CN111693154B - 一种红外测温传感器温度补偿方法及其装置 - Google Patents

一种红外测温传感器温度补偿方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种红外测温传感器温度补偿方法及其装置；该方法具体包括：S1步骤通过某一个环境温度下对多个物体温度进行标定，拟合得到物体温度和传感器输出电压的多项式系数；S2步骤通过S1步骤拟合的多项式计算零点输出电压；S3步骤通过S1、S2步骤得到的多项式系数和零点输出电压，得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；S4步骤包括对S3步骤得到的多项式进行逆向求解，得到某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值；本发明提供的方案，能够有效减少生产步骤，从而降低温度补偿方法的工作量，降低单机生产成本，同时提高测温设备在不同环境温度下测量的稳定性和精度。

Description

一种红外测温传感器温度补偿方法及其装置
技术领域
本发明属于红外测温传感器温度补偿技术领域，具体涉及一种红外测温传感器温度补偿方法及其装置。
背景技术
现有技术中，中国专利CN109781274A提出了一种温度补偿方法，该方法需要在不同的环境温度和同一个环境温度下不同物体温度两个维度进行标定，在实际批量生产过程中工作量巨大，增加了单机生产成本。
现有文献《一种实用红外测温仪数字温度补偿方法》提出了一种数字温度补偿方法，改方法提供了一种用一维标定代替两维标定的方法，只需要在一个固定环境温度通过测量不同物体温度进行标定，减小了标定的复杂度；但是通过测量长时间放在恒温环境中物体用来标定零点输出电压，需要保证恒温环境绝对稳定，否则对标定的精度影响较大，然而在批量生产过程中保持绝对的恒温环境本身实现难度较大。
基于上述温度补偿中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种红外测温传感器温度补偿方法及其装置，旨在解决现有机器标定和校准难、生产步骤多、单机成本高、稳定性和精度差的问题之一。
本发明提供一种红外测温传感器温度补偿方法，包括以下过程：
S1：通过某一个环境温度下对多个物体温度进行标定，拟合得到物体温度和传感器输出电压的多项式系数；
S2：通过S1步骤拟合的多项式计算出零点输出电压；
S3：通过S1、S2步骤得到的多项式系数和零点输出电压，得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；
S4：对S3步骤得到的多项式进行逆向求解，得到某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值。
进一步地，S2步骤中包括多项式拟合：根据热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系，拟合任一环境温度下的传感器输出电压和被测物体关系如下：
Figure GDA0003214528920000021
其中，a0(Tamb)是环境温度为Tamb时，多项式中的常量项；
S3步骤中包括零点输出参考电压：根据热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系，增加一个参考电压值Vref；
多项式系数标定包括：在一个固定环境温度T下，选取四个温度点20℃、30℃、35℃、40℃，分别记录四个测试点输出的传感器电压值如下：
{(T20,V20)、(T25,V25)、(T30,V30)、(T40,V40)}；再根据四个测试点进行多项式拟合，拟合多项式阶数可以是2阶；2阶拟合后环境温度T的输出电压为Vout：
Figure GDA0003214528920000022
计算系统参考电压：根据Vout计算出系统参考电压为：
Vref＝a2*252+a1*25+a0 (公式5)；
计算任意环境温度下传感器输出电压和被测物体温度关系：
Figure GDA0003214528920000023
其中m为未知常量；通过参考电压计算得到：
Figure GDA0003214528920000024
将公式(7)带入公式(6)可以得到：
Figure GDA0003214528920000031
用二次多项式求根公式对公式8求解可以计算得到环境温度为Tamb，测量得到的传感器输出电压Vout时，对应的被测量物体温度值为：
Figure GDA0003214528920000032
进一步地，热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系包括：
Figure GDA0003214528920000033
其中，K,δ均为常量。
进一步地，在多项式拟合过程中，红外测温设备关注的温度范围在10℃～50℃内。
进一步地，零点输出参考电压中，当Tb＝Tamb时，系统测量的红外传感器输出的电压值均为Vref。
进一步地，多项式系数标定中，固定环境温度T为25℃。
相应地，本发明还提供一种红外测温传感器温度补偿装置，所述补偿装置作为红外测温设备的一个子模块，包括标定装置和计算装置；标定装置用于对多个测量设备的温度进行单独标定，并拟合得到物体温度、传感器输出电压的多项式系数以及多项式计算零点输出电压；计算装置用于计算被测物体温度值。
进一步地，标定装置包括环境温度校准装置、多项式拟合装置以及参数保存装置；环境温度校准装置用于计算环境温度校准系数，并存储于参数保存装置内；多项式拟合装置用于计算多项式系数，并存储于参数保存装置内。
进一步地，标定装置具体工作过程包括：
S10：将传感器放入到某一个稳定的环境温度下，测量测试热敏电阻值Rm，已知传感器在该环境温度下热敏电阻值R0，计算环境温度校准系数：
α＝R0/Rm，并将校准系数α存储到参数保存装置；
S20：将待调试设备放入到恒温环境下静置半小时，使得传感器和设备恢复到稳定状态；测量四个不同温度黑体对应的传感器输出电压，用四组值进行多项式拟合，计算出多项式系数和零点电压，并将多项式系数和零点电压保存到参数保存装置。
进一步地，计算装置包括多项式求解装置、多项式计算装置以及参数保存装置；
多项式计算装置通过拟合的多项式计算零点输出电压得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；
多项式求解装置用于对多项式进行逆向求解，得到的某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值。
进一步地，计算装置具体工作过程包括：
S100：测温时，红外传感器通过热端对准被测物体，冷端暴露在环境温度中，测温电路从冷端获取电阻值，同时从参数保存模块获取校准系数，得到校准后的电阻值：
Rc＝Rm*α；
S200：根据校准后的电阻值Rc以及已知的传感器特性得到环境温度；
S300：用环境温度，以及从参数保存模块获得的多项式系数，零点电压，计算得到当前环境温度下物体温度和传感器输出电压之间关系；
S400：根据测温电路获得的热端电压值，带入上述关系式中，计算得到当前被测物体温度值。
进一步地，红外测温包括传感器、计算装置、物体温度计算模块以及显示模块；传感器包括冷端和热端；冷端与计算装置电连接，并且冷端用于对环境温度进行标定；热端与物体温度计算模块电连接，并且热端用于对传感器电压—物体温度曲线进行标定；计算装置还与物体温度计算模块电连接，计算得到当前被测物体温度值；显示模块与物体温度计算模块电连接，用于显示当前被测物体温度值。
本发明提供的方案，能够有效减少生产步骤，从而降低温度补偿方法的工作量，降低单机生产成本，同时提高测温设备在不同环境温度下测量的稳定性和精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明不同环境温度下，目标温度和传感器输出电压关系；
图2为本发明一种红外测温传感器温度补偿装置框图；
图3为本发明环境温度校准模块示意图；
图4为本发明多项式拟合模块示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图4所示，本发明提供一种红外测温传感器温度补偿方法，包括以下过程：
S1：通过某一个环境温度下对多个物体温度进行标定，拟合得到物体温度和传感器输出电压的多项式系数；
S2：通过S1步骤拟合的多项式计算出零点输出电压；
S3：通过S1、S2步骤得到的多项式系数和零点输出电压，得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；
S4：对S3步骤得到的多项式进行逆向求解，得到某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值；
采用上述方案，可以提高测温设备在不同环境温度下测量的稳定性和精度。
优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，红外测温设备主要用到的理论依据是黑体辐射理论，物体辐射能量公式表示如下：
Eb＝σεTb 4 (公式1)；
其中，Eb为物体辐射能量，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε为发射率；
在实际红外传感器用于测温过程中，热电堆传感器热端对准被测物体，用于测量物体辐射能量，传感器冷端通常暴露在环境中，受环境温度影响；为了保证测温精度，需要考虑热电堆传感器的冷端输出，也就是环境温度影响。考虑冷端输出后，热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系包括：
Figure GDA0003214528920000061
其中，K,δ均为常量，具体包括传感器的聚光杯物理开角大小、材料光学特性以及模拟前端系统增益等因素影响后得出的常量，两个常量受影响因素较多，除了和传感器本身特性相关之外，还同时受聚光杯光学特性，电子元器件特性，装配工艺等因素影响；在测温设备批量生产过程中，为了保证测温设备的精度，必须对每一台测温设备进行单独标定。
优选地，结合上述方案，如图1所示，公式(2)表示的不同环境温度下，传感器输出电压和被测物体温度的关系，从图1可知在红外测温设备通常所关注的温度范围在10℃～50℃内；S2步骤中包括多项式拟合：根据热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系，拟合任一环境温度下的传感器输出电压和被测物体关系如下：
Figure GDA0003214528920000062
其中，a0(Tamb)是环境温度为Tamb时，多项式中的常量项，该常量随着环境温度不同而变化；
S3步骤中包括零点输出参考电压：根据热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系，增加一个参考电压值Vref；具体地，由公式(2)可知，当被测试物体温度等于环境温度时(Tb＝Tamb)，测得的热电堆电压值Vout为0，如图1所示，当环境温度20、25、30、40时传感器输出电压和被测物体关系；当环境温度等于被测物体温度时，输出电压为0；实际工程实现时候往往会加一个参考电压值Vref，即不管环境温度为多少，当Tb＝Tamb时，系统测量的红外传感器输出的电压值均为Vref；
多项式系数标定包括：根据前述理论，由于个体器件以及装配工艺本身的差异，单个测温设备的多项式拟合系数存差异，在批量生产过程中需要对单个设备进行标定，标定方法如下：
在一个固定环境温度T下，优选温度T为25℃，选取四个温度点20℃、30℃、35℃、40℃，选取的温度点不是固定的，通常选择对于测量精度要求较高的几个温度点进行定标，分别记录四个测试点输出的传感器电压值如下：
{(T20,V20)、(T25,V25)、(T30,V30)、(T40,V40)}；再根据四个测试点进行多项式拟合，拟合多项式阶数可以是1阶，2阶....n阶，拟合的阶数越高测量结果越准确，同时生产成本增加；本实施例中以2阶为例；2阶拟合后环境温度T在25℃的输出电压为Vout：
Figure GDA0003214528920000071
计算系统参考电压：根据Vout计算出系统参考电压为：
Vref＝a2*252+a1*25+a0 (公式5)；
计算任意环境温度下传感器输出电压和被测物体温度关系：
Figure GDA0003214528920000072
其中m为未知常量；通过参考电压计算得到：
Figure GDA0003214528920000073
将公式(7)带入公式(6)可以得到：
Figure GDA0003214528920000081
用二次多项式求根公式对公式8求解可以计算得到环境温度为Tamb，测量得到的传感器输出电压Vout时，对应的被测量物体温度值为：
Figure GDA0003214528920000082
相应地，结合上述方案，如图1至图4所示，本发明还提供一种红外测温传感器温度补偿装置，其中，补偿装置作为红外测温设备的一个子模块，包括标定装置和计算装置；标定装置用于对多个测量设备的温度进行单独标定，并拟合得到物体温度、传感器输出电压的多项式系数以及多项式计算零点输出电压；计算装置用于计算被测物体温度值。
优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，本实施例中，标定装置包括环境温度校准装置、多项式拟合装置以及参数保存装置；其中，
环境温度校准装置用于计算环境温度校准系数，并存储于参数保存装置内；
多项式拟合装置用于计算多项式系数，并存储于参数保存装置内。
优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，本实施例中，标定装置具体工作过程包括：
S10：将传感器放入到某一个稳定的环境温度下，测量测试热敏电阻值Rm，已知传感器在该环境温度下热敏电阻值R0，计算环境温度校准系数：
α＝R0/Rm，并将校准系数α存储到参数保存装置；
S20：将待调试测温仪放入到恒温环境下静置半小时，使得传感器和设备恢复到稳定状态；测量四个不同温度黑体对应的传感器输出电压，用四组值进行多项式拟合，计算出多项式系数和零点电压，并将多项式系数和零点电压保存到参数保存装置。
优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，本实施例中，计算装置包括多项式求解装置、多项式计算装置以及参数保存装置；其中，
多项式计算装置通过拟合的多项式计算零点输出电压得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；
多项式求解装置用于对多项式进行逆向求解，得到的某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值。
优选地，结合上述方案，如图1至图4所示，计算装置具体工作过程包括：
S100：测温时，红外传感器通过热端对准被测物体，冷端暴露在环境温度中，测温电路从冷端获取电阻值，同时从参数保存模块获取校准系数，得到校准后的电阻值：
Rc＝Rm*α；
S200：根据校准后的电阻值Rc以及已知的传感器特性得到环境温度；
S300：根据上述补偿方法，用环境温度，以及从参数保存模块获得的多项式系数，零点电压，计算得到当前环境温度下物体温度和传感器输出电压之间关系；
S400：根据测温电路获得的热端电压值，带入上述关系式中，计算得到当前被测物体温度值。
优选地，结合上述方案，如图4所示，红外测温包括传感器、计算装置、物体温度计算模块以及显示模块；所述传感器包括冷端和热端；所述冷端与所述计算装置电连接，并且所述冷端用于对环境温度进行标定；所述热端与所述物体温度计算模块电连接，并且所述热端用于对传感器电压—物体温度曲线进行标定；所述计算装置还与所述物体温度计算模块电连接，计算得到当前被测物体温度值；所述显示模块与所述物体温度计算模块电连接，用于显示当前被测物体温度值。
本发明提供的方案，能够有效减少生产步骤，从而降低温度补偿方法的工作量，降低单机生产成本，同时提高测温设备在不同环境温度下测量的稳定性和精度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种红外测温传感器温度补偿方法，其特征在于，包括以下过程：
S1：通过某一个环境温度下对多个物体温度进行标定，拟合得到物体温度和传感器输出电压的多项式系数；
S2：通过S1步骤拟合的多项式计算零点输出电压；
S3：通过S1、S2步骤得到的多项式系数和零点输出电压，得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；
S4：对S3步骤得到的多项式进行逆向求解，得到某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值；
其中，
S2步骤中包括：
多项式拟合：根据热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系，拟合任一环境温度下的传感器输出电压和被测物体关系如下：
Figure FDA0003237396410000011
其中，an,Tn b分别为第n个环境温度系数和第n个环境温度；a0(Tamb)是环境温度为Tamb时，多项式中的常量项；
S3步骤中包括：
零点输出参考电压：根据热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系，增加一个参考电压值Vref；
多项式系数标定包括：在一个固定环境温度T下，选取四个温度点20℃、30℃、35℃、40℃，分别记录四个测试点输出的传感器电压值如下：
{(T20,V20)、(T25,V25)、(T30,V30)、(T40,V40)}；再根据四个测试点进行多项式拟合，拟合多项式阶数可以是2阶；2阶拟合后环境温度T的输出电压为Vout：
Figure FDA0003237396410000012
计算系统参考电压：根据Vout计算出系统参考电压为：
Vref＝a2*252+a1*25+a0 (公式5)；
计算任意环境温度下传感器输出电压和被测物体温度关系：
Figure FDA0003237396410000021
其中m为未知常量；
通过参考电压计算得到：
Figure FDA0003237396410000022
将公式(7)带入公式(6)可以得到：
Figure FDA0003237396410000023
用二次多项式求根公式对公式(8)求解可以计算得到环境温度为Tamb，测量得到的传感器输出电压Vout时，对应的被测量物体温度值为：
Figure FDA0003237396410000024
2.根据权利要求1所述的红外测温传感器温度补偿方法，其特征在于，热电堆输出电压与物体温度和环境温度的关系包括：
Figure FDA0003237396410000025
其中，K,δ均为常量，ε为发射率；在实际工程实现中，可以不关注具体取值。
3.根据权利要求1所述的红外测温传感器温度补偿方法，其特征在于，在多项式拟合过程中，红外测温设备关注的温度范围在10℃～50℃内；和/或，零点输出参考电压中，当Tb＝Tamb时，系统测量的红外传感器输出的电压值均为Vref；和/或，多项式系数标定中，固定环境温度T为25℃。
4.一种红外测温传感器温度补偿装置，其特征在于，所述补偿装置作为红外测温设备的一个子模块，包括标定装置和计算装置；所述标定装置用于对多个测量设备的温度进行单独标定，并拟合得到物体温度、传感器输出电压的多项式系数以及多项式计算零点输出电压；所述计算装置用于计算被测物体温度值；所述红外测温传感器温度补偿装置用于实现如权利要求1所述的红外测温传感器温度补偿方法。
5.根据权利要求4所述的红外测温传感器温度补偿装置，其特征在于，所述标定装置包括环境温度校准装置、多项式拟合装置以及参数保存装置；所述环境温度校准装置用于计算环境温度校准系数，并存储于所述参数保存装置内；所述多项式拟合装置用于计算多项式系数，并存储于所述参数保存装置内。
6.根据权利要求5所述的红外测温传感器温度补偿装置，其特征在于，所述标定装置具体工作过程包括：
S10：将传感器放入到某一个稳定的环境温度下，测量测试热敏电阻值Rm，已知传感器在该环境温度下热敏电阻值R0，计算环境温度校准系数：
α＝R0/Rm，并将校准系数α存储到参数保存装置；
S20：将待调试测温仪入到恒温环境下静置半小时，使得传感器和设备恢复到稳定状态；测量四个不同温度黑体对应的传感器输出电压，用四组值进行多项式拟合，计算出多项式系数和零点电压，并将多项式系数和零点电压保存到参数保存装置。
7.根据权利要求4所述的红外测温传感器温度补偿装置，其特征在于，所述计算装置包括多项式求解装置、多项式计算装置以及参数保存装置；
所述多项式计算装置通过拟合的多项式计算零点输出电压得到任意环境温度下物体温度和传感器输出电压之间的函数；
所述多项式求解装置用于对多项式进行逆向求解，得到的某一环境温度下，当传感器电压为Vout时，计算出对应的实际被测物体温度值。
8.根据权利要求7所述的红外测温传感器温度补偿装置，其特征在于，所述计算装置具体工作过程包括：
S100：测温时，红外传感器通过热端对准被测物体，冷端暴露在环境温度中，测温电路从冷端获取电阻值，同时从参数保存模块获取校准系数，得到校准后的电阻值：
Rc＝Rm*α；
S200：根据校准后的电阻值Rc以及已知的传感器特性得到环境温度；
S300：用环境温度，以及从参数保存模块获得的多项式系数，零点电压，计算得到当前环境温度下物体温度和传感器输出电压之间关系；
S400：根据测温电路获得的热端电压值，带入上述关系式中，计算得到当前被测物体温度值。
9.根据权利要求4至8任一项所述的红外测温传感器温度补偿装置，其特征在于，所述红外测温包括传感器、计算装置、物体温度计算模块以及显示模块；所述传感器包括冷端和热端；所述冷端与所述计算装置电连接，并且所述冷端用于对环境温度进行标定；所述热端与所述物体温度计算模块电连接，并且所述热端用于对传感器电压—物体温度曲线进行标定；所述计算装置还与所述物体温度计算模块电连接，计算得到当前被测物体温度值；所述显示模块与所述物体温度计算模块电连接，用于显示当前被测物体温度值。
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