CN111780879A - 一种红外测温系统及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外测温系统及测温方法，该系统包括红外测温设备和与其连接的终端设备；红外测温设备包括基座、探测器、快门挡片、红外机芯组件和后盖；探测器安装在基座上，快门挡片安装在基座的前面。其中，快门挡片上设有加热片和温控电路板，温控电路板包括依次电性连接的温度传感器和控制芯片，在控制芯片的作用下控制使得快门挡片温控值能够进行自动调节。后盖上设有湿度传感器，其用于对后盖的湿度值进行测量。终端设备用于在利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定时，一方面在预设的每项黑体温度下，进行目标输出值的记录；另一方面，用于根据记录数据建立测温模型，进行目标温度的计算和输出。

Description

一种红外测温系统及测温方法

技术领域

本发明属于智能测温设备领域，具体涉及一种红外测温系统及测温方法。

背景技术

市场上现有的红外测温设备主要有两大类：一类是基于热释电器件的额温枪，另一类是基于红外热像仪的测温仪。基于红外热像仪的测温仪可对视场内的多个目标同时进行温度检测，其测温效率高，因此尤其在机场、火车站、商场、医院等人流量大的地方使用较多。

基于红外热像仪的测温仪的理论基础是基于红外焦平面阵列探测器(本申请中将其简称为探测器)输出值与目标温度之间映射曲线的近似正比关系，进行实际测温数值的计算。但实际上，探测器输出值不仅与目标温度有关，还与环境温度、空气湿度和目标距离等外界因素有关。并且，即使以上各外界因素均相同，测温误差并不能从原理上彻底消除，而只能尽量减小。

在基于快门挡片解决测温问题的时候，可参考专利号为CN107238443A，发明名称为一种快门挡片带温度传感器的红外热像仪装置，该方案可解决外置黑体测温的局限性。其中提到了外置校正黑体只能填充探测器视野的一小部分，而快门挡片确可以填充满探测器的全部视野，因此该方案对测温精度的提升理论上比外置黑体方案更有效。但由于快门挡片的温度不可控，在热平衡情况下快门挡片的温度与当前所处环境下的气温相近，因此挡片温度在不同气候下变化较大，但目标温度变化很小，由此会带来较大的测温误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术下挡片温度在不同气候下变化较大，但目标温度变化很小，由此带来较大测温误差的缺陷，提供一种红外测温系统及测温方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种红外测温系统，包括红外测温设备和连接到所述红外测温设备的终端设备；所述红外测温设备包括基座、用于探测和识别目标物红外信息的探测器、快门挡片、红外机芯组件和后盖；所述探测器安装在基座上，所述快门挡片安装在所述基座的前面，对所述探测器起光阑作用：

所述快门挡片上设有加热片和温控电路板，所述温控电路板与加热片之间电性连接；其中，所述温控电路板包括依次电性连接的温度传感器和控制芯片，所述控制芯片用于根据温度传感器测得的快门挡片温度值，控制加热片对所述快门挡片进行加热，控制使得快门挡片温控值随着环境温度的改变进行自动调节；

所述后盖上设有湿度传感器，所述湿度传感器用于对后盖的湿度值进行测量；

所述红外机芯组件，用于在利用探测器识别到目标物的红外信息后，对长波红外波段光进行成像，针对成像图像中包括的每个像素计算并汇总其在当前时刻下的目标输出值；所述目标输出值包括目标温度、红外机芯组件与黑体之间的距离、环境温度和后盖湿度；

所述终端设备，用于在利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定时，一方面在预设的每项黑体温度下，进行目标输出值的记录；另一方面，用于根据记录数据建立测温模型，进行目标温度的计算和输出。

本发明根据上述的一种红外测温系统的测温方法，包括：

S1、将红外机芯组件放置在距离黑体L米处，启动所述红外测温设备，并利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定；

S2、标定的过程中包括：

S21、设置n项黑体温度，相邻黑体温度值之间相差y℃；

S22、终端设备中在预设的每项黑体温度值下，记录若干项对目标温度具备影响的影响因子，所述影响因子包括读取到的红外机芯组件的温度值T_e、焦面的温度值T_fpa、后盖的湿度值T_s、黑体的灰度值均值Y_b以及快门挡片的灰度值均值Y_s；

S3、终端设备中，基于记录所得的影响因子，建立测温模型，进行目标温度T₀的输出，所述测温模型具体为：

T₀＝(p₀₀+p₁₀*T_fpa)+(p₀₁+p₁₁*T_fpa)*Y_bs+(p₀₂+p₁₂*T_fpa)*Y_b2_s+p₂₀*T_e+p₂₁*T_s+T_bb；

其中，p₀₀、p₁₀、p₀₁、p₁₁、p₀₂、p₁₂、p₂₀和p₂₁均为基于所述红外测温设备将标定数据通过最小二乘法拟合得到的相关系数；Y_bs＝Y_b-Y_s；T_bb为预设基准温度。

实施本发明的一种红外测温系统及测温方法，具有以下有益效果：

1、快门挡片上设有电热丝和温控电路板，随着环境温度的变化可以自动调节快门挡片温控值，使得挡片温度与目标温度相近，减小了标定和测温过程的误差，同时快门挡片对焦平面自动校正，提高了热像仪图像质量和测温精度；

2、通过离线标定不同环境温度和湿度下的机芯参数并建立目标温度与其他影响因子的测温模型，保证了测温模型的稳定性和测温的精确性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的一种红外测温系统的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的一种基于红外测温系统的测温方法的第一个实施例的流程图；

图3是本发明的一种基于红外测温系统的测温方法的黑体温度标定的流程图；

图4是本发明的一种基于红外测温系统的测温方法的第二个实施例的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

实施例1：

本发明的一个实施例，如图1所示，一种红外测温系统，包括红外测温设备和连接到所述红外测温设备的终端设备；所述红外测温设备包括基座、用于探测和识别目标物红外信息的探测器、快门挡片、红外机芯组件和后盖；所述探测器安装在基座上，所述快门挡片安装在所述基座的前面，对所述探测器起光阑作用：

所述快门挡片上设有加热片和温控电路板，所述温控电路板与加热片之间电性连接；其中，所述温控电路板包括依次电性连接的温度传感器和控制芯片，所述控制芯片用于根据温度传感器测得的快门挡片温度值，控制加热片对所述快门挡片进行加热，控制使得快门挡片温控值随着环境温度的改变进行自动调节；

所述后盖上设有湿度传感器，所述湿度传感器用于对后盖的湿度值进行测量；

所述红外机芯组件，用于在利用探测器识别到目标物的红外信息后，对长波红外波段光进行成像，针对成像图像中包括的每个像素计算并汇总其在当前时刻下的目标输出值；所述目标输出值包括目标温度、红外机芯组件与黑体之间的距离、环境温度和后盖湿度；

所述终端设备，用于在利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定时，一方面在预设的每项黑体温度下，进行目标输出值的记录；另一方面，用于根据记录数据建立测温模型，进行目标温度的计算和输出。

需要说明的是，本实施例采用的是非制冷红外焦平面探测器，其为热成像系统的核心部件。非制冷红外焦平面探测器中包括热敏元件，热敏元件采用多晶硅材料制成。采用多晶硅探测器，可以从原理上降低测温误差。

为了避免在近距离对准被测人员，带来设备使用者和被测者之间的传染风险，本实施例中所设计的红外测温设备为非接触式测温设备。

需要进一步说明的是，本发明公开的一种非接触式非接触式红外测温设备，具体是通过测量目标表面所辐射的红外能量来确定表面温度。之所以采用非接触式红外测温设备，是由于其采用了超低功耗智能设计，而超低功耗的设计可以确保产品能够更长时间的工作，为用户减少频繁更换电池及工作时欠电的烦恼，且，采用的智能设计能够帮助使用者更方便进行测试、以及更快捷捕捉到被测物体的真实值。在充电接口或结构设计方面，本领域技术人员可选择利用电池，实施对测温设备的供电。

实施例2：

本发明的一个实施例，如图2所示，根据前述的一种红外测温系统实施测温的方法，包括以下步骤：

S100、将红外测温设备放置在距离黑体L米处，并且设备需要与黑体中心齐平，启动所述红外测温设备并利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定。

具体的，在实施当前步骤的时候，可以考虑将红外测温设备放置在距离黑体1m处，但是，红外测温设备需要与黑体的中心对齐。

需要说明的是，实验过程中，红外测温设备的使用状态始终保持不变，在不同的环境温度湿度下，将红外测温设备开机半小时(或更长的时间)达到稳定状态，等待空气温度稳定后，进行黑体温度标定。之所以利用黑体对红外机芯组件进行标定，是因为黑体是一种可以精确控制其表面温度的设备。

S200、标定的过程中包括(其执行流程请参考图3)：

S210、设置n项黑体温度，相邻黑体温度值之间相差y℃，其中n>1，y>0；

具体的，在实施的时候，可考虑每隔2℃设置黑体温度T_bb。

S220、终端设备中在预设的每项黑体温度值下，记录若干项对目标温度具备影响的影响因子，所述影响因子包括读取到的红外机芯组件的温度值T_e、焦面的温度值T_fpa、后盖的湿度值T_s、黑体的灰度值均值Y_b以及快门挡片的灰度值均值Y_s。

具体的，即在基于步骤S210设置的若干组已知的黑体温度下，记录对应各像素输出值y(i,j)，y(i,j)即为对目标温度具备影响的影响因子，其中，i,j分别代表像素点对应的行和列。

S300、终端设备中，基于记录所得的影响因子，建立测温模型，进行目标温度T₀的输出，所述测温模型具体为：

其中，p₀₀、p₁₀、p₀₁、p₁₁、p₀₂、p₁₂、p₂₀和p₂₁均为基于所述红外测温设备将标定数据通过最小二乘法拟合得到的相关系数；Y_bs＝Y_b-Y_s；T_bb为预设基准温度。

本实施例下，通过离线标定不同环境温度和湿度下的机芯参数并建立目标温度与其他影响因子的测温模型，保证了测温模型的稳定性和测温的精确性。

实施例3：

本发明的另一个实施例，如图4所示，在实施例2的基础上还包括以下步骤：

S400、对目标温度T₀进行温度补偿后，由探测器输出最终的目标温度T_out。

需要说明的是，之所以需要对目标温度T₀进行温度补偿，是由于步骤S300中拟合得到的相关系数并非定值，其与环境温度、湿度、目标距离等都有关系，若未考虑这些影响因素，则当实际测温时的条件(环境温度、湿度、目标距离)与参数采集和系数拟合时不相同，必然带来较大测温误差。

具体的，基于前述的影响因素，本实施例中公开的温度补偿包括目标温度T_c1补偿、黑体温度T_c2补偿和快门挡片温控值T_c3补偿。其中：

所述目标温度T_c1补偿用以对人体测温时补偿体温与体表温度差异；其取值范围为1.5～3.5℃；之所以要将目标温度T_c1设置在上述的取值范围，是由于体表的温度受环境温度的影响，与体温具有差异性，采用上述取值范围，可以有效的进行误差补偿，使得所测温度值更贴近于实际体温值，保证了输出目标温度的准确性。

所述黑体温度T_c2补偿用以补偿不同黑体间基准温度的偏差；

所述快门挡片温控值T_c3补偿用以补偿快门挡片实际读取温度T_sn与预设的挡片温控值T_bs之间的偏差：

T_c3＝T_sn-T_bs。

需要说明的时候，探测器最终输出的目标温度T_out为：

T_out＝T₀+T_c1+T_c2+T_c3。

需要说明的是，由于挡片温控值T_bs在不同环境温度下具有一定差异，本实施例下还包括：

在进行目标温度测量前，根据预设的基准温度T_bb和快门挡片的实际读取温度值T_sn对挡片温控值T_bs进行标定；当前标定后的挡片温控值T_bs将会写入到红外测温设备中。

基于本实施例公开的技术方案，通过相关的实验测试，已证明在环境条件较恶劣的情况下，其测温误差≤0.3℃；在环境稳定情况下，其测温精度有所提高，测温误差≤0.2℃。且，基于本发明公开的技术方案，利用快门挡片对焦平面自动校正，能够提高热像仪图像质量和测温精度，快门挡片温度误差小于0.05℃，该值达到了市面上大部分测温仪使用的外置黑体精度。

本发明的优势在于，在利用现有的红外热像仪对人体进行测温时，其容易受到外部环境的影响，因此需要外置黑体进行误差校准。虽然，外置黑体类似恒温目标，其主要用于热像仪实时进行测温校准，以达到人体测温精度在±0.3℃的要求。但是，外置黑体价格高、体积大不易携带。另外，由于在测温的时候，黑体必须放置在测温目标处，使得整个装置需要分成两个部件，因而使用场景存在局限性，安装难度大。本发明中，采用设有电热丝和温控电路板的快门挡片来代替外置黑体在利用热像仪对人体进行测温时，避免了使用黑体，大幅提高产品成本；同时其结构简单，易安装操作，避免了使用黑体需要将红外热像仪做成两个分开的部件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种红外测温系统，包括红外测温设备和连接到所述红外测温设备的终端设备；所述红外测温设备包括基座、用于探测和识别目标物红外信息的探测器、快门挡片、红外机芯组件和后盖；所述探测器安装在基座上，所述快门挡片安装在所述基座的前面，对所述探测器起光阑作用，其特征在于：

所述快门挡片上设有加热片和温控电路板，所述温控电路板与加热片之间电性连接；其中，所述温控电路板包括依次电性连接的温度传感器和控制芯片，所述控制芯片用于根据温度传感器测得的快门挡片温度值，控制加热片对所述快门挡片进行加热，控制使得快门挡片温控值随着环境温度的改变进行自动调节；

所述后盖上设有湿度传感器，所述湿度传感器用于对后盖的湿度值进行测量；

所述红外机芯组件，用于在利用探测器识别到目标物的红外信息后，对长波红外波段光进行成像，针对成像图像中包括的每个像素计算并汇总当前时刻下的目标输出值；所述目标输出值包括目标温度、红外机芯组件与黑体之间的距离、环境温度和后盖湿度；

所述终端设备，用于在利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定时，一方面在预设的每项黑体温度下，进行目标输出值的记录；另一方面，用于根据记录数据建立测温模型，进行目标温度的计算和输出。

2.根据权利要求1所述的红外测温系统，其特征在于，所述探测器采用非制冷红外焦平面探测器；

所述非制冷红外焦平面探测器包括热敏元件，所述热敏元件采用对热响应一致性较好的材料制成。

3.根据权利要求1所述的红外测温系统，其特征在于，所述红外测温设备为非接触式测温设备。

4.根据权利要求1-3所述的任意一种红外测温系统的测温方法，其特征在于，包括：

S1、将红外测温设备放置在距离黑体L米处，启动所述红外测温设备，并利用红外测温设备对不同环境温度下的黑体温度进行标定；

S2、标定的过程中包括：

S21、设置n项黑体温度，相邻黑体温度值之间相差y℃；

S22、终端设备中在预设的每项黑体温度值下，记录若干项对目标温度具备影响的影响因子，所述影响因子包括读取到的红外机芯组件的温度值T_e、焦面的温度值T_fpa、后盖的湿度值T_s、黑体的灰度值均值Y_b以及快门挡片的灰度值均值Y_s；

S3、终端设备中，基于记录所得的影响因子，建立测温模型，进行目标温度T₀的输出，所述测温模型具体为：

其中，p₀₀、p₁₀、p₀₁、p₁₁、p₀₂、p₁₂、p₂₀和p₂₁均为基于所述红外测温设备将标定数据通过最小二乘法拟合得到的相关系数；Y_bs＝Y_b-Y_s；T_bb为预设基准温度。

5.根据权利要求4所述的测温方法，其特征在于，还包括：

S4、对目标温度T₀进行温度补偿后，由探测器输出最终的目标温度T_out。

6.根据权利要求5所述的测温方法，其特征在于，所述温度补偿包括目标温度T_c1补偿、黑体温度T_c2补偿和快门挡片温控值T_c3补偿。

7.根据权利要求6所述的测温方法，其特征在于：

所述目标温度T_c1补偿用以对人体测温时补偿体温与体表温度差异；

所述黑体温度T_c2补偿用以补偿不同黑体间基准温度的偏差；

所述快门挡片温控值T_c3补偿用以补偿快门挡片实际读取温度T_sn与预设的挡片温控值T_bs之间的偏差：

T_c3＝T_sn-T_bs。

8.根据权利要求6所述的测温方法，其特征在于，探测器最终输出的目标温度T_out为：

T_out＝T₀+T_c1+T_c2+T_c3。

9.根据权利要求6所述的测温方法，其特征在于，基于所述目标温度T_c1补偿在补偿体温与体表温度差异时，其取值范围为1.5～3.5℃。

10.根据权利要求7所述的测温方法，其特征在于，由于挡片温控值T_bs在不同环境温度下具有一定差异，该方法还包括：

在进行目标温度测量前，根据预设的基准温度T_bb和快门挡片的实际读取温度值T_sn对挡片温控值T_bs进行标定；

当前标定后的挡片温控值T_bs将会写入到红外测温设备中。

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