箱和控制单元；
所述黑体单元和热成像单元设置于步入式高低温箱内部，控制单元设置于步入式高低温箱外部；
所述控制单元，用于在每个预定时间段内控制黑体单元按照预定辐射温度产生热辐射；在不同时间段按照预设温度值调整步入式高低温箱的温度；控制热成像单元旋转直至热成像单元的成像中心对准黑体单元的发热中心；控制单元根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合， 得到拟合公式；在测量温度时，将热成像单元输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果；
所述热成像单元，用于测量黑体单元的温度，并将测得的温度发送给控制单元。
本发明的有益效果是：使用本发明设计的红外热像仪标定方法标定了多个不同的环境温度的红外热像仪响应曲线，用以补偿实际应用时温度漂移对测温准确性的影响，满足了实际测温精准度高的需求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述黑体单元包括多个温度等间隔设置的黑体辐射源，多个所述黑体辐射源等间距依次排开的设置于步入式高低温箱内部，所述控制单元控制热成像单元旋转直至热成像单元的中心对准黑体单元中每个黑体辐射源的成像中心,热成像单元依次测量每个黑体辐射源的温度。
进一步，所述黑体辐射源为7个，每个黑体辐射源的预定辐射温度在10℃至130℃范围内等间距设置。
进一步，所述热成像单元包括红外热像仪和云台，所述控制单元控制云台进行上下转动和/或左右转动，进而带动红外热像仪旋转。
进一步，所述步入式高低温箱的预设温度值变化范围为-20℃至40℃。
进一步，一种采用测温标定系统进行测温的方法，包括以下步骤：
步骤1：将黑体单元和热成像单元设置于步入式高低温箱内部，将控制单元设置于步入式高低温箱外部；
步骤2：在每个时间段内控制单元控制黑体单元按照预定辐射温度产生热辐射；
步骤3：在不同时间段，控制单元按照预设温度值调整步入式高低温箱的温度；
步骤4：所述控制单元控制热成像单元旋转直至热成像单元的成像中心 对准黑体单元的发热中心,热成像单元测量黑体单元的温度，并将测得的温度发送给控制单元；
步骤5：控制单元根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合，得到拟合公式；
步骤6：在测量温度时，将热成像单元输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果。
进一步，所述步骤5中的拟合公式为：
F(x)＝a0+a1*x+a2*x2+a3*x3+a4*x4+a5*x5+a6*x6
其中，x为测得的温度值，f(x)为最终测温结果，a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值确定的测温系数。
进一步，所述黑体单元包括多个温度等间隔设置的黑体辐射源，多个所述黑体辐射源等间距依次排开的设置于步入式高低温箱内部，所述控制单元控制热成像单元旋转直至热成像单元的中心对准黑体单元中每个黑体辐射源的成像中心,热成像单元依次测量每个黑体辐射源的温度。
进一步，所述黑体辐射源为7个，每个黑体辐射源的预定辐射温度在10℃至130℃范围内等间距设置，所述步入式高低温箱3的预设温度值变化范围为-20℃至40℃。
进一步，所述热成像单元包括红外热像仪和云台，所述控制单元控制云台进行上下转动和/或左右转动，进而带动红外热像仪旋转。
附图说明
图1为本发明系统电路结构框图；
图2为本发明步入式高低温箱内部结构图；
图3为本发明方法结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、设置模块，2、发热模块，3、调温模块，4、测温模块，5、拟合模块，6、运算模块，7、黑体单元，8、热成像单元，9、步入式高低温箱，10、控制单元。 
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明系统结构框图；图2为本发明结构图；图3为本发明方法结构图。
实施例1
一种测温标定系统，包括黑体单元1、热成像单元2、步入式高低温箱3和控制单元4；
所述黑体单元1和热成像单元2设置于步入式高低温箱3内部，控制单元4设置于步入式高低温箱3外部；
所述控制单元4，用于在每个预定时间段内控制黑体单元1按照预定辐射温度产生热辐射；在不同时间段按照预设温度值调整步入式高低温箱3的温度；控制热成像单元2旋转直至热成像单元2的成像中心对准黑体单元1的发热中心；控制单元4根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合，得到拟合公式；在测量温度时，将热成像单元2输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果。
所述热成像单元2，用于测量黑体单元2的温度，并将测得的温度发送给控制单元4。
所述黑体单元1包括多个温度等间隔设置的黑体辐射源，多个所述黑体辐射源等间距依次排开的设置于步入式高低温箱3内部，所述控制单元4控 制热成像单元2旋转直至热成像单元2的中心对准黑体单元1中每个黑体辐射源的成像中心,热成像单元2依次测量每个黑体辐射源的温度。
所述黑体辐射源为7个，每个黑体辐射源的预定辐射温度在10℃至130℃范围内等间距设置。
所述热成像单元2包括红外热像仪2-1和云台2-2，所述控制单元4控制云台2-2进行上下转动和/或左右转动，进而带动红外热像仪2-1旋转。
所述步入式高低温箱3的预设温度值变化范围为-20℃至40℃。
一种采用测温标定系统进行测温的方法，包括以下步骤：
步骤1：将黑体单元1和热成像单元2设置于步入式高低温箱3内部，将控制单元4设置于步入式高低温箱3外部；
步骤2：在每个时间段内控制单元4控制黑体单元1按照预定辐射温度产生热辐射；
步骤3：在不同时间段，控制单元4按照预设温度值调整步入式高低温箱3的温度；
步骤4：所述控制单元4控制热成像单元2旋转直至热成像单元2的成像中心对准黑体单元1的发热中心,热成像单元2测量黑体单元2的温度，并将测得的温度发送给控制单元4；
步骤5：控制单元4根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合，得到拟合公式；
步骤6：在测量温度时，将热成像单元2输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果。
所述步骤5中的拟合公式为：
F(x)＝a0+a1*x+a2*x2+a3*x3+a4*x4+a5*x5+a6*x6
其中，x为测得的温度值，f(x)为最终测温结果，a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值确定的测温系数。
所述黑体单元1包括多个温度等间隔设置的黑体辐射源，多个所述黑体辐射源等间距依次排开的设置于步入式高低温箱3内部，所述控制单元4控制热成像单元2旋转直至热成像单元2的中心对准黑体单元1中每个黑体辐射源的成像中心,热成像单元2依次测量每个黑体辐射源的温度。
所述黑体辐射源为7个，每个黑体辐射源的预定辐射温度在10℃至130℃范围内等间距设置，所述步入式高低温箱3的预设温度值变化范围为-20℃至40℃。
所述热成像单元2包括红外热像仪2-1和云台2-2，所述控制单元4控制云台2-2进行上下转动和/或左右转动，进而带动红外热像仪2-1旋转。
步入式高低温箱容积比较大，人能够进入其内部操作设备，其作用是产生恒定的温度，为黑体单元和转动机构以及红外热像仪提供一个预设环境温度，其精度为1％。
黑体辐射源，其作用是产生一个发射率为1的预定温度,其温度精度为0.1％以内。
同一个步入式高低温箱在不同时间段分别预设不同的温度。每个温度到温后保温1小时，然后开机采集不同黑体的红外热辐射数据。采完数据之后再更改高低温的预定温度值。
7个黑体分别设定为10℃、30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃，黑体的精度为0.1％。
每一个环境温度可以采集到如下数据。
由于任何曲线都可以由多项式表达，使用如下多项式近似表示采集数据与温度的响应曲线。
F(x)＝a0+a1*x+a2*x2+a3*x3+a4*x4+a5*x5+a6*x6
其中：x是采集的数据值，f(x)是温度值，a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6是多项式系数。
用上面采集得到的数据拟合成6阶多项式，得到多项式系数。
每一个环境温度得到的一组数据可以拟合出一组多项式系数，所以可以得到7组环境温度数据的7组多项式系数。
由采集测试经验可知，在小的环境温度变化下(10℃)，所拟合的温度响应曲线近似平移。因此可以先得到环境温度，然后找最接近环境温度的温度曲线计算最后的测温值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测温标定系统，其特征在于：包括黑体单元(1)、热成像单元(2)、步入式高低温箱(3)和控制单元(4)；
所述黑体单元(1)和热成像单元(2)设置于步入式高低温箱(3)内部，控制单元(4)设置于步入式高低温箱(3)外部；
所述控制单元(4)，用于在每个预定时间段内控制黑体单元(1)按照预定辐射温度产生热辐射；在不同时间段按照预设温度值调整步入式高低温箱(3)的温度；控制热成像单元(2)旋转直至热成像单元(2)的成像中心对准黑体单元(1)的发热中心；控制单元(4)根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合，得到拟合公式；在测量温度时，将热成像单元(2)输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果；
所述热成像单元(2)，用于测量黑体单元(2)的温度，并将测得的温度发送给控制单元(4)。
2.根据权利要求1所述的测温标定系统，其特征在于：所述黑体单元(1)包括多个温度等间隔设置的黑体辐射源，多个所述黑体辐射源等间距依次排开的设置于步入式高低温箱(3)内部，所述控制单元(4)控制热成像单元(2)旋转直至热成像单元(2)的中心对准黑体单元(1)中每个黑体辐射源的成像中心,热成像单元(2)依次测量每个黑体辐射源的温度。
3.根据权利要求2所述的测温标定系统，其特征在于：所述黑体辐射源为7个，每个黑体辐射源的预定辐射温度在10℃至130℃范围内等间距设置。
4.根据权利要求1所述的测温标定系统，其特征在于：所述热成像单元(2)包括红外热像仪(2-1)和云台(2-2)，所述控制单元(4)控制云台(2-2)进行上下转动和/或左右转动，进而带动红外热像仪(2-1)旋转。
5.根据权利要求1所述的测温标定系统，其特征在于：所述步入式高低温箱(3)的预设温度值变化范围为-20℃至40℃。
6.一种采用测温标定系统进行测温的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将黑体单元(1)和热成像单元(2)设置于步入式高低温箱(3)内部，将控制单元(4)设置于步入式高低温箱(3)外部；
步骤2：在每个时间段内控制单元(4)控制黑体单元(1)按照预定辐射温度产生热辐射；
步骤3：在不同时间段，控制单元(4)按照预设温度值调整步入式高低温箱(3)的温度；
步骤4：所述控制单元(4)控制热成像单元(2)旋转直至热成像单元(2)的成像中心对准黑体单元(1)的发热中心,热成像单元(2)测量黑体单元(2)的温度，并将测得的温度发送给控制单元(4)；
步骤5：控制单元(4)根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值进行数据拟合，得到拟合公式；
步骤6：在测量温度时，将热成像单元(2)输入的温度值利用拟合公式进行运算，得到最终测温结果。
7.根据权利要求6所述的采用测温标定系统进行测温的方法，其特征在于，所述步骤5中的拟合公式为：
F(x)＝a0+a1*x+a2*x2+a3*x3+a4*x4+a5*x5+a6*x6
其中，x为测得的温度值，f(x)为最终测温结果，a0,a1,a2,a3,a4,a5,a6根据不同高低温下测得的所有黑体辐射源的温度值确定的测温系数。
8.根据权利要求6所述的测温标定系统，其特征在于：所述黑体单元(1)包括多个温度等间隔设置的黑体辐射源，多个所述黑体辐射源等间距依次排开的设置于步入式高低温箱(3)内部，所述控制单元(4)控制热成像单元(2)旋转直至热成像单元(2)的中心对准黑体单元(1)中每个黑体辐射源的成像中心,热成像单元(2)依次测量每个黑体辐射源的温度。
9.根据权利要求8所述的测温标定系统，其特征在于：所述黑体辐射源为7个，每个黑体辐射源的预定辐射温度在10℃至130℃范围内等间距设置，所述步入式高低温箱(3)的预设温度值变化范围为-20℃至40℃。
10.根据权利要求6所述的测温标定系统，其特征在于：所述热成像单元(2)包括红外热像仪(2-1)和云台(2-2)，所述控制单元(4)控制云台(2-2)进行上下转动和/或左右转动，进而带动红外热像仪(2-1)旋转。
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