廖盼盼，張佳民

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紅外測(cè)溫精度的影響因素及補(bǔ)償方法的研究

廖盼盼，張佳民

（上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

為了減少紅外測(cè)溫儀的測(cè)量誤差，提高紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫精度，分析了距離、發(fā)射率和外界環(huán)境溫度等因素對(duì)紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的影響；建立了紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，通過分析驗(yàn)證可得距離因素對(duì)紅外輻射測(cè)溫精度有較大的影響，并且存在一定的關(guān)系，從而為提高紅外測(cè)溫精度的提供了依據(jù)；設(shè)計(jì)了一套提高紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測(cè)出被測(cè)物與紅外測(cè)溫儀之間的距離，根據(jù)測(cè)出的結(jié)果得到距離補(bǔ)償公式，然后依據(jù)公式得出溫度的距離補(bǔ)償，從而得到物體的實(shí)際溫度。最后分析可得，紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度能夠大幅提高。

紅外輻射測(cè)溫；測(cè)量精度；距離補(bǔ)償

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電能的需求越來越大，國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性的要求也越來越高，這就對(duì)傳統(tǒng)電氣設(shè)備的安全有了更高的要求?，F(xiàn)如今的電力系統(tǒng)的發(fā)展將向高電壓、大容量發(fā)展，設(shè)備的輸送能力不斷增加，從而引起設(shè)備的溫度不斷升高，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞的問題時(shí)有發(fā)生，如若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。

目前在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中對(duì)電氣設(shè)備溫度的測(cè)量大多數(shù)采用手持式紅外測(cè)溫儀或紅外熱像儀。由于紅外熱像儀價(jià)格昂貴，若大量的使用于變電站就顯得不切實(shí)際。

紅外測(cè)溫技術(shù)作為一種典型的非接觸式測(cè)溫技術(shù)，它具有準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍廣、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)[4]。

用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，存在一些影響紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度的外在因素，其中的主要因素有：目標(biāo)物與紅外測(cè)溫儀之間的距離、目標(biāo)物的發(fā)射率、外界環(huán)境條件（如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境輻射和風(fēng)力影響等）[5]。本文主要分析距離因素對(duì)紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度的影響，擬通過設(shè)計(jì)一個(gè)距離補(bǔ)償系統(tǒng)來提高紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度。

1 紅外測(cè)溫儀的工作原理及影響測(cè)量精度的因素

1.1 紅外測(cè)溫儀的工作原理

紅外測(cè)溫儀又稱為點(diǎn)溫儀，是一種非成像的、只能監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)或小視場(chǎng)范圍內(nèi)的平均溫度的監(jiān)測(cè)儀器?；窘Y(jié)構(gòu)包括紅外探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)與信號(hào)放大、結(jié)果顯示等幾個(gè)主要功能部分。紅外測(cè)溫儀的工作原理框圖如圖1所示[6]。

圖1 紅外測(cè)溫儀的工作原理框圖

圖1所表示的是一個(gè)具有目視瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)溫儀，其工作過程可以描述為：首先光學(xué)系統(tǒng)將收集目標(biāo)物的紅外輻射能量，并通過45°反射分光鏡將接收到的輻射能量經(jīng)透鏡匯聚，通過濾光片處理后被紅外探測(cè)器接收，探測(cè)器將接收到的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)放大器放大和處理，由顯示器顯示目標(biāo)物體的溫度。

1.2 影響測(cè)量精度的因素

熱輻射指的是物體由于自身溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。如果物體的溫度在絕對(duì)零度之上就會(huì)向周圍環(huán)境發(fā)出紅外輻射能，其大小與物體表面溫度分布情況密切相關(guān)。所以，一旦探測(cè)出物體表面發(fā)出的紅外輻射能量，就可以獲得物體的表面溫度。

常溫下的物體，由于本身的分子和原子做無規(guī)則自由運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了紅外輻射。物體的無規(guī)則自由運(yùn)動(dòng)越劇烈，代表紅外輻射能量就越大，從而物體的表面溫度就越高，相反，紅外輻射能量越小，物體的表面溫度就越低。因此，通過測(cè)量物體自身的輻射能量，就可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的表面溫度，這就是紅外測(cè)溫儀測(cè)量物體表面溫度的理論基礎(chǔ)[7]。

依據(jù)這一思想推導(dǎo)出的普朗克黑體輻射定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律、維恩位移定律和郎伯余弦定律，它們都定量描述了溫度與紅外輻射能量強(qiáng)度的關(guān)系，因此可以得到物體的表面溫度與熱輻射能量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

()＝4(1)

式中：為物體的表面溫度；()為物體輻射功率；為斯蒂芬-玻爾茲曼常量；為物體表面發(fā)射率。

由公式(1)可知，紅外測(cè)溫儀所測(cè)量的物體的表面溫度與()、和的大小有關(guān)。其中，物體輻射功率()主要受空氣中的成分、附近的輻射能量和測(cè)溫距離等外界條件的影響。物體的發(fā)射率主要受物體自身的屬性因素影響。因此，被測(cè)物體的溫度會(huì)因?yàn)槲矬w的所處的環(huán)境溫度、物體的表面發(fā)射率和測(cè)量距離等因素的改變，使得紅外測(cè)溫儀測(cè)到的物體表面溫度也有所變化，從而對(duì)紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度產(chǎn)生較大的影響。

1.3 紅外測(cè)溫的誤差分析

1）環(huán)境因素：被測(cè)目標(biāo)所處的外界環(huán)境因素如環(huán)境溫度和大氣吸收等對(duì)紅外測(cè)溫儀的測(cè)量結(jié)果也有較大的影響，這里主要考慮環(huán)境溫度的影響。假如被測(cè)物體的溫度為1，外界環(huán)境溫度為2，那么該物體在單位面積內(nèi)發(fā)出的輻射能量為14，吸收的輻射能量為24，那么就可以得出物體的凈輻射能[8]為：

＝14－24(2)

式中：為被測(cè)物體的單位面積；、分別為被測(cè)物體的發(fā)射率和物體的吸收率。

若待測(cè)物體的和相等，則：

＝(14－24) (3)

隨著外界環(huán)境溫度2的改變，測(cè)量結(jié)果也將會(huì)隨著改變。

2）發(fā)射率：發(fā)射率指的是物體的輻射能力與在相同溫度下黑體的輻射能力之比，是一個(gè)在0和1之間變化并且衡量物體輻射能力強(qiáng)弱的數(shù)值。

假設(shè)目標(biāo)物的實(shí)際發(fā)射率為1，紅外測(cè)溫儀設(shè)定的發(fā)射率為2，根據(jù)紅外輻射測(cè)溫定律，目標(biāo)物的真實(shí)溫度1和紅外測(cè)溫儀測(cè)量出的溫度2、環(huán)境溫度0之間的關(guān)系為[9]：

1(14－04)＝2(24－04) (4)

當(dāng)被測(cè)目標(biāo)物的實(shí)際發(fā)射率1為0.95，紅外測(cè)溫儀設(shè)定的發(fā)射率2為0.98，假如外界環(huán)境溫度0為20℃，紅外測(cè)溫儀測(cè)得溫度為2＝50℃，根據(jù)計(jì)算可以得到物體實(shí)際的溫度為50.38℃。如果被測(cè)目標(biāo)物的實(shí)際發(fā)射率改為0.8，紅外測(cè)溫儀測(cè)得溫度依然為50℃時(shí)，計(jì)算可得物體真實(shí)的溫度為52.54℃，這樣導(dǎo)致了比較大的誤差。一般要減少測(cè)量誤差，首先要清除待測(cè)物體的發(fā)射率，然后再進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。一般的電力設(shè)備的發(fā)射率在0.85～0.95，所以多數(shù)使用的紅外測(cè)溫儀的發(fā)射率一般固定在0.95[10]。

3）距離系數(shù)：距離系數(shù)（）是對(duì)紅外測(cè)溫儀分辨率的一種度量，是指被測(cè)物體到紅外測(cè)溫儀的距離與測(cè)量物體的直徑之間的比值，越大，分辨率越高。當(dāng)距離增加時(shí)，會(huì)使紅外測(cè)溫儀測(cè)得的物體的尺寸在瞬時(shí)視場(chǎng)面積的倍數(shù)減小，當(dāng)被測(cè)物體不能充滿視場(chǎng)時(shí)，那么輸出數(shù)據(jù)就會(huì)減少，從而產(chǎn)生了誤差。為了提高紅外測(cè)溫儀測(cè)溫精度，所以目標(biāo)物體務(wù)必要在瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)，而且要有適量的富余，因此距離系數(shù)的選擇就顯得格外的重要。

本文擬通過對(duì)同一物體在不同距離不同溫度的情況下，對(duì)紅外測(cè)溫儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定距離因素對(duì)測(cè)溫精度的影響程度。設(shè)計(jì)一套基于距離補(bǔ)償?shù)募t外測(cè)溫系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)來提高紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度。

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

在室溫一定的情況下，用測(cè)溫儀在不同距離對(duì)標(biāo)準(zhǔn)黑體進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)得黑體分別在不同溫度50℃（323K）、60℃（333K）、70℃（343K），不同距離的情況下得到的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同距離不同溫度測(cè)得的溫度

利用表1所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)，利用三階多項(xiàng)式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出溫度在50℃、60℃、70℃時(shí)，不同的距離-溫度擬合曲線，如圖2所示。

由上述分析可得紅外輻射測(cè)溫受距離因素的影響較大，因此在測(cè)溫距離不斷發(fā)生變化的情況下，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)有較高的精準(zhǔn)度，那么溫度的距離補(bǔ)償就顯得很有必要。

圖2 距離-溫度擬合曲線

3 距離補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

首先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體和紅外測(cè)溫儀之間的距離，得到測(cè)量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得出公式，依據(jù)公式得出溫度的距離補(bǔ)償值，最后就可以得出補(bǔ)償后的被測(cè)物體的真實(shí)溫度值。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

建立的基于距離補(bǔ)償?shù)募t外測(cè)溫系統(tǒng)是由紅外測(cè)溫儀、單片機(jī)、超聲波傳感器和標(biāo)準(zhǔn)黑體構(gòu)成的。首先紅外測(cè)溫儀測(cè)量被測(cè)黑體的溫度，并且由黑體的溫度作為物體的真實(shí)溫度，然后再與紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度比較，得出在不同的距離的情況下紅外測(cè)溫儀的測(cè)量數(shù)據(jù)有所不同的結(jié)論。然后通過超聲波傳感器測(cè)出兩者之間的距離，并根據(jù)測(cè)出的數(shù)據(jù)得出距離補(bǔ)償公式。最后在單片機(jī)內(nèi)按照補(bǔ)償公式進(jìn)行編程下載，最后計(jì)算后出補(bǔ)償后的溫度，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的距離補(bǔ)償。測(cè)溫系統(tǒng)的總體框圖如圖3。

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)整體框圖

1）紅外測(cè)溫儀：本系統(tǒng)中，采用紅外測(cè)溫儀的型號(hào)為JRTS80的在線式紅外測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀具有抗電磁干擾、抗水蒸氣、抗煙霧等特點(diǎn)，可進(jìn)行小目標(biāo)測(cè)量，可直接與多種儀表、設(shè)備、PC機(jī)等連接。測(cè)量范圍為0℃～300℃，其系統(tǒng)測(cè)量精度為±0.5%±2℃。

2）單片機(jī)：本系統(tǒng)采用SM5964作為硬件電路設(shè)計(jì)的核心芯片，與傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)相比，SM5964是一種內(nèi)嵌64KB閃存和1k字節(jié)RAM的8位單片微控制器，具備在系統(tǒng)可編程（in-system program- mmability，ISP）功能，其中PDIP封裝有32個(gè)I/O口，而PLCC/QFP封裝有36個(gè)I/O口。SM5964具有強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使它成為一種高性價(jià)比的控制器。

3）超聲波單元：控制芯片SM5964發(fā)送8個(gè)40kHz的方波以驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器，由于單片機(jī)的電壓信號(hào)較低，運(yùn)用芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，提高發(fā)射能量，增大測(cè)量范圍；通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算得到測(cè)試的距離。從而，根據(jù)測(cè)得的溫度值，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償或修正，消除距離帶來的附加誤差。

3.2 數(shù)據(jù)處理和改進(jìn)的效果

從表1可以看出，在一定的外界條件下，對(duì)于同一被測(cè)目標(biāo)物，隨著測(cè)溫距離的不同，紅外測(cè)溫儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)也有所不同，為了提高紅外測(cè)溫儀的測(cè)量精度，就有必要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。利用MATLAB軟件擬合工具箱進(jìn)行測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度(,)的數(shù)據(jù)關(guān)系分析，結(jié)合測(cè)試距離得到數(shù)據(jù)模型為：

(,)＝＋＋＋2＋2＋(5)

經(jīng)擬合工具得到參數(shù)集為＝－3.682，＝－3.084，＝1.155，＝0.4635，＝0.05213，＝－0.001575。

通過單片機(jī)并在其內(nèi)按照數(shù)學(xué)模型公式進(jìn)行編程下載，經(jīng)過計(jì)算后得到補(bǔ)償后的溫度。表2為當(dāng)黑體溫度為50℃、60℃、70℃時(shí)，不同距離處補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)。

表2 不同距離處補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)

利用表2所補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)，利用多項(xiàng)式對(duì)修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出溫度在50℃、60℃、70℃補(bǔ)償后的不同的距離-溫度擬合曲線，如圖4所示。

經(jīng)過距離補(bǔ)償系統(tǒng)后的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)表2可以看出，當(dāng)黑體溫度為50℃時(shí)，當(dāng)距離從0.5～4.0 m改變時(shí)，測(cè)溫誤差減少到0.1℃。當(dāng)黑體溫度為60℃和70℃時(shí)，在距離為4.0m時(shí)誤差值最大，分別為1.2℃和1.3℃，但仍比補(bǔ)償前的誤差7.4℃和9.0℃有了明顯的改善。因此，距離的變化對(duì)測(cè)溫精度有較大的影響。

圖4 補(bǔ)償后的距離-溫度擬合曲線

4 結(jié)論

從表1可以看出，當(dāng)目標(biāo)物溫度為50℃、60℃和70℃時(shí)，在測(cè)量距離4.0m處誤差最大，但是經(jīng)過距離補(bǔ)償后，發(fā)現(xiàn)距離-溫度的擬合曲線得到大大的改善，因此可以得出測(cè)量距離的大小對(duì)紅外測(cè)溫儀是否精確是有很大的影響，在忽略外界的一些條件下，可以通過此方法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)校正，得到比較精確的結(jié)果，這種方法在理論、實(shí)踐上具有一定的可行性。

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Research on Influence Factors for Measuring and Method of Correction in Infrared Thermometer

LIAO Panpan，ZHANG Jiamin

（School of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China）

In order to reduce the measurement error and improve temperature measurement accuracy of the infrared thermometer, the effect of distance, emissivity, ambient temperature and other factors on temperature measurement accuracy by infrared thermometer is analyzed. Therefore the temperature measurement data of infrared temperature measurement system is established, and the collected experimental data is analyzed. Through the analysis of authentication, the distance factors have bigger effect on the infrared radiation temperature measurement accuracy, and there is a certain relationship that provides the basis for increasing accuracy of infrared measuring temperature. The system of the infrared thermometer is designed to improve the measurement accuracy, which can measure the distance between the measured object and the infrared thermometer. According to the measured results, distance compensation formula is obtained, then according to the distance formula derived from the temperature compensation, and the actual temperature of the object is obtained. Finally, the measurement accuracy of infrared thermometers can be greatly improved.

infrared thermometer，measuring-temperature accuracy，distance compensation

TN219

A

1001-8891(2017)02-0173-05

2016-05-30；

2016-06-27.

廖盼盼（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備多點(diǎn)紅外測(cè)溫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究，E-mail：791707177@qq.com。

上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（13DZ2273800）。