紅外熱像儀測量切削溫度的誤差來源分析與實驗研究

陶 媛，王中任，胡玉琴，游浩浩

（湖北文理學院 機械與汽車工程學院，襄陽 441053）

0 引言

切削溫度是影響切削加工過程中刀具狀況和工件表面質量的重要物理量，精確測量和控制切削溫度，對于降低生產成本、提高加工質量和生產率具有重要的意義。在用紅外熱像儀對切削溫度進行測量時，會受很多因素的影響。比如前面所說的拍攝角度、距離、發射率等可以改變的因素，還有一些很難改變的因素，比如，環境輻射、大氣溫度、大氣衰減等，這些因素的不確定都會帶來測溫誤差。

對于切削溫度的測量，國內外比較常用的是自然熱電偶法和人工熱電偶法，它們分別測的是切削區的平均溫度和某點的溫度[1]。雖然紅外熱像儀在測量切削溫度時存在一些誤差來源，但相對于其他的測溫方法還是有很多優點的。它不僅能測目標范圍內任一區域的平均溫度，還可獲得最高溫度，最低溫度與任一點溫度，其次它靈敏度高，可遠距離非接觸實時監測，能很直觀簡便的獲得紅外圖像。為了更好地運用熱像儀的這些優點，首先就要了解其測溫原理，然后才能找出并避免人為因素帶來的測溫誤差。

1 FLIR紅外熱像儀測溫原理及公式

從原理上講，熱像儀包括兩部分：光學部件和探測器。光學部件使被測物體的紅外輻射集中到探測器上，然后探測器將接受到的輻射以電信號的方式輸出，并在顯示器上顯示目標圖像，圖像上每一點的灰度值都對應著目標物體表面上每一點的溫度。紅外線熱像儀在進行標定時，就是用圖像灰度值與黑體溫度之間的對應關系得到擬合公式的，當我們使用熱像儀時，就利用各種擬合公式來得出不同溫度的物體的輻射溫度[2]。

在研究紅外輻射的歷史過程中，最基礎的公式是普朗克公式，它描述了黑體輻射的光譜分布：

式（1）中：W為在任何波長λ時，黑體的光譜輻射率；C為光速=3×108m/s；h為普朗克常量=6.6×10-23J/s；K為玻爾茲曼常量=1.4×10-23J/K；T為黑體的絕對溫度(K)，λ為波長（微米）。在普朗克定律的基礎上相繼出現了維恩位移定律和玻爾茲曼定律，為紅外熱像儀奠定了堅實的理論基礎。FLIR熱像儀的工作波長范圍很小，所以物體表面發射率ε和吸收率α，還有大氣透射率τ都是定值，即與λ無關。所以作用于熱像儀的輻射照度為：

其中，Ao為熱像儀最小空間張角所對應的目標物體可視面積，d為熱像儀與目標物體的距離，Tobj為目標物體的表面溫度，Trefl為環境溫度，Tatm溫度，L(T,λ)表示溫度為T的黑體的輻射亮度。 由文獻[2]：

式（3）中ρ為目標輻射率。同樣因為熱像儀的工作范圍很小，W(T,λ)與λ無關，則L(T,λ)也與λ無關。如果測量條件不變，即不變，并且ε、α、τ為定值。雖然Ao與d一般條件下是定值，但在測量切削溫度時，會改變拍攝角度與距離，那么d會改變，Ao也會因為所測范圍被部分遮擋而間接變小，所以這些數據的變動，就會帶來一定的測溫誤差[3～5]。當目標物體表面發射率不確定時，錯誤的發射率也會帶來測溫誤差[6]。下面通過實驗來研究這些因素對切削溫度的影響情況，并依此來指導熱像儀參數的設置。

2 實驗及結果分析

如圖1所示為實驗現場，機床為CA6140車床，熱像儀型號為FLIR A315，工件材料為45號鋼棒料，刀具為YT15，主偏角為90o。首先，在車床上安裝好工件與刀具；然后，通過千兆網線連接電腦與熱像儀，并根據所測要求擺放好熱像儀；最后，采用FLIR/Tools工具獲取圖像，并實施實時采集切削區域的紅外圖像并分析切削溫度。切削用量分別為：n=800r/min，f=0.24mm/r，ap=0.5mm，并且每次實驗時保持三要素的取值不變，則可知每次切削時的最高溫度不變。另外，每次實驗都是在相同環境中實施，即相對濕度、大氣溫度，環境溫度都相同。

在使用FLIR/Tools采集時候，要填寫發射率、距離、大氣溫度等參數，圖2為拍攝所得圖像。實驗中所測的溫度可以通過FLIR/Tools界面，通過點、線、面，來確定測量點溫、線溫和區域溫度。下面計算時為軟件上顯示的切削區的最高溫度。

2.1 拍攝角度對切削溫度的影響

此次實驗在車床上切削工件時，刀具與工件垂直，拍攝角度與工件和刀具在同一平面內。因為拍攝角度有限，只能從車床左側拍攝。設與工件垂直的拍攝角度為0°，從此角度往左來實測拍攝角度。本次實驗拍攝角度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°。需要注意的是，改變平面拍攝角度時，熱像儀的視場角為定值。圖表3為不同角度時溫度的波動圖。

圖1 實驗環境

圖2 拍攝所得圖像

圖3 不同角度時溫度的波動圖

由圖3知，此折線圖兩邊的溫度顯示較高，中間的溫度顯示較低。在實驗環境中，角度較小或較大時，熱像儀視場角雖然一定，但車床的車身都會在一定程度上遮擋住視場角所測范圍，這就間接的減小了視場角。因為視場角越大，相對信號差值越大，測量的溫度誤差越大[2]。那么則是視場角越大，溫度則相對較低。在15°、20°、25°時，視場角所測范圍幾乎沒被遮擋，所以視作視場角較大，溫度也就相對較低，測溫誤差也相對較大。而5°、10°、30°、35°時，視場角所測范圍有一部分被遮擋，所以視作視場角較小，溫度則相對較高，測溫誤差也相對較小。

2.2 測量距離對切削溫度的影響

本實驗中，拍攝距離依次為：0.8m、0.9m、1m、1.1m、1.2m、1.3m和1.4m。圖4為不同距離時溫度的波動圖。

圖4 不同距離時溫度的波動圖

如圖4經過計算后知，在1.1m～1.2m的范圍內，溫度方差S1最小，其值為S1=0.9，即溫度較穩定。而在0.8m～1.1m或1.2m～1.4m這兩個范圍內，溫度方差分別為58.3和48.6，都比S1大很多，即溫度的變化很大。如果熱像儀只在某距離d下進行標定時，不同距離測溫，則溫度絕對誤差平均值在d距離時相對較小，距離小于d或大于d時,其溫度絕對誤差平均值相對較大。所以要想減小測量誤差，每次改變距離時，重新進行熱像儀標定，可以減小測量距離的變化對熱像儀測量精度的影響。如果不重新標定，計算溫度相對誤差，并以此值作為修正值，對標定方程得到的溫度值進行修正，也可減小測溫誤差。所以從此實驗數據看，如果不做任何措施，拍攝距離應該控制在1.1m～1.2m之間，而且此款熱像儀的標定距離也在這個范圍內。如果選取熱像儀的標定距離為1.15m，則拍攝距離與其差值應不大于0.05m。

2.3 發射率對切削溫度的影響

本實驗中，發射率依次設為：0.4、0.44、0.46、0.48、0.5、0.52、0.54、0.56和0.58。圖5為不同發射率時溫度的波動圖。

圖5 不同發射率時溫度的波動圖

如圖5經過計算后知，發射率在0.48～0.5范圍內，溫度方差S2=0.45，而發射率在0.4～0.48和0.5～0.58這兩個范圍內時，溫度方差分別為20.7和24.6，都比S2大很多。所以發射率在0.48～0.5范圍內，溫度最穩定。此規律與實驗二相似。

目標物體表面會因為物質的成分改變和氧化程度不同，從而導致表面發射率不確定，但鋼材料的發射率的基本范圍在0.52～0.57之間。所以先在0.52和0.57左右假設出物體不同的發射率，則可知，越接近真實發射率時，測溫誤差越小，所測溫度越穩定；越遠離真實發射率，測溫誤差越大，所測溫度越不穩定。從圖5中數據看，本實驗物體表面發射率可定在0.48～0.5范圍內。

3 結束語

通過實驗研究可知，雖然熱像儀的拍攝角度有限，但角度上的變化會對所測溫度帶來誤差。視場角一定時，在能測到目標物體的前提下，所拍攝角度應盡量在對視場角所測范圍起到遮擋作用的范圍內；選擇測量距離時，所選距離會帶來測量誤差，另外，還要根據切削現場情況合理安裝熱像儀，必要時可以采取倒置懸掛的方式。對于同一種碳鋼而言，不同加工表面光潔度，表面的發射率會不同，可以預先設定材料的參考發射率，然后通過大量的試驗，把發射率確定在測量溫度較穩定的范圍內，這樣可以減少測溫誤差。

研究結果對于紅外熱像儀現場監測切削溫度，具有實際的指導意義。

[1]全燕鳴,趙婧,何振威,林金萍 ,樂有樹.切削溫度測量信號的獲取與處理[J].中國機械工程,2009,20(5):573-576.

[2]郭幫輝,黃劍波,王志,吳宏圣.目標距離和視場角變化對紅外熱像儀測溫精度影響的理論分析[J].長春理工大學學報,2011,34(1):17-19.

[3]蘇佳偉,石俊生,汪煒穡.距離對紅外熱像儀測溫精度影響及提高精度的實驗研究[J].紅外技術,2013,35(9):587-590.

[4]楊楨, 楊立.反射溫度補償法對紅外測溫的補償計算與誤差分析[J].光學技術,2008,34:154-159.

[5]李云紅,孫曉剛,原桂彬.紅外熱像儀精確測溫技術[J].光學精密工程,2007,15(9):1337-1341.

[6]白敬晨,于慶波,胡賢忠,王浩.基于紅外熱像儀的物體表面發射率測量方法[J].東北大學學報,2013,34(12):1748-1750.