非平表面的紅外熱像測溫修正方法研究

李志偉 謝海軍 石煥江 張騎虎 倪慧葉

摘要：紅外熱成像測溫受到的影響因素很多，比如目標(biāo)輻射溫度、大氣輻射溫度、環(huán)境反射溫度等外界因素影響，同時也會受到鏡頭溫度、探測器陣列溫度、機(jī)芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度、系統(tǒng)電路溫度等內(nèi)部因素影響.在紅外熱成像儀設(shè)計過程中應(yīng)將這些因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行修正和補(bǔ)償，以保證測溫精確性及穩(wěn)定性.在溫度測量的過程中，距離及角度對測溫結(jié)果的影響也是人們研究的熱點(diǎn)，但是人們沒有對點(diǎn)源目標(biāo)及面源目標(biāo)分別加以分析，因此，對于距離是否影響測溫結(jié)果仍存在分歧.本文通過對理論的分析和公式推導(dǎo)，對待測目標(biāo)與紅外熱成像儀之間的距離及角度對測溫結(jié)果的影響進(jìn)行闡述，并進(jìn)一步對人體測溫進(jìn)行研究，得到更準(zhǔn)確的測溫方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了很好的效果.

關(guān)鍵詞：紅外無損檢測;紅外熱像儀;測溫誤差;溫度修正;非平表面

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，及時掌握設(shè)備的工作狀態(tài)是十分必要的。好多情況下，物體表面溫度可以間接地反映設(shè)備的工作狀態(tài)，因此開展依據(jù)物體表面溫度對工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測和監(jiān)測的理論與方法研究具有重要的意義。

1熱成像測溫技術(shù)簡介

任何物體只要高于絕對零度（-273.15℃）時，都會不斷地以電磁波的形式向外發(fā)出輻射電磁波，輻射的能量中包含各種波長的電磁波，其中波長在0.76～1000μm范圍內(nèi)為紅外線，熱作用強(qiáng)，又稱為紅外熱輻射。紅外熱成像測溫技術(shù)正是利用被測物體的紅外輻射能量和自身溫度的關(guān)系來達(dá)到測溫的目的，其理論基礎(chǔ)是普朗克輻射定律，該定律揭示了黑體的輻射能量和波長以及熱力學(xué)溫度的關(guān)系。通過紅外熱像儀傳感器探測物體的紅外輻射，經(jīng)過一系列的信號和數(shù)據(jù)處理，把紅外輻射信號轉(zhuǎn)化成溫度值和可視化紅外熱圖像。

2紅外熱像的原理

紅外熱像儀利用紅外探測器、紅外光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的凝視型焦平面技術(shù)就省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接收被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并將其反射到探測器的光敏元件上，利用光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，當(dāng)掃描系統(tǒng)工作時，從景物到達(dá)探測器的光束隨之移動，從而出現(xiàn)電視一樣的光柵，掃描系統(tǒng)以電視光柵形式使探測器掃描景物時，探測器將逐點(diǎn)接收的景物輻射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號序列，經(jīng)圖像電路處理、轉(zhuǎn)換成黑白標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，通過監(jiān)測器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，而由于被測物體紅外輻射的熱像分布圖信號非常弱，比可見光圖像明顯缺少層次感和立體感，因此，在實(shí)際工作過程中為更有效地判斷被測物體的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施來增加其實(shí)用功能，如圖像亮度、實(shí)際校正、偽色彩描繪等高線和直方進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算等。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

紅外熱像儀測溫流程圖，主要由紅外熱像儀、氙燈、聚光凸透鏡、質(zhì)量流量計和K型熱電偶等組成。紅外熱像儀采用德國InfraTec公司生產(chǎn)的VarioCAMHDhead980，其分辨率為1024×768，最大采集頻率為30Hz，精度為±1.5℃或者1.5%（視測量范圍而不同）。氙燈光源使用中教金源公司生產(chǎn)的CEL-PF300-T8，屬于高光功率全波段光源，波長連續(xù)分布，光譜覆蓋范圍在200～1100nm。通過在氙燈上加裝濾光片，控制透過光線的波長范圍，濾光片的透過波長范圍及實(shí)際光強(qiáng)見表1。氙燈發(fā)出的光線經(jīng)聚光凸透鏡聚集形成光斑，由于在氙燈上加裝濾光片后光照強(qiáng)度會發(fā)生變化，所以采用光功率計測量實(shí)際光強(qiáng)。光功率計采用英國Newport公司生產(chǎn)的919P-5kW-50，其探頭的接收孔直徑為50mm，測量功率范圍為20～5000W，精度為±5%。

3.2距離變化對人體測溫的影響分析

對于人體測溫，可近似看做小區(qū)域內(nèi)的面目標(biāo)測溫，但由于人體表面溫度場分布的非均勻性及身體各處的發(fā)射率不一致，角度及距離對測溫結(jié)果影響較大，很難用統(tǒng)一的模型進(jìn)行處理.目前對人體測溫，基本采用測量前額部分溫度.由于前額部分面積較寬闊且平坦，適合做溫度采集.額溫檢測可以視為對面源目標(biāo)的測量.目前常用的測量方法有2種.一種是選取額部一定面積，在選擇范圍內(nèi)尋找最高溫作為測量結(jié)果;另一種是選取額部一定面積，在選擇范圍內(nèi)求取測溫平均值作為測量結(jié)果.經(jīng)過第2節(jié)的分析，如圖5所示，邊長為p的正方形表示紅外探測器的一個像元，它在距離1l處測量的是邊長1q構(gòu)成的正方形面積對應(yīng)的輻射能量，在距離2l處測量的是由邊長2q構(gòu)成的正方形面積對應(yīng)的輻射能量.

3.3測溫驗(yàn)證

紅外熱成像儀測量結(jié)果受外部因素影響較大，目標(biāo)表面的發(fā)射率、大氣透射率、背景與環(huán)境溫度等因素會直接影響溫度測量的準(zhǔn)確性，由于熱電偶測溫精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，所以采用熱電偶測量溫度與紅外熱像儀測量溫度進(jìn)行對比驗(yàn)證?？傮w來看催化劑溫度越高，這兩種測量差異越大。帶通濾光片透過光強(qiáng)很小，催化劑溫升不大，這兩種測量方式幾乎沒有差異。在全波段光照下催化劑溫度最高，紅外熱像儀測量溫度略高于熱電偶測量溫度，原因是紅外熱像儀測量的是催化劑向光面溫度，而熱電偶測量的是催化劑背光面溫度。所有波段光照下這兩種方式測量誤差最大為9.7%，基本驗(yàn)證紅外熱像儀測溫的準(zhǔn)確性。

3.4溫度修正系數(shù)的分布

由該位置關(guān)系可計算得出各點(diǎn)對應(yīng)天頂角q。由于實(shí)際工程應(yīng)用中，通常在金屬表面填涂一層非導(dǎo)電涂料，且非導(dǎo)電體在法向發(fā)射率相較于導(dǎo)電體更大，理論的光譜定向發(fā)射率與實(shí)際相差不大，因此以8～13mm的PS（Polystyrene）材料作為被測物體材料。經(jīng)計算可得，該位置關(guān)系下修正系數(shù)大于1.2的點(diǎn)占比44.1%。由此可見，對實(shí)際非平表面測溫時的定向發(fā)射率進(jìn)行修正是非常必要的。

4結(jié)論

結(jié)論針對使用紅外熱像儀測量非平表面溫度時不同被測量點(diǎn)的定向發(fā)射率的變化對測溫結(jié)果的影響，本文依據(jù)物體表面定量發(fā)射率的變化規(guī)律，給出了各個測量點(diǎn)的修正系數(shù)。同時，通過點(diǎn)云三維建模，利用熱像儀通用幾何成像原理推導(dǎo)出紅外熱像圖像素與實(shí)際物體的被測表面之間各個測量點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，給出了紅外熱像測溫過程中非平表面上的大天頂角被測點(diǎn)的溫度測量結(jié)果的誤差修正方法。實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。

結(jié)束語

紅外熱像技術(shù)作為先進(jìn)的測溫方式及機(jī)器視覺技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在石油化工行業(yè)，除了設(shè)備結(jié)焦及設(shè)備保溫檢測等，紅外熱像也被應(yīng)用于用電設(shè)備運(yùn)行溫度控制、儲液罐內(nèi)液面高度等，不僅增強(qiáng)了石化廠區(qū)設(shè)備的自動化控制，減小了生產(chǎn)時的安全隱患，同時也為企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能提供了一定的技術(shù)手段，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益增加了一道重要保障。

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