CN107687899A - 一种红外测温方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外测温方法及系统。所述红外测温系统包括第一黑体、第二黑体、…第N黑体，辐射量获取装置以及计算中枢，其中，N为大于等于2的任意整数；所述辐射量获取装置的输出端连接所述计算中枢的输入端；所述第i黑体用于将自身温度设置为T_i，且T₁～T_N依次增大，i为1～N的整数；所述辐射量获取装置用于获得第i黑体的辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M，所述计算中枢用于根据第i黑体的温度T_i、辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M，获得待测目标的温度T_M。本发明通过多个黑体校正了由于物体表面红外能量分布与温度非线性变化引起的误差，由此提高了红外测温的精度。

Description

一种红外测温方法及系统

技术领域

本发明属于温度测量领域，更具体地，涉及一种红外测温方法及系统。

背景技术

黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。

红外测温仪的原理是通过采集、量化被测目标在其波段范围内的红外辐射能量，获得被测目标的温度。然而，由于物体表面红外能量分布与温度并非线性变化，现有技术的红外测温仪的红外辐射能量和温度的关系实际为曲线而并非直线，如图1所示，其中横坐标为辐射量，纵坐标为温度，在被测对象与黑体温度范围小于10℃度的时候精确度仅为0.5℃，而当测量的温度范围超过30℃时，误差甚至会高达0.5℃～1℃。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种红外测温方法及系统，其目的在于通过多个黑体校正由于物体表面红外能量分布与温度非线性变化引起的误差，由此提高温度的测量精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种红外测温方法，包括以下步骤：

(1)选取N个黑体，所述N个黑体的温度依次为T₁、T₂、……T_N，且T_iˉ1＜T_i；其中，N为大于等于2的任意整数，i为2～N的整数；

(2)分别获得温度为T₁、T₂、……T_N的黑体的辐射量依次为D₁、D₂、……D_N，以及待测目标的辐射量为D_M；

(3)若D_M＜D₂，获得待测目标的温度T_M＝T₁+(T₂－T₁)/(D₂－D₁)×(D_M–D₁)，若D_M≥D_Nˉ1，获得待测目标的温度T_M＝T_N+(T_N－T_Nˉ1)/(D_N－D_Nˉ1)×(D_M–D_N)，否则将D₁、D₂、……D_N以及D_M从小到大进行排序，获得辐射量序列D₁、…D_jˉ1、D_M、D_j、…D_N，获得待测目标的温度T_M＝T_j+(T_j－T_jˉ1)/(D_j－D_jˉ1)×(D_M–D_j)。

优选地，N＝2，且T₁为33℃～35℃，T₂为38℃～40℃。

作为进一步优选地，在所述步骤(3)之后还包括步骤(4)：对待测目标的温度进行修正：获得待测目标的温度的修正值T_M’＝T_M+T₀，T₀为修正系数。

作为更进一步优选地，T₀为－5℃～5℃。

按照本发明的另一方面，提供了一种红外测温系统，包括第一黑体、第二黑体、…第N黑体，辐射量获取装置以及计算中枢，其中，N为大于等于2的任意整数；

所述辐射量获取装置的输出端连接所述计算中枢的输入端；

所述第i黑体用于将自身温度设置为T_i，且T₁～T_N依次增大，i为1～N的整数；所述辐射量获取装置用于获得第i黑体的辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M，所述计算中枢用于根据第i黑体的温度T_i、辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M，获得待测目标的温度T_M。

优选地，所述第i黑体上设置有第i信号发送装置，所述第i信号发送装置用于将第i黑体的自身温度T_i发送至外部。

作为进一步优选地，所述计算中枢上设置有信号接收装置，用于接收第i黑体的自身温度T_i。

作为进一步优选地，所述第i信号发送装置为无线发送装置。

优选地，所述计算中枢包括参数选取模块以及测温模块，所述参数选取模块的输出端连接测温模块的输入端；所述参数选取模块用于根据第i黑体的辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M选取计算参数，所述测温模块用于根据计算参数获得待测目标的温度。

作为进一步优选地，所述计算中枢还包括判定模块，所述判定模块的输出端连接参数选取模块的输入端，所述判定模块用于根据第i黑体的辐射量D_i以及自身温度T_i，判定所述第i黑体是否处于有效状态，并在第i黑体处于有效状态时，将第i黑体的辐射量D_i以及自身温度T_i输出。

作为进一步优选地，所述计算中枢还包括修正模块，所述测温模块的输出端连接修正模块的输入端，所述修正模块用于将待测目标的温度T_M进行修正。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过利用多个处于不同目标温度的黑体进行测量，能够取得下列有益效果：

1、通过多个黑体，修正了一个黑体由于物体表面红外能量分布与温度非线性变化的原因引起的计算结果非线性，从而将精确度提高了25％～50％；

2、克服了现有技术中黑体红外测温系统的测量温度范围偏小的缺点，扩大了红外温度测量的应用范围；

3、多个黑体还能克服在单黑体测量中由于黑体损坏或漂移引起的测量误差，容错性得到了增加。

附图说明

图1是单个黑体测温的曲线示意图；

图2为黑体组放置位置及被测对象放置区间；

图3为多黑体测温步骤示意图；

图4为多黑体分段测温的模拟温度曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种红外测温系统，包括N个黑体分别为第一黑体、第二黑体、…第N黑体，还包括辐射量获取装置以及计算中枢等，其中，N为大于等于2的任意整数；

首先，将N个黑体设置于待测量温度段(T₁～T_N)内的不同目标温度，其分别为T₁～T_N，且T₁～T_N依次增大，由于黑体内部包含加热装置、制冷装置和温度传感器(设置的方法通常采用在待测量温度段内平均分配的形式)。设定好黑体温度后，黑体会反复加热，并通过温度传感器反馈加热、制冷，最终将黑体的温度微调并控制在目标温度±0.01℃的范围内；

然后，将待测目标设置于黑体组所有黑体的测量范围内，通常为黑体的测量平面的前后1m左右的范围内，且不能遮挡辐射量获取装置，如图2所示为4个黑体构成的红外测温系统(阴影处示意黑体可能摆放的位置，实线及虚线处示意测量范围)，然后通过辐射量获取装置，分别获得待测目标的辐射量D_M和所述N个黑体的辐射量D₁～D_N；

计算装置首先判断黑体以及待测目标的辐射量之间的关系，若D_M＜D₂，获得待测目标的温度T_M＝T₁+(T₂－T₁)/(D₂－D₁)×(D_M–D₁)，若D_M≥D_Nˉ1，获得待测目标的温度T_M＝T_N+(T_N－T_Nˉ1)/(D_N－D_Nˉ1)×(D_M–D_N)，否则将D₁、D₂、……D_N以及D_M从小到大进行排序，获得辐射量序列D₁、…D_jˉ1、D_M、D_j、…D_N，获得待测目标的温度T_M＝T_j+(T_j－T_jˉ1)/(D_j－D_jˉ1)×(D_M–D_j)；其中，D_jˉ1和D_j分别为小于等于D_M以及大于D_M的黑体的辐射量中最接近D_M的黑体的辐射量。

以测量人体体温为例，由于人体体温的范围较小，可仅设置两个黑体，其温度分别为T₁＝33℃～35℃以及T₂＝38℃～40℃，则人体体表温度为(D_M–D₁)×(T₂–T₁)/(D₂–D₁)。而由于人体体表温度通常跟体内温度有所差异。最后，还可以对待测目标的温度进行修正，获得待测目标的温度的修正值T_M’＝T_M+T₀，T₀为修正系数；根据气温和测量部位的区别T₀可以设置为－5℃～5℃。

辐射量获取装置与计算中枢相连，N个黑体也可与计算中枢相连，并每隔5s～10s的时间间隔向计算中枢传递黑体实时温度T₁～T_N，当计算中枢在设定的时间间隔内，未能收到某一黑体的实时温度时，计算装置判断该实时温度对应的黑体的运行状态出现异常，计算装置也可以通过黑体的目标温度和辐射量是否对应判断黑体的运行状态是否出现异常(例如，T_i和D_i的值不对应)，从而将该黑体剔除出计算范围之外。

可以在所有黑体以及计算中枢上可以设置无线发送装置如蓝牙装置或wifi，以无线的形式进行实时温度数据的传输，以免接线影响数据的准确性，同时可以支持更远距离的传输。

以包括N个黑体、辐射量获取装置以及计算中枢的红外测温系统为例，说明该红外测温系统的工作过程，所述N个黑体分别为第一黑体、第二黑体、…第N黑体，其对应的温度分别为，T₁、T₂、……T_N，且T_iˉ1＜T_i；其中，N为大于等于2的任意整数，i为2～N的整数；所述计算中枢包括判定模块、参数选取模块、测温模块以及修正模块；工作的完整过程如下：

(1)辐射量获取装置获取第一黑体、第二黑体、…第N黑体的辐射量依次为D₁、D₂、……D_N，以及待测目标的辐射量为D_M，并输出；

(2)判定模块获取N个黑体的温度，并根据黑体的温度和辐射量，判定黑体是否处于有效状态，并选取处于有效状态的黑体的温度以及辐射量作为计算参数；若处于有效状态的黑体的数量为0，则计算中枢停止计算，报警出错，工作结束；若处于有效状态的黑体的数量为1，进入步骤(3)，否则令N为处于有效状态的黑体的数量，进入步骤(4)；

(3)令处于有效的黑体的温度为T_ξ，辐射量为D_ξ，则T_M＝D_M×T_ξ/D_ξ，进入步骤(5)；

(4)如图3所示，若D_M＜D₂，获得待测目标的温度T_M＝T₁+(T₂－T₁)/(D₂－D₁)×(D_M–D₁)，若D_M≥D_Nˉ1，获得待测目标的温度T_M＝T_N+(T_N－T_Nˉ1)/(D_N－D_Nˉ1)×(D_M–D_N)，否则将D₁、D₂、……D_N以及D_M从小到大进行排序，获得辐射量序列D₁、…D_jˉ1、D_M、D_j、…D_N，获得待测目标的温度T_M＝T_j+(T_j－T_jˉ1)/(D_j－D_jˉ1)×(D_M–D_j)，进入步骤(5)；

(5)对待测目标的温度进行修正，获得待测目标的温度的修正值T_M’＝T_M+T₀，T₀为修正系数，测量结束。

该红外测温系统通过多个黑体，修正了一个黑体由于物体表面红外能量分布与温度非线性变化的原因引起的非线性，使得测量结果更为趋近线性，如图4所示为采用四个黑体进行测量的模拟曲线，其中横坐标为辐射量，纵坐标为温度，与图1相比，线性度明显增强，该红外测温方法及系统能将测温的精确度提高25％～50％。

实施例1

实施例1的红外测温装置用于测量人体体温，因此其温度范围为30℃～40℃，通过两个黑体即可进行该温度段的测量，可以把一个黑体设置为35℃，一个设置为40℃，以Y16作为辐射量的标准(其具体定义为：对辐射量D_M经过光热、热电转换后，量化为数字，存储于16bit的整型数组中)，最终计算公式为人体体表温度＝35℃+(D_M－D₁)×5℃/D₂－D₁)。

两个黑体为申请人自研，型号HT-2013-01。一个设置为35℃，另一个设置为40℃，用IR236型人体红外测温仪作为辐射量获取装置，以获得黑体和待测目标的辐射量，以30℃、31℃、……、40℃的Fluke黑体模拟待测目标，获取各温度点对应的Y16值，经计算获得各温度分别为29.9℃、31℃、32℃、33.1℃、34℃、35℃、36.1℃、37.0℃、38.1℃、39.2℃、40.1℃，与实际温度相比最大误差为0.2℃；同时，北京检验检疫局经过700余人次测试，最后测温误差≤±0.3℃的概率大于96％。

实施例2

而在动物园内，为了对动物的健康进行监控，由于动物的体温在35℃～43℃之间不等，两个黑体则不能满足需求，通常采用四个黑体，其温度设置为30℃，35℃，40℃和45℃，对应的辐射量分别为D₃₀，D₃₅，D₄₀和D₄₅，获得的动物的辐射量为D_M，最终动物体温T_M的计算公式为：

D_M≥D₃₀且D_M＜D₃₅时，T_M＝30+5/(D₃₅–D₃₀)×(D_M–D₃₀)；

D_M≥D₃₅且D_M＜D₄₀时，T_M＝35+5/(D₄₀–D₃₅)×(D_M–D₃₅)；

D_M≥D₄₀且D_M＜D₄₅时，T_M＝40+5(D₄₅–D₄₀)×(D_M–D₄₀)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种红外测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取N个黑体，所述N个黑体的温度依次为T₁、T₂、……T_N，且T_iˉ1＜T_i；其中，N为大于等于2的任意整数，i为2～N的整数；

(2)分别获得温度为T₁、T₂、……T_N的黑体的辐射量依次为D₁、D₂、……D_N，以及待测目标的辐射量为D_M；

(3)若D_M＜D₂，获得待测目标的温度T_M＝T₁+(T₂－T₁)/(D₂－D₁)×(D_M–D₁)，若D_M≥D_Nˉ1，获得待测目标的温度T_M＝T_N+(T_N－T_Nˉ1)/(D_N－D_Nˉ1)×(D_M–D_N)，否则将D₁、D₂、……D_N以及D_M从小到大进行排序，获得辐射量序列D₁、…D_jˉ1、D_M、D_j、…D_N，获得待测目标的温度T_M＝T_j+(T_j－T_jˉ1)/(D_j－D_jˉ1)×(D_M–D_j)。

2.如权利要求1所述的红外测温方法，其特征在于，N＝2，且T₁为33℃～35℃，T₂为38℃～40℃。

3.如权利要求1或2所述的红外测温方法，其特征在于，在所述步骤(3)之后还包括步骤(4)：对待测目标的温度进行修正，获得待测目标的温度的修正值T_M’＝T_M+T₀，T₀为修正系数。

4.一种红外测温系统，其特征在于，包括第一黑体、第二黑体、…第N黑体，辐射量获取装置以及计算中枢，其中，N为大于等于2的任意整数；

所述辐射量获取装置的输出端连接所述计算中枢的输入端；

所述第i黑体用于将自身温度设置为T_i，且T₁～T_N依次增大，i为1～N的整数；所述辐射量获取装置用于获得第i黑体的辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M，所述计算中枢用于根据第i黑体的温度T_i、辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M，获得待测目标的温度T_M。

5.如权利要求4所述的红外测温系统，其特征在于，所述第i黑体上设置有第i信号发送装置，所述第i信号发送装置用于将第i黑体的自身温度T_i发送至外部。

6.如权利要求5所述的红外测温系统，其特征在于，所述第i信号发送装置为无线发送装置。

7.如权利要求4所述的红外测温系统，其特征在于，所述计算中枢包括参数选取模块以及测温模块，所述参数选取模块的输出端连接测温模块的输入端；所述参数选取模块用于根据第i黑体的辐射量D_i以及待测目标的辐射量D_M选取计算参数，所述测温模块用于根据计算参数获得待测目标的温度。

8.如权利要求7所述的红外测温系统，其特征在于，所述计算中枢还包括修正模块，所述测温模块的输出端连接修正模块的输入端，所述修正模块用于将待测目标的温度T_M进行修正。

9.如权利要求7所述的红外测温系统，其特征在于，所述计算中枢还包括判定模块，所述判定模块的输出端连接参数选取模块的输入端，所述判定模块用于根据第i黑体的辐射量D_i以及自身温度T_i，判定所述第i黑体是否处于有效状态，并在第i黑体处于有效状态时，将第i黑体的辐射量D_i以及自身温度T_i输出。