CN1724984A - 红外测温仪的测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪器仪表领域的一种红外测温仪的测温方法。本发明采用更加有效的物理模型进行数据处理，采用键盘输入方式，求得运算参数并根据红外辐射能量值来最终求出被测物体的温度值。本发明有效地克服了当前红外测温仪实际使用过程中用户难以确定被测物体辐射率ε(λ.T)的具体数值这样一个实际的问题，还可以使一些因被测物体难以满足黑体条件，或者因环境条件复杂而不能用红外测温仪解决的问题得到解决。

Description

红外测温仪的测温方法

所属领域

本发明属于仪器仪表领域的红外测温仪，尤其是一种红外测温仪的测温方法。

背景技术

红外测温仪是一种高精度的非接触式测温仪器，它通过光学系统接收被测物的红外辐射能量而后转变成电信号，再经过微计算机处理，由显示器直接将测试的温度显示出来。红外测温仪内部的微计算机处理信号的依据，是仪器接收到的红外辐射能量和被测物温度之间的函数关系。

目前，国内外的红外测温仪，一律按理想黑体模型的热辐射规律来设计，即把被测物体假想成理想黑体，“理想黑体”的具体表现方式是“标准黑体”，该“标准黑体”在世界各国计量法中被列入强制检定的计量器具目录。但是，我们面临的问题是：被测物是形形色色的物体，具有各种各样的热辐射条件。因此在实际红外测温仪的应用过程中，必须找出理想黑体的热辐射规律和各种实际被测物体的热辐射规律之间的关系，才能得到真实的结果。然而，长期的传统理论使人们过于简单化地认为理想黑体和实际被测物体的区别仅仅是辐射率的不同，因此在寻找理想黑体和实际被测物的热辐射规律之间的关系时，遇到了长期难以解决的辐射率修正困难，难以求出实际的温度值。

现有技术所采用的测量公式和测试方法的原理如下：

一、采用理想黑体物理模型的原理：

理想黑体是一个理想化的物理模型，它表现的是能够完全吸收入射辐射并具有最大发射率的物体，其光谱辐射能量可用Plank公式表述：

E₀(λ.T)＝C₁λ^-5(e^C2/λT-1)^-1    ①

在公式①中，E₀(λ.T)为黑体发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1；C₁＝3.74×10^-12W·cm^-2，称为第一辐射常数；C2＝1.44cm·K，称为第二辐射常数；λ为光谱辐射时的波长，单位为μm；T为黑体的理想温度，单位为K。

以上只是理想黑体标准的物理模型，而自然界中实际存在的物体(被测物体)，其吸收能力及辐射能力都比理想黑体小(称之为灰体)。为了修正理想黑体与灰体之间的误差值，人们又设计了与实际相接近的物理模型，该灰体的光谱辐射能量公式为：

E(λ.T)＝ε(λ.T)·E₀(λ.T)    ②

该公式中ε(λ.T)为被测物体在温度为T、辐射波长λ时的辐射率，其中

0＜ε(λ.T)＜1。

公式②说明黑体按热辐射规律设计的红外测温仪，实际上就是假设光学系统接收到的热辐射与E₀(λ.T)成比例，采用调整参数ε(λ.T)来提高测试精度。但红外测温仪实际接收到的热辐射是与E(λ.T)成比例的。因此在使用红外测温仪时，必须求出被测物体的ε(λ.T)的数值，即进行辐射率修正方可。遗憾的是，辐射率ε(λ.T)与被测物体的材料、表面状态、波长、温度以及辐射条件、环境因素均有复杂的关系，不能写出具体的表达式，因此，用户很难准确地确定ε(λ.T)的数值，这就是目前使用红外测温仪时遇到的辐射率修正困难。

二、采用目前公知的红外测温仪中微机处理信号的物理模型(按工作方式分为窄带和宽带)：

1.对于工作波段为窄带的红外测温仪：

公式：E₀(λ₀.T)＝C₁λ₀ ^-5·e^-C2/λ0T  ③

E(λ₀.T′)＝ε(λ₀.T′)·E₀(λ₀.T)    ④

在公式③中，E₀(λ₀.T)为理想黑体发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1；C₁＝3.74×10^-12W·cm^-2，称为第一辐射常数；C2＝1.44cm·K，称为第二辐射常数；λ₀为红外测温仪的工作波长，单位为μm；T为黑体的绝对温度，单位为K；

公式④中，E(λ₀.T′)为实际被测物体(灰体)发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1，T′为被测物体的温度；ε(λ₀.T′)为被测物体的温度为T′、辐射波长为λ₀时的辐射率(0＜ε(λ₀.T′)＜1)。ε(λ₀.T′)的具体值很难确定，需要由用户自己通过仪器上的ε值设定键来设定。

2.对于工作波段为宽带的红外测温仪：

公式：E₀(λ.T)＝σT⁴    ⑤

E(λ₀.T′)＝ε(λ₀.T′)·E₀(λ.T)    ⑥

公式⑤、⑥中，E₀(λ.T)为理想黑体的单位辐射出射度，包括各种波长在内的总功率，单位为W/cm²；σ＝5.67×10^-12W/cm²·K⁴，该参数称为斯忒藩常数，T为理想黑体的温度。E(λ₀.T′)为实际被测物体(灰体)的单位辐射出射度，包括各种波长在内的总功率，单位为W/cm²；T′为被测物体的温度，ε(λ₀.T′)为被测物体温度为T′、辐射波长为λ₀时的辐射率，其中0＜ε(λ₀.T′)＜1；λ₀为仪器工作波段的中心波长。ε(λ₀.T′)的具体数值很难确定，需要由用户通过仪器上的ε值设定键自己设定。

目前的红外测温仪一律采用“标准黑体”来校准，标准黑体的温度由热电偶温度计来控制，这要求红外测温仪测量黑体温度的结果与已知的控温温度一致。按上述要求校正的红外测温仪，只能测出真实物体的“亮温”(即真实物体发射的红外辐射功率，与温度为T的黑体发射的红外辐射功率相等，T就称为真实物体的亮温)。至于被测物体的真实温度，只能由用户自己设定了物体的辐射率ε具体数值后方可得到。

总之，现有的红外测温仪所采用的测温方法与被测物体的实际温度有较大偏差，只能测量被测物体的“亮温”，而实际温度很难确定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种解决辐射率修正困难、能直接测量被测物体实际温度，且测温精度高的红外测温仪的测温方法。

本发明的目的是这样实现的：

红外测温仪的测量方法为：

(1).通过温度标准测量仪器测出被测物体的系列标准温度值T_i，同时采用处于校准状态下的红外测温仪测出被测物体对应于上述标准系列温度值T_i的系列热辐射信号电压U_i(T_i)，其中上述i＝1.2.3.…N，将测得的数据输入到PC机进行数据处理，该PC机数据处理所采用的物理模型为：

对于工作波段为窄带的红外测温仪，采用的物理模型为：

U(T)＝Ae^B/T

作指数回归，求出运算参数A、B的具体数值；

对于工作波段为宽带的红外测温仪，采用的物理模型为：

U(T)＝f(A、B、C、D、T)

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出运算参数A、B、C、D的具体数值；

(2).将所求得的窄带或者宽带的运算参数输入到红外测温仪系统内，即完成窄带或者宽带工作波段红外测温仪的校准；

(3).使用红外测温仪对进入测温状态的被测物体实施测温，以接收到被测物体的红外辐射能量值；

(4).通过红外测温仪系统内的微计算机按物理模型进行运算处理，即可求出被测物体的温度值；

(5).温度值通过显示器予以显示。

上述的温度标准测量仪器为热电偶温度计或者水银温度计；输入系统采用的方式为键盘输入方式。

本发明的优点和积极效果是：

本测温方法有效地克服了当前红外测温仪实际使用过程中用户难以确定被测物体辐射率ε(λ.T)的具体数值这样一个实际的问题，还可以使一些因被测物体难以满足黑体条件，或者因环境条件复杂而不能用红外测温仪解决的问题得到解决。

应用本发明设计的仪器，原则上可以实现针对用户面临的具体测量条件来设计红外测温仪的目标(这里所说的测量条件包括被测物体的辐射率、背景辐射、介质吸收、仪器的工作波段等诸多影响仪器光学系统接收被测物体红外辐射能量的因素。)。

通过实验，采用上述仪器和方法，已用对被测物体设定的最小目标为1mm的仪器来对φ0.075mm的灯丝温度进行测量，仍然在足够大的量程内，取得了高精度的测量结果，并因此发现金属电子逸出功的测定实验中存在着大约-1.86％的系统误差。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明的数据处理原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

参见图1的工作原理图：标号1为被测物体，标号2为光学系统，标号3为红外探测器，标号4为放大电路，标号5为微计算机，标号6为输入键盘，标号7为显示器。

一、本发明所述的测温方法首先要进行校准，采用的方式为：

用标准仪器(例如热电偶温度计、水银温度计等)对被测物体可能的温度变化范围测出一系列温度T_i，同时用处于校准状态的本发明测出相应的一系列热辐射信号电压U_i(T_i)，i＝1，2，3，4……N。将得到的N组数据用下列方法进行处理：

1.对于工作波段为窄带的红外测温仪，将上述数据输入任一安装以下物理模型的PC机进行数据处理，该物理模型为：

U(T)＝Ae^B/T

作指数回归，求出A、B的具体数值。

2.对于工作波段为宽带的红外测温仪，将上述数据输入任一安装以下物理模型的PC机进行数据处理，该物理模型为：

U(T)＝f(A、B、C、D、T)

将数据该物理模型并作最小二乘法拟合，求出A、B、C、D的具体数值。

二、将所求得的运算参数通过键盘(数字键盘)输入到红外测温仪系统内，完成窄带或者宽带工作波段红外测温仪的校准。即将求出的参数A、B输入到工作波段为窄带的红外测温仪系统中，或者将求出的参数A、B、C、D输入到工作波段为宽带的红外测温仪的系统中。

三、使用红外测温仪对被测物体测温(参见图1)，通过系统内的微计算机接收被测物体的红外辐射能量值E(T)。

四、通过红外测温仪系统内的微计算机按物理模型(宽带或者窄带)进行运算处理，即可求出被测物体的温度值T。

五、该温度值T通过显示器予以显示。

下面通过图2的数据处理原理图，叙述数据处理的原理为：

1.由程序录入器输入计算机数据处理程序，将原始数据输入后保存在存储器的“只读存储器”中，微计算机的主要任务是计算处理物理模型。

2.由键盘输入计算机的数据保存在存储器的“随机存储器中”(关机时数据丢失)或“可改写只读存储器”中(关机时数据不丢失)，主要目的是提供反映测量条件的各参数的具体数值：对于工作波段为窄带的红外测温仪，是物理模型中的A、B的具体值；对于工作波段为宽带的红外测温仪，是物理模型中的A、B、C、D的具体数值。

3.由红外测温仪光学系统收集到的被测物体辐射的红外信号，经放大器放大后得到电信号(图中用光学及放大器表示)，该电信号保存在存储器的“随机存储器”中，该信号值除以放大器的放大倍数后，即可求出红外测温仪接收到的红外辐射信号的大小，即E(T)。

此外，目前的红外测温仪一般只有三个键，即设定键、上翻键和下翻键，用来改变显示状态和设定ε值。本发明增加了0～9这十个数字键，以便将反映测量条件的具体参数的具体数值进行输入。由于本方法可应用在各种红外测温仪中，只需在现有的红外测温仪中增加0～9十个数字键的键盘即可，而且也保留原红外测温仪的set、△、三个功能键，因此不再给出红外测温仪的图示。

最佳实施例：

已用窄带新型红外测温仪样机(设计的最小被测物体的直径为φ1mm)，对“金属电子逸出功测定”实验专用“标准二极管”的灯丝(φ0.075mm)做温度测量，具体测量原理为：

根据理想二极管阴极加热电流I_f和阴极温度的对照表(电特性法)很容易通过调节加热电流I_f来改变阴极温度T_K使其达到给定值。使红外测温仪处于“电压”显示方式，这时仪器显示的“电压”值实际上反映的是仪器接收到的热辐射信号强度。实验以理想二极管阴极灯丝为被测对象，可测出对应于一系列灯丝温度和红外测温仪接收到的相应热辐射功率(即所显示的电压)后，作指数回归，即可求出适用于理想二极管的A、B值。注意，实验中仪器显示的电压值V即是的U(T)。

最终结果如下：

1.按照黑体模型校准时得到的A、B值为：

A₀＝7965146；B₀＝-14917.5

2.按实际测量条件校准时，得到的A、B值为：

A＝1055154；B＝-15835.42

3.实测结果于标准值做对比如下(共实验6组)：

标准温度值(K)           1730    1810    1897    1980    2054    2135

现场校准后的实测值(K)   1739    1810    1894    1974    2053    2126

黑体模型校准后实测值    1298    1360    1413    1457    1501    1539

(K)(未做辐射率修正)

Claims (3)

1.一种红外测温仪的测量方法，其特征在于：

测量方法为：

(1).通过温度标准测量仪器测出被测物体的系列标准温度值T_i，同时采用处于校准状态下的红外测温仪测出被测物体对应于上述标准系列温度值T_i的系列热辐射信号电压U_i(T_i)，其中上述i＝1.2.3.…N，将测得的数据输入到PC机进行数据处理，该PC机数据处理所采用的物理模型为：

对于工作波段为窄带的红外测温仪，采用的物理模型为：

U(T)＝Ae^B/T

作指数回归，求出运算参数A、B的具体数值；

对于工作波段为宽带的红外测温仪，采用的物理模型为：

U(T)＝f(A、B、C、D、T)

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出运算参数A、B、C、D的具体数值；

(2).将所求得的窄带或者宽带的运算参数输入到红外测温仪系统内，即完成窄带或者宽带工作波段红外测温仪的校准；

(3).使用红外测温仪对进入测温状态的被测物体实施测温，以接收到被测物体的红外辐射能量值；

(4).通过红外测温仪系统内的微计算机按物理模型进行运算处理，即可求出被测物体的温度值；

(5).温度值通过显示器予以显示。

2.根据权利要求1所述的红外测温仪的测温方法，其特征在于：所采用的温度标准测量仪器为热电偶温度计或者水银温度计。

3.根据权利要求1所述的红外测温仪的测温方法，其特征在于：输入系统采用的方式为键盘输入方式。

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