魏紹亮，韓連偉，程奉玉

〈測量技術(shù)〉

改善環(huán)境光照對強反光體表面紅外測溫精度影響的補償算法研究

魏紹亮，韓連偉，程奉玉

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

針對鋁業(yè)加工中的軋輥表面光滑，具有強反光特性，紅外測溫傳感器測溫易受環(huán)境光照影響，致使軋輥表面測溫精度低，影響冷卻控制系統(tǒng)對軋輥表面降溫處理精度，進而造成產(chǎn)品質(zhì)量差的現(xiàn)象，本文提出并構(gòu)建了一種基于光照強度的紅外測量溫度補償算法，以提高環(huán)境光照對強反光體表面溫度測量的精度。實驗結(jié)果證明本方法能較好地彌補光照強度變化對紅外溫度測量產(chǎn)生的測量誤差，提高了測量精度。該補償算法運算簡單、適應(yīng)性強，為改善光照強度變化對測量精度的影響提供了新的方法。

強反光體；紅外溫度傳感器；測溫精度；光照強度；補償算法

0 引言

精確測量溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、倉儲、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中重要的基本數(shù)據(jù)之一，有利于安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等。由于工業(yè)生產(chǎn)所處的環(huán)境以及空間的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)的接觸式測溫方式無法滿足測溫要求，對非接觸、遠(yuǎn)距離測溫技術(shù)的需求越來越大。紅外測溫傳感器具有測溫范圍大、無熱慣性、響應(yīng)速度較快的優(yōu)點，滿足眾多場合對溫度測量范圍和精度的要求，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。

鋁是國民經(jīng)濟中重要的基礎(chǔ)原材料，廣泛用于建筑、包裝、交通運輸、電力等領(lǐng)域。鋁制品生產(chǎn)離不開軋輥的作用，鋁業(yè)加工中的軋輥表面光滑，具有強反光特性，屬于直線光軸類的輥狀體。在帶材軋制過程中，軋件的熱量以及軋件受到擠壓變形所釋放的熱量都將使軋輥的溫度升高，并沿其軸向方向產(chǎn)生熱凸度，進而影響帶材的加工質(zhì)量。軋輥由于表面反復(fù)受到來自帶材的急熱和冷卻液造成的急冷，極易產(chǎn)生疲勞破壞，從而發(fā)生生產(chǎn)事故[4-5]。因此，在鋁板材軋制過程中實時監(jiān)測軋輥表面溫度分布情況是對軋輥表面溫度精確控制的重要先決條件。國內(nèi)外相關(guān)研究文獻表明[5-11]，目前研究者主要集中在研究紅外溫度傳感器對物體表面進行溫度測量的方法及物體表面發(fā)射率、測量距離等因素對測溫精度的影響原因，而關(guān)于環(huán)境光照對強反光體表面溫度測量精度影響的研究文獻較少。本文從紅外測溫原理出發(fā)，通過實驗揭示了不同光照強度對強反光體表面溫度測量精度產(chǎn)生的影響，并對實驗結(jié)果進行分析研究，進而建立強反光體基于不同光照強度的紅外測溫補償算法，提高強反光體表面測溫精度。

1 紅外測溫原理

自然界中，任何物質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子都是處于不斷運動的狀態(tài)。當(dāng)物體溫度高于熱力學(xué)溫度0K（攝氏溫度－273.15℃）時，物體就會不停地向外輻射紅外能量[6]。物體向外輻射的紅外能量大小與波長和物體溫度有關(guān)，因此可以通過測量物體向外輻射的紅外能量，進而得到物體表面溫度的精確值，這就是紅外測溫的基本原理[7-8]。

黑體輻射理論指出理想狀態(tài)下可以把輻射物體看作一個黑體。它吸收的能量不能反射、折射等，全部輻射出來。普朗克定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度條件下按其波長分布的規(guī)律[9]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：bb(,)為黑體輻射能量密度，W/(mm×m2)；1為第一輻射常數(shù)，1＝2p2＝(3.7415±0.0003)×10－16W×m2；2為第二輻射常數(shù)；2＝/＝(1.43879±0.00019)×10－2m×K；為光波的輻射波長，mm。

在任何溫度下，能全部吸收投射到其表面上的任意波長輻射能的物體稱為絕對黑體。絕對黑體的吸收系數(shù)為1，而反射系數(shù)為0，除按一定要求設(shè)計的腔體近似為黑體外，絕對黑體在自然界是不存在的。所有物體的表面反射系數(shù)都小于1，稱之為灰體?；殷w的紅外輻射度一般都不直接測量，而是通過與同溫度下的黑體輻射度的比值來表示[10]。比較實測物體與黑體在各個溫度、波長的法向輻射度的關(guān)系，可以得到如下關(guān)系式：

＝(,)×bb(2)

式中：是實際接收到的輻射度；為發(fā)射率，是關(guān)于溫度和波長的函數(shù)，絕大多數(shù)熱輻射物體發(fā)射率是隨著波長的變化而緩慢變化的，具有較強的魯棒性，因此一般可以把發(fā)射率看作常數(shù)。

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律：

bb＝×4(3)

式中：為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，＝5.67032×10－8(W×m－2×K－4)；為物體的熱力學(xué)溫度。

該定律指出，黑體的輻射度正比于它的熱力學(xué)溫度的四次方。這一結(jié)論不僅對黑體是正確的，而且對于任何實際物體也是成立的。實測熱輻射物體的輻射度為：

＝()4(4)

式中：()為溫度為時全波長范圍的材料發(fā)射率，也稱之為黑度系數(shù)。式(4)為輻射式溫度計測溫提供了理論依據(jù)。

由紅外測溫原理及實際情況可知，在實際環(huán)境中實測物體除了自身紅外能量輻射外，還有其他形式的輻射能量，不同溫度的物體之間不斷進行輻射能量交換，即處在輻射熱平衡狀態(tài)[11-12]。對實際物體進行表面溫度測量時，物體輻射的能量不僅僅來自于物體自身，同時也會包括來自環(huán)境光照射溫度的能量，這部分能量照射在物體表面再經(jīng)過反射也會被紅外測溫系統(tǒng)接收，影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此以外還會有某些能量通過被測物體透射進入紅外測溫系統(tǒng)并被接收，進一步影響測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性[13-14]。本實驗中使用的樣品光軸具有良好的無透射紋理，在實驗中忽略透射能量影響。

本文主要探討環(huán)境光照強度對紅外測溫傳感器測量精度的影響規(guī)律，建立光照強度變化與溫度之間的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建補償算法補償環(huán)境光照產(chǎn)生的測溫誤差。

2 實驗測試與結(jié)果分析

鋁板材加工設(shè)備中的軋輥具有表面光滑、強反光等特性，而且質(zhì)地細(xì)密、無透射性，本實驗選擇反光性能較好的鋁合金棒材作為測量目標(biāo)進行實驗。根據(jù)紅外傳感器工作參數(shù)和鋁板材實際生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場工況搭建試驗系統(tǒng)，合金棒材通過軸承固定在一定高度的固定支架上，紅外傳感器安裝在距離棒材500mm的另一支架上。為了保證實驗研究的數(shù)據(jù)可靠，不受其他環(huán)境光照因素的影響，本研究測試實驗均在河南理工大學(xué)精密工程研究所進行，在研究所內(nèi)設(shè)計了一個獨立密閉空間，周邊做了消除反光處理，并設(shè)計了光源安裝支架，通過改變光源，探尋紅外傳感器測溫精度隨光源光強變化的規(guī)律。實驗過程中保持紅外入射角度為0，改變環(huán)境光照強度開展測試實驗。具體測試環(huán)境如圖1所示，圖中(a)圖是弱光源實驗，圖(b)是強光源實驗。

2.1 黑暗無光（光照強度為2lx）條件下的測試實驗

選用帶有IS（infrared scanner）激光瞄準(zhǔn)的紅外傳感器，鋁合金棒材的發(fā)射率為0.02～0.1。通過對固定點的反復(fù)測量，確定測量對象鋁合金棒材的發(fā)射率為0.058，此時的誤差在1℃以內(nèi)，具體測試結(jié)果如圖2所示。

圖1 實驗測試環(huán)境

圖2中軸代表實際溫度，軸代表紅外傳感器的測量溫度。由圖2可知測量曲線相對比較平滑，無極端值，與＝曲線（即實際溫度與測量溫度相等）基本吻合，紅外溫度傳感器測得的溫度數(shù)值與實際溫度值之差不超過1℃，且大部分誤差都在0.6℃以下，滿足了測溫誤差的要求。

圖2 光照強度為2lx時的紅外測溫結(jié)果

2.2 不同光照強度下紅外傳感器的溫度測量

通過上述實驗可以確定所選用的鋁合金棒，其發(fā)射率為0.058。在實驗中固定其發(fā)射率并保證測量對象溫度恒定，通過改變鋁合金棒材表面的光照強度進行實驗。實驗中選取棒材的固定溫度分別為：130℃、140℃、150℃、160℃、170℃和180℃，同時選擇的光照強度分別為：50lx、60lx、70lx、80lx、90lx、100lx、110lx、120lx、130lx，測量結(jié)果如圖3(a)～(f)所示。

圖中紅色曲線代表棒材的實際溫度，綠色曲線代表紅外溫度傳感器的測量結(jié)果，藍(lán)色曲線是誤差曲線。通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)棒材表面溫度分別為130℃、140℃、150℃、160℃、170℃和180℃時，在9個不同光照強度情況下，紅外溫度傳感器所測量的棒材樣本的溫度數(shù)據(jù)也是不同的。當(dāng)棒材表面的光照強度不同時，其測量結(jié)果均高于實際溫度，且隨著光照強度的增大，測量誤差越來越大。因此，在用紅外溫度傳感器對具有強反光特性的棒材進行溫度測量時，測量結(jié)果總是正向偏離真實值，且隨著光照強度的增大，正向偏離程度逐漸增大。

圖3 不同溫度下不同光照強度時的測量結(jié)果與誤差

3 不同光照強度下的紅外測量補償算法

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，假設(shè)變量為待測物體表面光照強度的函數(shù)，記為()。函數(shù)()定義為光照強度的補償因子，則斯特藩-玻爾茲曼公式可表示為：

M＝()×()4(5)

式中：M是被測物體在光照強度為時的輻射量，紅外溫度傳感器所接收的紅外波長為1.6mm，且()為常數(shù)，公式(5)可轉(zhuǎn)化為：

M＝()×4(6)

式中：是一個常量，它是在特定條件下獲得的特定值，其值由()和確定，＝()×將函數(shù)關(guān)系與溫度變化結(jié)合可以得到公式(7)：

M＝×(L()×)4(7)

式中：L()是溫度與光照強度有關(guān)的系數(shù)。將輻射量的變化通過溫度來反映，則不同光照強度條件下紅外溫度傳感器測得的溫度T為：

T＝L()×(8)

由圖3可知，紅外溫度傳感器測得的溫度值隨被測物體表面光照強度的變化而變化，分析同一溫度下不同光照強度條件下的測量結(jié)果，確定L()，并初步證實了L()的變化。為了進一步揭示L()的變化規(guī)律，在實驗中對連續(xù)變化的溫度進行實時測量，具體測量結(jié)果如圖4所示。

圖4中，10條曲線分別對應(yīng)10種不同光照強度條件下的測量結(jié)果，即2lx、50lx、60lx、70lx、80lx、90lx、100lx、110lx、120lx、130lx。橫坐標(biāo)表示被測量物體的真實溫度，縱坐標(biāo)表示紅外溫度傳感器的實際測量溫度。圖中的紅色曲線是參考曲線，它是被測對象在黑暗中（即光照強度為2lx）的標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線，而其他曲線均分布在紅色曲線上方，因此，可以得知系數(shù)L()的取值大于1。通過比較參考曲線與另外9條溫度曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著光照強度的不斷提高溫度曲線在緩慢地向上移動，說明隨著光照強度的增大實際測量值在不斷地變大，誤差在逐漸地增大。絕對誤差分布如圖5所示。

觀察圖5可知，絕對誤差隨著光照強度的增大而增大，而且每組數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，但也出現(xiàn)了個別突變情況，分析可得，產(chǎn)生突變的原因主要由以下因素造成：

1）表面熱電偶在對實驗樣本進行測量時發(fā)生滑動，導(dǎo)致熱平衡被打破；

2）測試過程中熱電偶和紅外溫度傳感器對溫度變化的反應(yīng)時間不同，導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生不同。

考慮到工程測試的精度要求，選擇采用構(gòu)造補償公式的方法來減小測量誤差。通過觀察圖4的數(shù)據(jù)分布可以發(fā)現(xiàn)，不同光照強度條件下的紅外溫度測量結(jié)果之間存在線性關(guān)系，所以可以通過最小二乘法擬合出補償算法。

圖4 不同光照強度條件下實際溫度與測量溫度比較

圖5 不同光照強度下測量溫度的絕對誤差

由圖4和圖5實驗數(shù)據(jù)擬合出幾組不同光照強度下紅外溫度測量結(jié)果的補償公式：

50lx：E＝1.0029－2.746

60lx：E＝1.0042－3.6777

70lx：E＝1.0046－4.8873

80lx：E＝1.0047－5.6099

90lx：E＝1.0052－6.4880 (9)

100lx：E＝1.0065－7.7009

110lx：E＝1.0068－8.6374

120lx：E＝1.0071－9.8010

130lx：E＝1.0084－10.9972

由公式(9)可知，各個補償公式中的一次項系數(shù)的值均接近于1，故可構(gòu)建關(guān)于光照強度的通用補償公式：

b＝E＋() (10)

式中：b為補償后的溫度值；()是與被測對象表面光照強度有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式，分析公式(9)中的補償公式，做出補償系數(shù)散點圖，發(fā)現(xiàn)其呈線性關(guān)系。如圖6所示。

應(yīng)用最小二乘法進行曲線擬合，構(gòu)建出不同光照強度情況下，紅外溫度傳感器測量結(jié)果的通用補償算法公式為：

b＝E＋(6.0838－5)×＋1.0001 (11)

為了驗證補償公式的正確性，根據(jù)公式(11)對不同轉(zhuǎn)速的實際測量結(jié)果進行補償修正，修正結(jié)果如圖7所示。

圖7中，10條曲線分別代表10種不同光照強度情況下使用補償公式對測量結(jié)果的修正曲線，橫坐標(biāo)代表被測樣本的實際溫度，縱坐標(biāo)代表補償后的溫度。比較圖7與圖4可知，補償算法修正后的測量數(shù)據(jù)與實際溫度基本一致，表明本實驗構(gòu)建的補償算法可以有效地提高強反光體在不同光照強度下的紅外測溫精度與穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文基于斯特藩-玻爾茲曼定律和普朗克定律，結(jié)合實驗和數(shù)據(jù)分析，深入分析了紅外測溫的原理，同時改變環(huán)境光照強度對強反光物體的表面溫度進行測量，并系統(tǒng)分析了測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于斯特藩-玻爾茲曼定律的紅外補償算法，并得出如下結(jié)論：

圖6 補償系數(shù)與光照強度的關(guān)系圖

圖7 補償算法修正后的溫度分布曲線

1）當(dāng)被測物體表面光照強度發(fā)生變化時，其表面紅外溫度測量值會隨之發(fā)生變化，光照強度越強，測量誤差越大，測量值向上偏離真實值。

2）基于光照強度所構(gòu)建的紅外溫度測量補償公式降低了強反光體表面光照強度變化對紅外測量精度的影響，提高了強反光體表面溫度測量的精度。

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Compensation Algorithm to Improve the Influence of Ambient Light on the Infrared Temperature Measurement Accuracy of a Strong Reflector Surface

WEI Shaoliang，HAN Lianwei，CHENG Fengyu

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

A roll surface in aluminum processing is smooth, has strong reflective characteristics, and is easily affected by ambient light when using an infrared temperature sensor to measure the temperature, resulting in low temperature measurement accuracy on the roll surface. The cooling control system affects the precision of cooling treatment on the roll surface, resulting in poor product quality. In this study, an infrared temperature compensation algorithm based on light intensity is proposed and constructed to improve the accuracy of ambient light measurement of the surface temperature of a strong reflector. Experimental results show that this method can compensate for measurement errors caused by changes in illumination intensity, thereby improving the measurement accuracy. The algorithm is simple and adaptable and provides a new approach to strengthening the accuracy of temperature measurement given speed change.

strong reflector, infrared temperature sensor, accuracy of temperature measurement, illumination intensity, compensation algorithm

TH701

A

1001-8891(2020)12-1179-06

2020-02-20；

2020-03-17.

魏紹亮（1969-），男，博士，教授。主要研究方向：機電測試與控制、智能儀表設(shè)計、信號傳輸與處理。E-mail：wsl_ify@163.com。

河南理工大學(xué)博士基金（B2016-29）。