郭珂等

摘 要：為改進(jìn)因測(cè)量距離增大引起的紅外測(cè)溫精度不高的問(wèn)題，建立一種新的溫度補(bǔ)償方法。該方法研究引起測(cè)量誤差的主要影響因素、紅外測(cè)溫的基本原理以及紅外能量衰減規(guī)律后，推導(dǎo)出溫度補(bǔ)償公式。滿足一定條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的溫度進(jìn)行比較，獲得較為精確的溫度值，從而驗(yàn)證方法的有效性。

關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫 影響因素 精度提高 補(bǔ)償方法

中國(guó)分類號(hào)：TP202+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）009-025-03

1 引言

溫度是表征物質(zhì)狀態(tài)的主要參數(shù)之一。目前，測(cè)溫方法主要分為接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫。后者主要以紅外測(cè)溫為主。由于是非接觸測(cè)溫，故測(cè)溫結(jié)果受到中間介質(zhì)的影響比較大，當(dāng)距離超過(guò)一定范圍時(shí)，紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫精度將會(huì)降低，從而導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確。

紅外輻射在大氣傳播過(guò)程中，不可避免地要受到各種因素的干擾。目前提高測(cè)溫精度的方法主要通過(guò)搭建特定的測(cè)溫系統(tǒng)和傳感器后級(jí)補(bǔ)償電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如儀器內(nèi)部的溫度漂移和增益補(bǔ)償、鏡頭視場(chǎng)外的輻射補(bǔ)償以及不同季節(jié)下的操作溫度補(bǔ)償。但此方法存在可變性差，只有在標(biāo)稱環(huán)境下使用才能達(dá)到較高精度的缺點(diǎn)。進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償公式與系統(tǒng)本身參數(shù)有關(guān)，導(dǎo)致補(bǔ)償方法復(fù)雜難懂，適用條件苛刻，實(shí)用性不強(qiáng)。為此，作者通過(guò)對(duì)影響紅外測(cè)溫精度的因素、紅外輻射的基本原理進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究，提出了一種新的溫度補(bǔ)償方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將所測(cè)溫度與被測(cè)目標(biāo)的真實(shí)參考溫度做對(duì)比分析，并在不同的測(cè)溫距離下，利用補(bǔ)償公式得到一個(gè)相應(yīng)的溫度差值，使測(cè)溫儀的精度得到提高。相比目前的溫度補(bǔ)償方法，該方法具有簡(jiǎn)單易懂，應(yīng)用方便，且不需要知道測(cè)量?jī)x器的詳細(xì)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于工業(yè)測(cè)溫應(yīng)用領(lǐng)域獲取設(shè)備運(yùn)行精確溫度參數(shù)具有重要意義。

2 紅外測(cè)溫原理

自然界中任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外界輻射紅外電磁波。通過(guò)對(duì)物體紅外輻射能量的測(cè)量，來(lái)確定其表面溫度，這就是紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。

1900年，普朗克提出了黑體輻射量子假設(shè)后，利用諧振子能量分布應(yīng)該滿足麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計(jì)，求得普適函數(shù)表示如下，用波長(zhǎng) 可表示如下：

（4）

式（4）表示大氣介質(zhì)中輻射電磁波的衰減遵循指數(shù)衰減規(guī)律，稱為波爾蓋定律。

在接近地面的大氣中，對(duì)紅外輻射吸收起到了主導(dǎo)作用的是水蒸氣和二氧化碳。

3.2 環(huán)境對(duì)紅外輻射的散射作用

當(dāng)紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，大氣分子會(huì)引起輻射散射。散射可以看做是光子與大氣分子發(fā)生彈性碰撞，改變了輻射方向，使得本應(yīng)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)的能量并沒(méi)有被吸收，從而造成誤差。大氣中云、霧、水滴的半徑分子大小與紅外波長(zhǎng)差不多，對(duì)紅外輻射具有強(qiáng)烈的散射作用。對(duì)于散射作用電磁波強(qiáng)度的衰減和傳輸距離關(guān)系可用下式表示：

W=W0e- x （5）

由式（4）和（5）可見(jiàn)，無(wú)論對(duì)與吸收還是散射，紅外電磁波能量都隨距離增大成指數(shù)衰減。

4 補(bǔ)償方法

大氣對(duì)紅外能量的衰減作用，隨著測(cè)量距離的增大而增大，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)引起測(cè)量誤差，本方法就是針對(duì)該誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

假設(shè)儀器設(shè)定的發(fā)射率為 1，物體的實(shí)際發(fā)射率為 2，根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，設(shè)在距離R時(shí)紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度為T1，物體的表面溫度T2、環(huán)境溫度T0之間的關(guān)系可以表示為：

（10）

式（10）中： 為消光系數(shù)，此公式為進(jìn)行溫度修正的理論依據(jù)。

在測(cè)量環(huán)境較為穩(wěn)定時(shí)，忽略大氣散射和其它因素對(duì)紅外輻射的影響，近似大氣消光系數(shù)為 = + ，通過(guò)上式較為準(zhǔn)確地求解出被測(cè)目標(biāo)表面的真實(shí)溫度。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)條件及儀器

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，其測(cè)量環(huán)境穩(wěn)定，大氣消光系數(shù)近似為常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)儀器為在線式紅外測(cè)溫儀IS-500V，測(cè)溫范圍：0-500℃，對(duì)應(yīng)正比輸出0-5V；吸收光譜波長(zhǎng)為：8-14 m；參考發(fā)射率：0.95固定；距離系數(shù)：1：30。

被測(cè)物體使用聚丙烯樹脂密封盒（發(fā)射率0.920.95）。

5.2 實(shí)驗(yàn)方法與分析

將被測(cè)物均勻加熱至80℃，利用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量被測(cè)物體的表面溫度，作為其真實(shí)溫度。用紅外測(cè)溫儀以20cm為單位不斷增加測(cè)量距離，并記錄該測(cè)量距離時(shí)紅外測(cè)溫儀所顯示的溫度。得到溫度-距離的關(guān)系，見(jiàn)表1。

由公式（4）（5）可知，紅外輻射在大氣中的透過(guò)率呈現(xiàn)指數(shù)衰減。測(cè)溫儀所測(cè)物體溫度是對(duì)其接收到紅外能量的一種體現(xiàn)。由公式（2）給出的斯蒂芬-波爾茲曼定律表明對(duì)于同一材質(zhì)的物體，其溫度與輻射紅外能量是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，紅外測(cè)溫儀所測(cè)溫度大小可以反映距離對(duì)紅外輻射的衰減作用強(qiáng)弱。溫度與測(cè)量距離關(guān)系已由公式（10）給出。

利用實(shí)驗(yàn)中測(cè)得T2、T0、T1和R的大小，可以繪出T14-T04—R曲線，對(duì)其進(jìn)行擬合，便可得到消光系數(shù) ，如圖1所示。

將 代入公式（10）中求出修正后的溫度值T1，并將其與參考溫度進(jìn)行比較，可得到被測(cè)目標(biāo)參考溫度、紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度以及紅外測(cè)溫儀修正后的溫度與距離關(guān)系曲線。

圖2所示虛線是物體真實(shí)溫度曲線，由圖可知，隨著測(cè)量距離增大，測(cè)量溫度減小很快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了被測(cè)物體真實(shí)溫度減小速度，造成測(cè)量誤差。當(dāng)測(cè)量距離為400cm時(shí)，物體真實(shí)溫度與測(cè)量溫度相差15℃，相對(duì)誤差超過(guò)20%。帶“*”的曲線是經(jīng)過(guò)修正后的溫度變化曲線，它分布在物體真實(shí)溫度曲線附近，測(cè)量誤差小于1℃，相對(duì)誤差小于1.5%。相比于沒(méi)有修正時(shí)，誤差明顯減小。

6 結(jié)束語(yǔ)

由理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，在一定的距離范圍內(nèi)，紅外測(cè)溫儀測(cè)量值隨著測(cè)量距離的增加而不斷減小，引起測(cè)量誤差，往往使之達(dá)不到測(cè)量精度要求。這就要求實(shí)際測(cè)量時(shí)必須利用補(bǔ)償模型來(lái)修正由于大氣衰減以及環(huán)境的影響。根據(jù)公式（10）建立的溫度補(bǔ)償公式，將測(cè)量溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，可大幅提高測(cè)量精度。該補(bǔ)償方法在應(yīng)用時(shí)，要求測(cè)量環(huán)境環(huán)境溫濕度恒定、被測(cè)物發(fā)射率和儀器參考發(fā)射率盡量一致，這樣才能使衰減系數(shù)基本為一定值，達(dá)到補(bǔ)償效果。該方法原理簡(jiǎn)單，通俗易懂，方法實(shí)用，適用于如測(cè)量室內(nèi)電力設(shè)備運(yùn)行溫度等諸多場(chǎng)合，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

（基金項(xiàng)目：重慶大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)1210611025））

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