CN113049109B - 基于参考黑体的红外测温方法及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于参考黑体的红外测温方法及计算机可读存储介质，方法包括：在相同环境条件下，采集不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据；根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型；通过红外探测器采集待测目标的红外辐射能量，并在相同的条件下，采集所述参考黑体的红外辐射能量；根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。本发明可提高测温精度。

Description

基于参考黑体的红外测温方法及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及红外测温技术领域，尤其涉及一种基于参考黑体的红外测温方法及计算机可读存储介质。
背景技术
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性(辐射能量的大小及其按波长的分布)与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
由于是通过测量目标物体辐射的红外能量进行测温，而红外探测器能接收到的红外能量除了目标辐射的红外能量外，也包括环境辐射的能量，还有测温仪本身的辐射，这些都会对探测器接收红外能量产生影响。
另外，当目标辐射的红外线经过大气达到探测器时，大气本身会对红外线具有一定散射和吸收，最终造成衰减，这种衰减跟大气的温湿度、透过率密切相关。
所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。
要准确测量目标物体的温度，就必须综合考虑以上所有因素。而由于影响测温因素太多，数学模型复杂，每一套产品都需要单独标定，数学模型建立和参数的提取都需要花费大量的时间和精力，使得成本大大增加，难以量产。
目前主流测温方法均简化了数学模型，用以缩减标定的时间，但带来的问题是测温的精度仅在特定的环境条件下满足，当使用环境偏高或偏低时，测温精度得不到满足，或者当测温仪所处环境温度发生剧烈变化时(比如冬夏天从空调屋里面到室外)，测温仪需要经历相当长的时间才会测温稳定，对现场使用带来了一定的限制。
另外一种方案采用未简化的数学模型，数据标定时，需要采集大量的数据，即便使用流水线作业的方式采集数据，也要花费不少的资金和时间，使得产品最终的产量和价格会成为市场的瓶颈，而且最终的测温精度也仅能达到1℃左右，很难满足更高精度的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于参考黑体的红外测温方法及计算机可读存储介质，可提高测温精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于参考黑体的红外测温方法，包括：
在相同环境条件下，采集不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据；
根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型；
通过红外探测器采集待测目标的红外辐射能量，并在相同的条件下，采集所述参考黑体的红外辐射能量；
根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的步骤。
本发明的有益效果在于：通过增加一个外置参考黑体，参考黑体与待测目标置于同一视场内，当环境(环境温湿度、测温仪本身热环境等)变化时，探测器接收到的红外辐射能量也会发生相应的变化(能量增量)，参考黑体与目标的红外辐射能量变化基本一致。由于参考黑体温度已知，可以反推出环境变化导致的能量增量，再将探测器接收到的目标能量减去环境变化导致的能量增量，即可得到只与目标温度有关的辐射能量，从而可通过一定的数学模型，计算目标的温度。由于采用了参考黑体，消除了绝大部分环境的影响，因此在很宽的温度范围内都能准确测温，当测温仪本身温度发生变化时测温精度也能保证；同时测温的精度可以大大提高，可以满足0.3°/0.5°的精度要求，同时也减小了标定时间与复杂度。
附图说明
图1为本发明的一种基于参考黑体的红外测温方法的流程图；
图2为本发明实施例一的方法流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1，一种基于参考黑体的红外测温方法，包括：
在相同环境条件下，采集不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据；
根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型；
通过红外探测器采集待测目标的红外辐射能量，并在相同的条件下，采集所述参考黑体的红外辐射能量；
根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：由于采用了参考黑体，消除了绝大部分环境的影响，因此在很宽的温度范围内都能准确测温，当测温仪本身温度发生变化时测温精度也能保证；同时测温的精度可以大大提高，可以满足0.3°/0.5°的精度要求，同时也减小了标定时间与复杂度。
进一步地，所述环境条件包括大气温湿度和测温距离。
由上述描述可知，通过在相同的环境条件下采集样本数据，避免温湿度等其他影响因素带来的测温误差。
进一步地，所述关系模型为G目＝F(T目，T参)+G参，G目为目标黑体的红外辐射能量，G参为参考黑体的红外辐射能量，F(T目，T参)为关于目标温度和参考黑体温度的数学模型，表示目标与参考黑体的红外辐射能量差。
由上述描述可知，影响测温的因素几乎都被参考黑体消除了，大大减少了影响测温的因素，只剩下目标温度一项，从而可以大大提高测温精度，同时也大大减小了标定的工作量。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的步骤。
实施例一
请参照图2，本发明的实施例一为：一种基于参考黑体的红外测温方法，可应用于温度测量，包括如下步骤：
S1：构建数学模型，该数学模型为关于目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型。
虽然通过黑体辐射原理可以得出目标表面温度与辐射能量的关系，但因为复杂环境的影响以及探测器的特性只能响应某一个范围的红外辐射，导致探测器接收到的红外能量只是目标辐射能量的一部分，所以不能直接使用黑体辐射原理模型来做测温模型，综合考虑各种因素后，构建数学模型如下：
G参＝F(T参，t0)+ΔH
G目＝F(T目，t0)+ΔH
根据上述两个公式可以推出：G目＝F(T目，t0)-F(T参，t0)+G参；
最后可得出：G目＝F(T目，T参)+G参；
其中，G目表示红外探测器接收到目标黑体的总能量，也即目标黑体的红外辐射能量；G参表示红外探测器接收到参考黑体的总能量，也即参考黑体的红外辐射能量；F(T目，t0)表示目标黑体的温度和红外探测器内部温度贡献的红外辐射能量；F(T参，t0)表示参考黑体的温度和红外探测器内部温度贡献的红外辐射能量；ΔH表示包括目标辐射率、大气的温湿度、透过率以及测温距离(被测物体与红外探测器之间的距离)等其他影响因素带来的修正项。
F(T目，T参)表示红外探测器接到的目标与参考黑体的能量差，只与目标和参考黑体的温度相关，可为含有目标温度和参考黑体温度这两个参数的数学模型，例如，可为F(T目，T参)＝ω1×T目+ω2×T参，其中，ω1、ω2分别为目标温度和参考黑体温度对应的权重系数。而由于参考黑体的温度是固定的，即已知的，因此F(T目，T参)只与目标的温度相关。
由该模型可知，影响测温的因素大大减小，几乎都被参考黑体消除了，只剩下目标温度一项，这样可以大大提高测温精度，同时也大大减小了标定的工作量。
S2：在相同环境条件下，采集不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据。
即选取与目标黑体的辐射率、透过率一致的参考黑体，并将两个黑体置于同一环境中，保证大气的温湿度相同，同时保证测温距离也相同，在这种条件下，通过红外探测器分别采集不同温度的目标黑体的红外辐射能量和该参考黑体的红外辐射能量。每组样本数据均包括目标黑体的温度、目标黑体的红外辐射能量、参考黑体的温度和参考黑体的红外辐射能量，其中，每组样本数据中的参考黑体的温度是一致且已知的。
S3：根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型。
即将多组样本数据代入上述最终的数学模型，求出数学模型中的其他参数，例如上述的ω1、ω2，从而得到关于目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型。
S4：通过红外探测器采集待测目标的红外辐射能量，并在相同的条件下，采集所述参考黑体的红外辐射能量。即保证待测目标和参考黑体所处的环境相同，测温距离相同，然后分别采集待测目标和参考黑体的红外辐射能量。
S5：根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。即将步骤S4中采集的待测目标和参考黑体的红外辐射能量以及已知的参考黑体的温度代入上述关系模型，求得待测目标的温度值。
进一步地，在步骤S2采集到样本数据后，可将样本数据按照特定的格式存储到预设的目录中。并且在实际实现时，可开发一套参数自动提取软件，只要通过软件打开保存了样本数据的目录，参数自动提取软件将会自动读取文件夹里面的所有数据文件，自动识别数据文件的里面的各项数据，然后根据建立的数学模型采用最优化理论的方法通过参数迭代的方式计算出最优化的一组参数，然后将参数按一定的格式自动保存到特定文件中，最后供测温仪信号处理器调用使用。信号处理器通过接收到的目标能量以及参考黑体能量反算出目标的温度，并实时显示在显示屏上。该软件使用简单，生产线上的普通作业员经过简单培训即可使用，解决了批量生产的问题。
本实施例通过增加一个外置参考黑体，参考黑体与待测目标置于同一视场内，当环境(环境温湿度、测温仪本身热环境等)变化时，探测器接收到的红外辐射能量也会发生相应的变化(能量增量)，参考黑体与目标的红外辐射能量变化基本一致。因为参考黑体温度是已知的，即可以反推出环境变化导致的能量增量。探测器接收到的目标能量减去环境变化导致的能量增量，即得到只与目标温度有关的辐射能量，通过一定的数学模型，即可计算目标的温度。
由于采用了参考黑体，消除了绝大部分环境的影响，因此在很宽的温度范围内(从夏天到冬天，从南方到北方，是室内到室外)都能准确测温，当测温仪本身温度发生变化时测温精度也能保证。并且，由于消除了环境变化的影响，测温的精度可以大大提高，可以满足0.3°/0.5°的精度要求，同时也减小了标定时间与复杂度。
实施例二
本实施例是对应上述实施例的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现下步骤：
获取在相同环境条件下采集到的不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据；
根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型；
获取待测目标的红外辐射能量以及在相同的条件下采集的所述参考黑体的红外辐射能量；
根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。
进一步地，所述环境条件包括大气温湿度和测温距离。
进一步地，所述关系模型为G目＝F(T目，T参)+G参，G目为目标黑体的红外辐射能量，G参为参考黑体的红外辐射能量，F(T目，T参)为关于目标温度和参考黑体温度的数学模型，表示目标与参考黑体的红外辐射能量差。
综上所述，本发明提供的一种基于参考黑体的红外测温方法及计算机可读存储介质，通过采用参考黑体，消除了绝大部分环境的影响，因此在很宽的温度范围内都能准确测温，当测温仪本身温度发生变化时测温精度也能保证；同时测温的精度可以大大提高，可以满足0.3°/0.5°的精度要求，同时也减小了标定时间与复杂度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于参考黑体的红外测温方法，其特征在于，包括：
在相同环境条件下，采集不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据；
根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型，所述关系模型为G目＝F(T目，T参)+G参，G目为目标黑体的红外辐射能量，G参为参考黑体的红外辐射能量，F(T目，T参)为关于目标温度和参考黑体温度的数学模型，表示目标与参考黑体的红外辐射能量差；
通过红外探测器采集待测目标的红外辐射能量，并在相同的条件下，采集所述参考黑体的红外辐射能量；
根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。
2.根据权利要求1所述的基于参考黑体的红外测温方法，其特征在于，所述环境条件包括大气温湿度和测温距离。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现下步骤：
获取在相同环境条件下采集到的不同温度的目标黑体的红外辐射能量以及同一温度的参考黑体的红外辐射能量，得到多组样本数据；
根据所述多组样本数据，拟合得到目标黑体的温度和红外辐射能量以及参考黑体的温度和红外辐射能量的关系模型，所述关系模型为G目＝F(T目，T参)+G参，G目为目标黑体的红外辐射能量，G参为参考黑体的红外辐射能量，F(T目，T参)为关于目标温度和参考黑体温度的数学模型，表示目标与参考黑体的红外辐射能量差；
获取待测目标的红外辐射能量以及在相同的条件下采集的所述参考黑体的红外辐射能量；
根据所述待测目标的红外辐射能量、参考黑体的温度和红外辐射能量以及所述关系模型，计算得到待测目标的温度。
4.根据权利要求3所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述环境条件包括大气温湿度和测温距离。
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