CN113739933A - 一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法。所述测温方法包括：设测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2；将待测区域划分为阵列排布的多个边长为a的单元格，待测区域包括未升温区和升温区，未升温区的温度等于环境温度；控制测温探头从未升温区向升温区每次移动距离a，并使测温探头在到达升温区室时，每次所覆盖的k×k个单元格中只有一个单元格的温度是未知的，其余单元格的温度均是已知的，且该k×k个单元格的平均温度也是已知的，进而计算出该温度未知的单元格的温度，并依据此方式计算出升温区所有单元格的温度，从而提高了红外测温系统的空间分辨率。本发明利用低价格、低空间分辨率的单点比色红外测温仪即可完成测量，节约成本。

Description

一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法

技术领域

本发明属于红外测温技术领域，具体涉及一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法。

背景技术

温度测量在航空航天、材料、能源和冶金等领域中占有极重要的地位，在形形色色的测量技术中，红外测温由于其不可比拟的优势逐渐成为温度测量的主流技术，主要体现在以下方面：1、非接触测量：它不需要接触被测温度场的内部或表面，不会影响和破坏被测温度场的状态；2、测量范围广：一般情况下测量范围可达到零下几十度到零上三千多度；3、测温速度快：红外探测器的响应时间短，反应速度快且易于快速与动态测量；4、灵敏度高：具有0.1℃的温度分辨率。但是，红外测温的测量结果很大程度上受到物体表面的发射率的影响，而被测表面的发射率受表面材料性质、表面微观状态、表面形状、温度和测量波长影响较大，实际测量时很难确定真实的发射率，导致红外测温测量的温度跟实际温度有差距。为了减少发射率估计不准造成的误差，研究人员采取了各种办法，其中包括发射率修正法、逼近黑体法、偏振光法、反射信息法等。但是以上方法在实际应用中都存在着各自局限性，均不能从根本上解决消除发射率的影响。相对于以上方法，比色测温法在一定程度上解决了发射率的影响，只要两个波长选择适当，测量的温度结果的准确性就可以得到保证。

目前，主流的红外测温技术包括红外成像技术和单点红外测温技术。红外成像技术可以实现高空间分辨率温度场的精细测量，但是比色测温技术却难以直接应用于红外成像技术，从而导致红外成像技术的测量精度难以得到保证。单点红外测温可以采用比色测温技术，准确测量待测表面的温度，但是单点测温却只能测量待测点附近局部区域的平均温度。以上矛盾给红外测温提出了巨大挑战，如何在获取待测表面高空间分辨率温度场的同时，确保所测温度的准确性，是红外测温技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法，解决了现有技术中存在的问题。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种红外测温方法，其包括：

提供红外测温仪，其测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2；

将待测区域划分为阵列排布的多个单元格，每个单元格为边长为a的正方形区域，所述待测区域包括未升温区和升温区，所述未升温区为温度均匀区，所述温度均匀区的温度等于环境温度T₀，所述升温区的温度大于T₀；

使所述测温探头自所述待测区域的温度均匀区开始逐行或逐列对待测区域的各单元格进行测量，且在每一行或每一列上每次测量完成后使所述测温探头沿行方向或列方向平移距离a再进行下一次测量，在完成对每一行或每一列上单元格的测量后，使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a到下一行或下一列上并采用相同方式对下一行或下一列上的单元格进行测量，重复上述过程，完成对待测区域中其余行或列上的单元格的测量；

并且，在所述测温探头到达所述升温区时，在每次测量时使所述测温探头的测量范围所覆盖的k×k个单元格中一个单元格的温度是未知的，其余单元格的温度均是已知的，且该k×k个单元格的平均温度也是已知的，进而计算出该温度未知的单元格的温度。

进一步的，通过插值算法计算出该温度未知的单元格的温度。

进一步的，所述红外测温方法具体包括：

将待测区域划分为i×j个单元格，i为行数，j为列数，用单元格编号(i′，j′)表示第i′行第j′列的单元格；

在所述测温探头第一次到达所述升温区时，设所述测温探头的测量范围所覆盖区域的k×k个单元格的平均温度为T₁，该区域左上角单元格编号为(i′-k+2、j′-k+1)，右下角单元格编号为(i′+1，j′)。如前所述右下角单元格是唯一进入温升区的单元格，该单元格内的平均温度T_(i′+1)j′大于T₀，其余k×k-1个单元格的温度均为T₀，则依据下式I计算出编号为(i′+1，j′)的单元格的平均温度T_{(i′+1)，j′}，

之后，使所述测温探头沿行方向或列方向平移，每次平移距离a，并依据相同方式依次继续测量出同一行或同一列上其余单元格的温度，然后使所述测温探头沿列方向或行方向平移a，再依据相同方式继续测量下一行或下一列上各单元格的温度，重复上述过程，从而完成对所述升温区内全部单元格温度的测量。

进一步的，在完成对每一行或每一列单元格的测量后，使所述测温探头回复至该行或该列上的初始测量位置，再使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a，以对下一行或下一列的单元格进行测量。

进一步的，所述红外测温仪采用单点比色红外测温仪。

进一步的，所述红外测温方法还包括：

以自动调焦系统调节所述红外测温仪的对焦，以保证所述红外测温仪的测量点的空间位置准确；

以运动工作台控制所述红外测温仪的平移速度和方向；以及

以自动化数据采集系统实时记录所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据。

进一步的，所述自动调焦系统包括CCD自动调焦系统。

本发明实施例还提供了一种红外测温系统，其包括：

单点比色红外测温仪，用于精确采集待测点附近有限区域内的平均温度；

自动调焦系统，用于调节所述红外测温仪的对焦，以保证所述红外测温仪的测量点的空间位置准确；

运动工作台，用于精确控制测量过程中所述红外测温仪的移动速度和方向；

自动化数据采集系统，用于实时记录所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据；以及

数据处理单元，用于依据所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据至少计算出待测区域中升温区内各个待测单元格的准确平均温度。

进一步的，所述红外测温仪的测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2，其中a为待测区域中任意一个正方形单元格的边长，所述待测区域被划分为阵列排布的多个单元格，每个单元格为一所述的测量点；

所述运动工作台用于驱使所述红外测温仪的测温探头自所述待测区域的温度均匀区开始逐行或逐列对待测区域的各单元格进行测量，且在每一行或每一列上每次测量完成后使所述测温探头沿行方向或列方向平移距离a再进行下一次测量，以及，在完成对每一行或每一列单元格的测量后，使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a到下一行或下一列上并采用相同方式对下一行或下一列上的单元格进行测量，重复上述过程，完成对待测区域中其余行或列上的单元格的测量。

进一步的，所述数据处理单元至少是通过插值算法计算出待测区域中升温区内各个待测单元格的准确平均温度。

与现有技术相比，本发明提供的一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法，至少具有如下有益效果：

(1)测试过程中，通过改变测试区域的重叠率，并利用插值算法计算出精细的温度分布，从而提高了红外测温系统的空间分辨率。

(2)采用本发明的测试方法所测量的温度误差小。

(3)采用低价格、低空间分辨率的单点比色红外测温仪，即可获取高精度、高空间分辨率的温度场分布，节约测量成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是红外测温系统初始所能解析出的温度场的空间范围示意图；

图2是本发明实施例中的红外测温系统所能解析出的温度场的空间范围示意图；

图3是本发明实施例中将测试区域划分为单元格阵列后的示意图；

图4是本发明实施例中采用不同重叠率测试得到的温度分布与真实温度分布的对比示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，通过提供一种高精度、高空间分辨率的红外测温方法，同时考虑测量的经济性，采用低价格、低空间分辨率的单点比色红外测温仪，即可获取高空间分辨率的温度场分布。相对于红外成像仪直接成像的方法，该方法获取的温度场精度更高；相对于普通的单点比色红外测温方法，该方法能够获取空间分辨率更高的温度分布。

如下将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种红外测温方法，其包括：

提供红外测温仪，其测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2；

将待测区域划分为阵列排布的多个单元格，每个单元格为边长为a的正方形区域，所述待测区域包括未升温区和升温区，所述未升温区为温度均匀区，所述温度均匀区的温度等于环境温度T₀，所述升温区的温度大于T₀；

使所述测温探头自所述待测区域的温度均匀区开始逐行或逐列对待测区域的各单元格进行测量，且在每一行或每一列上每次测量完成后使所述测温探头沿行方向或列方向平移距离a再进行下一次测量，在完成对每一行或每一列上单元格的测量后，使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a到下一行或下一列上并采用相同方式对下一行或下一列上的单元格进行测量，重复上述过程，完成对待测区域中其余行或列上的单元格的测量；

并且，在所述测温探头到达所述升温区时，在每次测量时使所述测温探头的测量范围所覆盖的k×k个单元格中一个单元格的温度是未知的，其余单元格的温度均是已知的，且该k×k个单元格的平均温度也是已知的，进而计算出该温度未知的单元格的温度。

进一步的，通过插值算法计算出该温度未知的单元格的温度。

进一步的，所述红外测温方法具体包括：

将待测区域划分为i×j个单元格，i为行数，j为列数，用单元格编号(i′，j′)表示第i′行第j′列的单元格；

在所述测温探头第一次到达所述升温区时，设所述测温探头的测量范围所覆盖的k×k个单元格的平均温度为T₁，其中编号为(i′+1，j′)的一个单元格的温度为T_{i′+1，j′}，T_{i′+1，j′}大于T₀，其余k×k-1个单元格的温度均为T₀，则依据下式I计算出坐标为(i′+1，j′)的单元格的温度T_{i′+1，j′}，

之后，使所述测温探头沿行方向或列方向平移，每次平移距离a，并依据相同方式依次继续测量出同一行或同一列上其余单元格的温度，然后使所述测温探头沿列方向或行方向平移a，再依据相同方式继续测量下一行或下一列上各单元格的温度，重复上述过程，从而完成对所述升温区内全部单元格温度的测量。

进一步的，在完成对每一行或每一列单元格的测量后，使所述测温探头回复至该行或该列上的初始测量位置，再使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a，以对下一行或下一列的单元格进行测量。

进一步的，所述红外测温仪采用单点比色红外测温仪。

进一步的，所述红外测温方法还包括：

以自动调焦系统调节所述红外测温仪的对焦，以保证所述红外测温仪的测量点的空间位置准确；

以运动工作台控制所述红外测温仪的平移速度和方向；以及

以自动化数据采集系统实时记录所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据。

进一步的，所述自动调焦系统包括CCD自动调焦系统。

本发明实施例还提供了一种红外测温系统，其包括：

单点比色红外测温仪，用于精确采集待测点附近有限区域内的平均温度；

自动调焦系统，用于调节所述红外测温仪的对焦，以保证所述红外测温仪的测量点的空间位置准确；

运动工作台，用于精确控制测量过程中所述红外测温仪的移动速度和方向；

自动化数据采集系统，用于实时记录所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据；以及

数据处理单元，用于依据所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据至少计算出待测区域中升温区内各个测量点的准确温度。

进一步的，所述红外测温仪的测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2，其中a为待测区域中任意一个正方形单元格的边长，所述待测区域被划分为阵列排布的多个单元格，每个单元格为一所述的测量点。

进一步的，所述运动工作台用于驱使所述红外测温仪的测温探头自所述待测区域的温度均匀区开始逐行或逐列对待测区域的各单元格进行测量，且在每一行或每一列上每次测量完成后使所述测温探头沿行方向或列方向平移距离a再进行下一次测量，以及，在完成对每一行或每一列单元格的测量后，使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a到下一行或下一列上并采用相同方式对下一行或下一列上的单元格进行测量，重复上述过程，完成对待测区域中其余行或列上的单元格的测量。

进一步的，所述数据处理单元至少是通过插值算法计算出待测区域中升温区内各个待测单元格内的准确平均温度。

下面，将结合附图对本发明的测温方法进行进一步的解释说明。

如图1所示，黑色方框的区域为红外测温系统初始所能解析出的空间范围，即红外测温系统一次只能测量出该区域内的平均温度。为了更精细地解析出真实的温度场，将空间分辨率提高至如图2所示的白色格子大小，本发明采用阵列的方式从温度均匀区开始测量，直至测试区域全部覆盖需要精细测量的区域。在测试过程中，温度测试结果的空间分辨率是通过改变测试区域的重叠率进行控制，精细的温度分布利用插值算法进行求解。

具体的，如图3所示，将待测区域划分为坐标系内阵列排布的多个单元格，每个单元格为边长为a的正方形区域，其中，待测区域包括未升温区(图3中的灰色区域)和升温区，未升温区为温度均匀区，温度均匀区的温度等于环境温度T₀，即温度均匀区的每个单元格的温度均为T₀，升温区的温度大于T₀。

具体的，以重叠率η＝50％的方式测试，假设红外测温仪的探头一次能测试的正方形区域的边长为2a。

则沿x轴的方向从未升温区向升温区将探头移动距离a进行测试，在探头到达升温区之前，探头覆盖区域内的平均温度测试结果一直为T₀，当探头第一次到达升温区时，测试结果开始大于T₀。

假设探头在移动过程中第一次到达升温区时所覆盖的单元格的单元格编号为(2，2)、(2，3)、(3，2)和(3，3)，所记录的平均温度为T₁，将单元格(3，3)定义为进入升温区的单元格，则根据式I得出4*T₁＝(T₂₂+T₂₃+T₃₂+T₃₃)，推导出T₃₃＝4*T₁-(T₂₂+T₂₃+T₃₂)，由于T₂₂＝T₂₃＝T₃₂＝T₀，因此T₃₃＝4*T₁-3*T₀。

继续沿x轴的方向将探头移动距离a，此时探头所覆盖的单元格编号为(2，3)、(2，4)、(3，3)和(3，4)，所记录的平均温度为T₂，则4*T₂＝(T₂₃+T₂₄+T₃₃+T₃₄)，推导出T₃₄＝4*T₂-(T₂₃+T₂₄+T₃₃)，由于T₂₃＝T₂₄＝T₀，T₃₃＝4*T₁-3*T₀已经求得，因此T₃₄＝4*T₂-4*T₁+T₀。

继续沿x轴的方向将探头移动距离a，依据上述的推导，同理可计算得到升温区的第一行内所有单元格的平均温度。

然后，将探头归位至下一行的起始位置，进一步的，将探头沿y轴方向移动距离a，进行第二行的测试，此时探头所覆盖的单元格编号为(3，2)、(3，3)、(4，2)和(4，3)。依据上述的推导，同理可计算得到升温区的第二行内所有单元格的平均温度。

进一步的，重复以上操作，同理可计算得到其余所有行内的所有单元格的平均温度。

至此，将红外测温系统的空间分辨率从2a*2a提高到a*a。

在一实施方式中，也可以按列的方式测试升温区内所有单元格的平均温度，对于本领域技术人员来讲，此方式不难理解，故不做过多描述。

在较为优选的实施方式下，也可以以重叠率η＝90％的方式测试，而此时空间分辨率将从2a*2a提高到0.2a*0.2a。

进一步的，利用以上测温方法对图2的温度场进行解析，选取过光斑中心的一条线上的温度分布进行测量。其中，红外测温仪的探头一次能测试边长为2mm×2mm的正方形区域，即红外测温仪的初始空间分辨率为2mm×2mm。分别采用无重叠、50％的重叠率和90％的重叠率进行测量，如图4所示，分别为无重叠、重叠率为50％和重叠率为90％的情况下解析出的温度分布与真实温度分布的对比。

可以看出，重叠率越大，光斑中心处的测量温度与真实温度越接近，当采用无重叠的方式测量时，光斑中心处的测量温度与真实温度的误差将达到29.3％；当采用重叠率为50％的测量方式时，该误差将降低至12.0％；当采用重叠率为90％的测量方式时，该误差迅速降低至0.6％。

同时，在温度梯度较小的区域，如远离光斑的区域，提高重叠率也会降低测量值与真实值之间的误差。总体来说，该方法能够大大改善红外测温系统的测量精度，提高测量的空间分辨率，更好的解析出精细的温度分布。

应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外测温方法，其特征在于，所述方法包括：

提供红外测温仪，其测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2；

将待测区域划分为阵列排布的多个单元格，每个单元格为边长为a的正方形区域，所述待测区域包括未升温区和升温区，所述未升温区为温度均匀区，所述温度均匀区的温度等于环境温度T₀，所述升温区的温度大于T₀；

使所述测温探头自所述待测区域的温度均匀区开始逐行或逐列对待测区域的各单元格进行测量，且在每一行或每一列上每次测量完成后使所述测温探头沿行方向或列方向平移距离a再进行下一次测量，在完成对每一行或每一列上单元格的测量后，使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a到下一行或下一列上并采用相同方式对下一行或下一列上的单元格进行测量，重复上述过程，完成对待测区域中其余行或列上的单元格的测量；

并且，在所述测温探头到达所述升温区时，在每次测量时使所述测温探头的测量范围所覆盖的k×k个单元格中一个单元格的温度是未知的，其余单元格的温度均是已知的，且该k×k个单元格的平均温度也是已知的，进而计算出该温度未知的单元格的温度。

2.根据权利要求1所述的红外测温方法，其特征在于包括：通过插值算法计算出该温度未知的单元格的温度。

3.根据权利要求2所述的红外测温方法，其特征在于具体包括：

将待测区域划分为i×j个单元格，i为行数，j为列数，用单元格编号(i′，j′)表示第i′行第j′列的单元格；

在所述测温探头第一次到达所述升温区时，设所述测温探头的测量范围所覆盖区域的k×k个单元格的平均温度为T₁，该区域左上角单元格编号为(i′-k+2、j′-k+1)，右下角单元格编号为(i′+1，j′)。如前所述右下角单元格是唯一进入温升区的单元格，该单元格内的平均温度T_(i′+1)j′大于T₀，其余k×k-1个单元格的温度均为T₀，则依据下式I计算出编号为(i′+1，j′)的单元格的平均温度T_(i′+1)j′，

之后，使所述测温探头沿行方向或列方向平移，每次平移距离a，并依据相同方式依次继续测量出同一行或同一列上其余单元格的温度，然后使所述测温探头沿列方向或行方向平移a，再依据相同方式继续测量下一行或下一列上各单元格的温度，重复上述过程，从而完成对所述升温区内全部单元格温度的测量。

4.根据权利要求1所述的红外测温方法，其特征在于还包括：在完成对每一行或每一列单元格的测量后，使所述测温探头回复至该行或该列上的初始测量位置，再使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a，以对下一行或下一列的单元格进行测量。

5.根据权利要求1所述的红外测温方法，其特征在于：所述红外测温仪采用单点比色红外测温仪。

6.根据权利要求5所述的测温方法，其特征在于还包括：

以自动调焦系统调节所述红外测温仪的对焦，以保证所述红外测温仪的测量点的空间位置准确；

以运动工作台控制所述红外测温仪的平移速度和方向；以及

以自动化数据采集系统实时记录所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据。

7.根据权利要求6所述的测温方法，其特征在于：所述自动调焦系统包括CCD自动调焦系统。

8.一种红外测温系统，其特征在于，包括：

单点比色红外测温仪，用于精确采集待测点附近有限区域内的平均温度；

自动调焦系统，用于调节所述红外测温仪的对焦，以保证所述红外测温仪的测量点的空间位置准确；

运动工作台，用于精确控制测量过程中所述红外测温仪的移动速度和方向；

自动化数据采集系统，用于实时记录所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据；以及

数据处理单元，用于依据所述红外测温仪所测量的温度数据以及测量点的坐标数据至少计算出待测区域中升温区内各个待测单元格的准确平均温度。

9.根据权利要求8所述的红外测温系统，其特征在于：所述红外测温仪的测温探头的空间分辨率为ka×ka，k≥2，其中a为待测区域中任意一个正方形单元格的边长，所述待测区域被划分为阵列排布的多个单元格，每个单元格为一所述的测量点；

所述运动工作台用于驱使所述红外测温仪的测温探头自所述待测区域的温度均匀区开始逐行或逐列对待测区域的各单元格进行测量，且在每一行或每一列上每次测量完成后使所述测温探头沿行方向或列方向平移距离a再进行下一次测量，以及，在完成对每一行或每一列单元格的测量后，使所述测温探头沿列方向或行方向平移距离a到下一行或下一列上并采用相同方式对下一行或下一列上的单元格进行测量，重复上述过程，完成对待测区域中其余行或列上的单元格的测量。

10.根据权利要求8所述的红外测温系统，其特征在于：所述数据处理单元至少是通过插值算法计算出待测区域中升温区内各个待测单元格的准确平均温度。

Images