CN111024237A - 非接触式宽温差红外温度测量方法 - Google Patents

非接触式宽温差红外温度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于温度测量技术领域,具体涉及一种非接触式宽温差红外温度测量方法,包括:设置测量系统,在温箱中设置黑体、探测器、成像仪和光学窗口;根据测温范围对探测器进行配置;在不同的环境温度下改变黑体温度,寻找出同一黑体温度下成像仪灰度输出与焦平面温度的关系,获得灰度‑焦平面温度拟合曲线;实际测温时,根据当前焦平面温度,带入灰度‑焦平面温度拟合曲线,得到不同黑体温度对应的待拟合灰度输出;根据多个待拟合灰度输出与定标黑体温度,实时拟合出灰度‑温度曲线,将当前像素灰度带入该曲线,即可得到最终的测温温度输出。该方法测温速度快,灵敏性高,红外测温仪对温度的响应速度非常快,可以进行实时、快速的跟踪测量。

Description

非接触式宽温差红外温度测量方法
技术领域
本发明属于温度测量技术领域,具体涉及一种非接触式宽温差红外温度测量方法。
背景技术
近年来,关于非接触式温度测量的产品在市场上深受大家的青睐,但市场上的非接触测温产品容易受以下方面的影响而造成测量精度不准:(1)灵敏性:探测器响应时间长、反应慢,无法实时测量温度;(2)目标大小:目标过小容易导致测温产品无法检测到目标而导致测温失败;(3)测温范围:测温范围窄,无法实现测量宽温差的温度范围;(4)环境条件:无法适应宽范围的环境温度范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:然后提供一种非接触式的红外温度测量方法,要求其测温范围较宽,可以快速测温的同时又可以确保测温的精度,从而克服传统测温技术中难以解决的难题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供一种非接触式宽温差红外温度测量方法,所述方法包括如下步骤:
步骤1:设置测量系统,在温箱中设置黑体、探测器、成像仪和光学窗口;
步骤2:根据测温范围对探测器进行配置,确保成像仪在不同环境温度及不同的探测器配置下面对黑体不出现灰度饱和;
步骤3:在不同的环境温度下改变黑体温度,寻找出同一黑体温度下成像仪灰度输出与焦平面温度的关系,获得灰度-焦平面温度拟合曲线;
步骤4:实际测温时,根据当前焦平面温度,带入灰度-焦平面温度拟合曲线,得到不同黑体温度对应的待拟合灰度输出;
步骤5:根据多个待拟合灰度输出与定标黑体温度,实时拟合出灰度-温度曲线,将当前像素灰度带入该曲线,即可得到最终的测温温度输出。
其中,所述方法所应用的工作环境温度范围为0℃~40℃。
其中,所述方法所进行的测温范围为5℃~300℃。
其中,所述步骤2中对探测器进行的配置分为:常温段配置、次高温段配置、高温段配置。
其中,所述常温配置面对黑体的常温场景,通过调节探测器的参数,来保证成像仪具有更高的温度分辨率和更好的NETD指标。
其中,所述常温场景为5℃~80℃。
其中,所述次高温段配置面对黑体的次高温度场景,通过上位机GNV发送指令来缩短积分时间为2005,减小积分电容为1.5X。
其中,所述次高温度场景为80℃~200℃。
其中,所述高温段配置面对黑体的高温场景,通过上位机GNV发送指令来减小积分时间为1890,缩小积分电容为1.0X。
其中,所述高温场景为200℃~300℃。
(三)有益效果
与现有技术相比较,本发明具备如下有益效果:
(1)测温速度快,灵敏性高,红外测温仪对温度的响应速度非常快,可以进行实时、快速的跟踪测量;
(2)测温准确度高,由于红外测温方法避免了测温仪与物体之间的直接接触,不会影响物体温场的分布,这样就可以保证测温具有很高的准确度;
(3)测温范围宽,红外测温技术比传统的测温方式的测温范围宽,从理论上讲,非接触式红外测温没有上限;
(4)不受时间限制,可以昼夜工作,由于红外自身的特点,夜间照常工作成为红外测温仪的一大亮点;
(5)可以测量微小目标温度;
(6)环境温度适应范围宽,可以适应宽范围的环境温度并精准测温,也正是这些优势,此非接触式测温方法可以在钢铁、电力、森林防火、石油化工、航天航空等领域来应用。
附图说明
图1为温度标定示意图。
图2为本发明技术方案流程图。
图3为图像灰度输出与焦平面温度变化拟合曲线示意图。
图4为全场景测温误差曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题,本发明提供一种非接触式宽温差红外温度测量方法,所述方法包括如下步骤:
步骤1:设置测量系统,在温箱中设置黑体、探测器、成像仪和光学窗口;
步骤2:根据测温范围对探测器进行配置,确保成像仪在不同环境温度及不同的探测器配置下面对黑体不出现灰度饱和;
步骤3:在不同的环境温度下改变黑体温度,寻找出同一黑体温度下成像仪灰度输出与焦平面温度的关系,获得灰度-焦平面温度拟合曲线;
步骤4:实际测温时,根据当前焦平面温度,带入灰度-焦平面温度拟合曲线,得到不同黑体温度对应的待拟合灰度输出;
步骤5:根据多个待拟合灰度输出与定标黑体温度,实时拟合出灰度-温度曲线,将当前像素灰度带入该曲线,即可得到最终的测温温度输出。
其中,所述方法所应用的工作环境温度范围为0℃~40℃。
其中,所述方法所进行的测温范围为5℃~300℃。
其中,所述步骤2中对探测器进行的配置分为:常温段配置、次高温段配置、高温段配置。
其中,所述常温配置面对黑体的常温场景,通过调节探测器的参数,来保证成像仪具有更高的温度分辨率和更好的NETD指标。
其中,所述常温场景为5℃~80℃。
其中,所述次高温段配置面对黑体的次高温度场景,通过上位机GNV发送指令来缩短积分时间为2005,减小积分电容为1.5X。
其中,所述次高温度场景为80℃~200℃。
其中,所述高温段配置面对黑体的高温场景,通过上位机GNV发送指令来减小积分时间为1890,缩小积分电容为1.0X。
其中,所述高温场景为200℃~300℃。
实施例1
本实施例技术方案的工作环境温度范围为0℃~40℃,测温范围为5℃~300℃,要求测温精度在±2℃(<100℃)或±2%(>100℃),由于测温范围较宽,固定一个探测器配置(包括积分时间长度,积分电容,GSK设置)会导致成像仪面对较高的温度场景出现饱和,根据测温范围将探测器配置分为常温段配置(5℃~80℃)、次高温段配置(80℃~200℃)、高温段配置(200℃~300℃),由于成像仪工作中主要面对的场景是常温场景,因此在面对常温场景时,需要调节探测器的参数,来保证成像仪具有更高的温度分辨率和更好的NETD指标,在面对次高温度场景时,通过上位机GNV发送指令来缩短积分时间为2005,减小积分电容为1.5X,在面对高温场景时,通过上位机GNV发送指令来减小积分时间为1890,缩小积分电容为1.0X,见表一,这样可以保证成像仪面对高温目标不饱和,从而保证测温的准确性。
宽温差红外测温采用黑体和温箱定标的方式,将成像仪放置在温箱内,标定示意图见图1,设置多个不同的温箱温度,根据黑体温度范围将探测器配置划分为常温段配置、次高温段配置和高温段配置,确保成像仪在不同环境温度及不同的探测器配置下面对黑体不出现灰度饱和。
在不同的环境温度下改变黑体温度,寻找出同一黑体温度下成像仪灰度输出与焦平面温度的关系;实际测温时,根据当前焦平面温度,带入灰度-焦平面温度拟合曲线,得到不同黑体温度对应的待拟合灰度输出,根据多个待拟合灰度输出与定标黑体温度,实时拟合出灰度-温度曲线,将当前像素灰度带入该曲线,即可得到最终的测温温度输出。
具体而言,
宽温差测温将探测器配置划分为常温段配置、次高温段配置和高温段配置,对于实验中采用的相机,探测器配置如表1所示:
表1.不同温度段探测器配置
Figure BDA0002293336230000051
三个温度段的温度标定与测温方式相同,这里仅对常温段的测温方法进行描述。
后续的具体流程图见图2:
具体步骤如下:
步骤一:将黑体和成像仪放置在温箱内,将温箱温度从0℃开始,每隔5℃调节一次温度,直至40℃,共9个环境温度点,每个环境温度点对应的成像仪焦平面温度记为TFPA1、TFPA2、…、TFPA9,在不同的焦平面工作温度下,将黑体温度从5℃开始,每隔5℃调节温度,直至80℃,记录成像仪面对黑体的整帧图像均值输出。
步骤二:通过上述的标定过程,采用三次曲线拟合,可以得到当黑体温度分别为5℃、10℃、…、80℃时,图像灰度输出与焦平面温度变化曲线,共计16条拟合曲线,如图3所示;
步骤三:常温标定从5℃开始,每隔5℃进行一次黑体升温,总共得到16组标定曲线,如式(1)所示:
GreyOut1=A1+B1×FPA_AD+C1×FPA_AD2+D1×FPA_AD3
GreyOut2=A2+B2×FPA_AD+C2×FPA_AD2+D2×FPA_AD3
GreyOutk=Ak+Bk×FPA_AD+Ck×FPA_AD2+Dk×FPA_AD3
GreyOut16=A16+B16×FPA_AD+C16×FPA_AD2+D16×FPA_AD3
(1)
当温度段选择为常温测温段时,将当前的FPA_AD带入上面16组公式,得到当前焦平面温度下黑体温度分别为5℃、10℃、…、75℃、80℃时,图像灰度的参考值GreyOut1、GreyOut2、…、GreyOut16,则根据焦平面温度实时得到的参考温度输出和灰度输出对照表如表2所示:
表2.实时温度参考与灰度输出对照表
Figure BDA0002293336230000061
Figure BDA0002293336230000071
步骤四:利用最小二乘法拟合对表2的数据进行四阶拟合,得到最终的温度输出与当前像素灰度值曲线如式(2)所示:
Figure BDA0002293336230000072
式(2)中,TempFinal为最终得到的像素温度输出,CP为待测像元灰度值或某一区域的灰度均值,经过式(2)得到的温度输出即为最终的温度输出。次高温段和高温段的测温方式与常温段相同,不再赘述。
步骤五:根据以上描述的方法对红外成像仪进行全工作环境温度(0℃~40℃),全温度场景温度测量实验,所得结果如表3(a)-表3(e)所示:
表3(a).环境温度2.5℃测温输出误差
Figure BDA0002293336230000081
Figure BDA0002293336230000091
表3(b).环境温度12.5℃测温输出误差
Figure BDA0002293336230000092
Figure BDA0002293336230000101
表3(c).环境温度22.5℃测温输出误差
Figure BDA0002293336230000102
Figure BDA0002293336230000111
表3(d).环境温度32.5℃测温输出误差
Figure BDA0002293336230000112
Figure BDA0002293336230000121
Figure BDA0002293336230000131
表3(e).环境温度37.5℃测温输出误差
Figure BDA0002293336230000132
Figure BDA0002293336230000141
将表3(a)-表3(e)测温误差做成曲线,如图4所示,从图4可以看出,测温输出在全工作环境温度,全场景范围内测量精度满足均满足±2℃的精度要求。证明该种测温方式具有较高的精确度。
综上,本发明的非接触式红外测温方法较传统的测温方法相比,可以解决传统的测温方法无法解决的问题,环境温度适应范围宽、响应快、测温范围广等优点成为此测温方法的最大亮点,通过算法来拟合测温曲线并通过GNV测试软件来实现实时测温功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤1:设置测量系统,在温箱中设置黑体、探测器、成像仪和光学窗口;
步骤2:根据测温范围对探测器进行配置,确保成像仪在不同环境温度及不同的探测器配置下面对黑体不出现灰度饱和;
步骤3:在不同的环境温度下改变黑体温度,寻找出同一黑体温度下成像仪灰度输出与焦平面温度的关系,获得灰度-焦平面温度拟合曲线;
步骤4:实际测温时,根据当前焦平面温度,带入灰度-焦平面温度拟合曲线,得到不同黑体温度对应的待拟合灰度输出;
步骤5:根据多个待拟合灰度输出与定标黑体温度,实时拟合出灰度-温度曲线,将当前像素灰度带入该曲线,即可得到最终的测温温度输出。
2.如权利要求1所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述方法所应用的工作环境温度范围为0℃~40℃。
3.如权利要求2所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述方法所进行的测温范围为5℃~300℃。
4.如权利要求3所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述步骤2中对探测器进行的配置分为:常温段配置、次高温段配置、高温段配置。
5.如权利要求4所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述常温配置面对黑体的常温场景,通过调节探测器的参数,来保证成像仪具有更高的温度分辨率和更好的NETD指标。
6.如权利要求5所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述常温场景为5℃~80℃。
7.如权利要求4所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述次高温段配置面对黑体的次高温度场景,通过上位机GNV发送指令来缩短积分时间为2005,减小积分电容为1.5X。
8.如权利要求7所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述次高温度场景为80℃~200℃。
9.如权利要求4所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述高温段配置面对黑体的高温场景,通过上位机GNV发送指令来减小积分时间为1890,缩小积分电容为1.0X。
10.如权利要求9所述的非接触式宽温差红外温度测量方法,其特征在于,所述高温场景为200℃~300℃。
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