CN113551778A - 一种热像仪相对测温性能评估装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热像仪相对测温性能的评价装置。常规热像仪评价一般使用基于黑体的评价装置，其无法提供非稳态非均匀温度场，因此一般用于绝对测温性能评价、成像非均匀性评价等。本发明直接使用热电偶热结点作为热像仪观测目标，可以消除接触热阻引起的热电偶测温值和实际感兴趣区域之间的温度偏差，确保热电偶提供的参考温度和热像仪观测区域一致，从而可用于热像仪测温值评价；而热电偶自身热容很小，因此温度可以较快速率变化，从而获得非稳态温度的参考数据。使用多个热电偶结点组合后，可以同时提供热像仪多个像元位置的参考辐射温度数据用于评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种热像仪性能评估装置，具体涉及热像仪应用于非稳态非均匀温度场观测时的相对测温性能评估。
背景技术
热像仪是一种基于红外辐射测温的仪器，具有非接触测量，可直接获取表面温度二维空间分布信息等优点。热像仪测温的缺点是影响因素较多，测温误差较大。目前市面常见的热像仪标称测温精度一般为±2℃或±2％取较大值，少数情况下标称精度可达到±1℃，该指标相比热电偶、铂电阻等常规接触测温手段有较大差距。
在许多应用中，并不关心热像仪绝对测温精度，而只关心其相对测温精度。热像仪可以提供二维温度场随时间演变信息，因此测温值具有一维时间和二维空间等三个下标。
所谓相对测温，是指利用热像仪测量得到的同一时刻不同位置温度差，或者同一位置不同时刻温度差。在主动热成像等应用中，温度场一般是非均匀、非稳态的，温度的空间分布和时间变化规律可以反映测试对象的很多特征，具有重要价值，因此热像仪的相对测温性能是决定相关主动热成像系统性能的关键，但目前缺乏相关的评价手段。
目前热像仪评价一般基于黑体进行，黑体装置的一般结构是：一个可以加热控温的匀热金属块，用于产生参考辐射；匀热块内置热电偶等接触测温传感器提供参考温度数据；匀热块表面进行适当处理，比如喷涂黑体漆，以提高发射率；匀热块可能被放置在深腔内以提高等效发射率。测温传感器一般通过小孔插入匀热块，测温探头和辐射表面具有不可忽略的热阻，因此如果匀热块温度不稳定，或者匀热块温度不均匀，则探头和辐射表面具有较大温度差，导致测温探头提供的参考数据失去意义。
对于非均匀温度场以及空间相对温度测量问题，目前发展出基于差分黑体的评价装置和方法，其使用两个黑体，分别产生不同的辐射温度，将其差值作为参考量对热像仪进行评估，但该装置无法提供非稳态的参考辐射温度以评价热像仪。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一个非稳态、非均匀温度场的参考辐射温度数据，用于热像仪相对测温性能的评估。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括加热单元、加热控制器、薄膜热电偶和测温仪器；
薄膜热电偶的热结点固定在加热单元表面，作为标准辐射温度发生单元，被待评价的热像仪观测和测温；
所述的加热单元由金属薄板、薄膜电热片和匀热基座组成，其中金属薄板的一侧粘贴薄膜电热片，对应的另一侧连接匀热基座，所述热结点固定在匀热基座表面；
加热控制器可控制加热单元和热电偶热结点的温度以任意设定规律变化；
薄膜热电偶连接测温仪器，其测温数据作为参考辐射温度数据，和热像仪测温数据比对，实现对热像仪观测非稳态非均匀温度场时测温性能的评价。
进一步说，所述的匀热基座选用陶瓷材料，包括碳化硅或氮化铝。
进一步说，所述的热电偶热结点的长或宽均为1～2mm，匀热基座的长或宽均为5～10mm。
进一步说，所述的薄膜电热片一侧还配置有风扇，通过风扇与薄膜电热片配合实现金属薄板温度的高低变化调节。
进一步说，所述匀热基座和热电偶热结点表面均喷涂辐射测温黑体漆。
进一步说，所述的加热单元有多个，每个加热单元对应设置一个薄膜热电偶的热结点，实现对热像仪测温性能多点评价。
本发明的有益效果：直接使用热电偶热结点作为热像仪观测目标，可以消除接触热阻引起的热电偶测温值和实际感兴趣区域之间的温度偏差，确保热电偶提供的参考温度和热像仪观测区域一致，从而可用于热像仪测温值评价；而热电偶自身热容很小，因此温度可以较快速率变化，从而获得非稳态温度的参考数据。
附图说明
图1为本发明的评价装置基本结构图；
图2为本发明中热电偶热结点安装面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步说明：
本发明中的评价装置基本结构如图1所示，在金属薄板11的一侧粘贴薄膜电热片10，另一侧连接微型匀热基座12，电热片10可通过控制器13控制其加热或停止；金属薄板11的一侧有散热风扇14，因此通过电热片10和风扇14的组合控制，可实现金属薄板11温度的高低变化调节。匀热基座12表面粘接连接薄膜热电偶的热结点20，热电偶引线21连接测温仪表23；薄膜热电偶的热结点20产生的热辐射30被待评价热像仪31接收并转化为测温数据；测温仪表23记录的数据和热像仪31记录的数据进行比对，实现对热像仪测温性能评价。
薄膜热电偶热结点粘接位置结构如图2所示，薄膜热电偶的金属片22连接形成热结点20，该区域为热电偶测温的敏感位置，其粘接在匀热基座12。匀热基座可使用碳化硅或氮化铝等陶瓷材料，既具有良好的导热性能，使基座连接热电偶的表面温度均匀，且为绝缘材料，不会影响热电偶的测温。热结点为尺寸为1～2mm的平面区域，该位置的辐射温度被用于评价热像仪。为减小发射率的影响，匀热基座12和热电偶热结点20表面均喷涂辐射测温专用黑体漆。
测试时，可任意控制电热片的启停，或者改变其加热功率，导致热结点20测温区域温度动态变化。假设热像仪测量且经过发射率修正的热结点位置温度曲线为Tcam(t)，热电偶测温数据为Ttc(t)，则热像仪绝对测温误差如下：
Terr,abs(t)＝Tcam(t)-Ttc(t) 式1
将热像仪数据和热电偶数据按照如下线性模型进行拟合：
Ttc(t)＝G*Tcam(t)+B 式2
其中G为增益系数，B为偏置系数。记拟合得到的增益系数为Gfit，偏置系数为Bfit，则代入修正热像仪测温数据Tcam_corr(t)：
Tcam_corr(t)＝Gfit*Tcam(t)+Bfit 式3
从而热像仪相对测温误差曲线为：
Terr,rel(t)＝Tcam_corr(t)-Ttc(t) 式4
热像仪相对测温误差的范数可使用其均方根值表示：
Terr,rmse＝rms(Terr,rel(t)) 式5
其中rms()表示均方根函数，计算一个序列的均方根值。
该本实施例中，匀热基座尺寸较小，可以只有5～10mm，匀热基座和其它区域的温度并不一致，因此构造的是非均匀温度场，而热电偶热结点提供了热像仪视场中一个像素点的辐射温度参考数据；由于匀热基座较小，因此随着加热电热片和散热风扇的组合动作，热电偶热结点位置温度可以在数秒内发生明显变化，获得一个非稳态温度场；由于匀热基座具有良好热导率，且距离电热片位置有一定距离，因此基座表面温度基本均匀，可减小热电偶自身不均匀性引起的测温误差；由于直接使用薄膜热电偶的热结点表面作为热像仪观测目标，因此热电偶测温数据总是可以作为参考数据，对热电偶和匀热基座之间的接触热阻不敏感。当然依据本实施例的构思，还可以将匀热基座布置多个，每个匀热基座上都有热电偶的热结点，形成多个标准辐射点，从而在热像仪的视场范围内形成测温性能的多点评价。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.一种热像仪相对测温性能评价装置，其特征在于：包括加热单元、加热控制器、薄膜热电偶和测温仪器；
薄膜热电偶的热结点固定在加热单元表面，作为标准辐射温度发生单元，被待评价的热像仪观测和测温；
所述的加热单元由金属薄板、薄膜电热片和匀热基座组成，其中金属薄板的一侧粘贴薄膜电热片，对应的另一侧连接匀热基座，所述热结点固定在匀热基座表面；
加热控制器可控制加热单元和热电偶热结点的温度以任意设定规律变化；
薄膜热电偶连接测温仪器，其测温数据作为参考辐射温度数据，和热像仪测温数据比对，实现对热像仪观测非稳态非均匀温度场时测温性能的评价。
2.根据权利要求1所述评价装置，其特征在于：所述的匀热基座选用陶瓷材料，包括碳化硅或氮化铝。
3.根据权利要求1所述评价装置，其特征在于：所述的热电偶热结点的长或宽均为1~2mm，匀热基座的长或宽均为5~10mm。
4.根据权利要求1所述评价装置，其特征在于：所述的薄膜电热片一侧还配置有风扇，通过风扇与薄膜电热片配合实现金属薄板温度的高低变化调节。
5.根据权利要求1所述评价装置，其特征在于：所述匀热基座和热电偶热结点表面均喷涂辐射测温黑体漆。
6.根据权利要求1至5中任一项所述评价装置，其特征在于：所述的加热单元有多个，每个加热单元对应设置一个薄膜热电偶的热结点，实现对热像仪测温性能多点评价。
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