（物理电子学专业论文）半视场红外目标的测温精度分析.pdf

摘要 本文在分析国内外红外测温仪发展现状的基础上。指出了目前红外测温技术普遍 存在的问题，即在进行红外测温时，必需要使被测目标充满测温仪的整个视场，否则， 测量的温度值不准确。 本文以红外测温仪测温原理为基础，分析了在半视场情况下红外测温仪之所以不 准确的原因，理论推导出了半视场红外测温的理论公式，由于推导过程中我们未考虑 其他影响因素，并作了多个近似，最后我们根据测量值曲线对推导得出的半视场测温 公式进行了补偿，并画出相应的曲线，该曲线较好的反映了补偿效果。 最后，我们从外界环境和计算方法上分析了误差存在的原因，莠展望了未来半视 场红外目标测温方面的前景。 关键词：红外测温仪半视场 d ：s拟合函数 a b s t r a c t b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e dt h e r m o m e t r ya l lo v e rt h ew o r l d ，ap r o b l e mh a s b e e np o i n t e do u ti nt h i st h e s i s w h e n e v e rk f f r a r e dt h e r m o m e t e rh a sb e e nu s e di nm e a s u r eo f t e m 口e r a t u r e t h ef i e l do fv i s i o nf i l l i n gw i 也t a r g e tm u s tb ec o n t e n t e d o re l s et h e r ew i l lb ea m i s t a k e 1 1 1t h et h e s i s b a s eo n 也et h e o r yo fi n f r a r e dt h e l l n o m e t c r , w ea n a l y z et h er e a s o n so f t h e e r r o r a n dw ea l s od e d u c t i o nt h ee q u a t i o no fi n f i e dt h e r m o m e t r yw h e ni td o i n gh a l f - v i s i o n t e m p e r a t u r em e a s u r e i nt h ep r o c e s so fd e d u c t i o n b e c a u s eo ft i l eo t h e ri n f l u e n c e sa r en o t c o n s i d e r e d ，a n dm o r ea p p r o x i m a t e l yh a sb e e nd o n e ，s oa tl a s tw ec o m p e n s a t et ot h em e a s b l e v a l u ec u r v ea c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o no fi n f r a r e dt h 臼 m o m e t r y ac u r v ea l s oh a sb e e nd r a wt o r 印r e s e n ti t a n da sar e s u l lt h ec b r v er e f l e c tt h ec o m p e n s a t ep u r p o s ee x a c t l y i i lt h ee n d w ea n a l y z et h er e a s o n so fe r r o rf r o mc i t h e re n v i r o n m e n to u t s i d eo rw a y st o e a l c u l a t e a n de x p e c tt h ef o r e g r o u n do f h a l f - v i s i o nh f f r a r e dt e m p e r a t u r em 馏u r e k e y w o r d s ：i n f r a r e dt h e r m o m e t r yi n f r a r e dt h e r m o m e t r yd ：st e m p e r a t u r ef u n c t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文半视场红外目标的测温精度分析是 本人在石晓光教授的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：岔丞盔z 区狰j 月兰如 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规 定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库迸行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编学位论文。 作者签名：红主i 刍 边路三月出 指导导师签名：丕堕丝! 年三月出 1 1 红外测温技术概述 第一章绪论 1 8 0 0 年，英国物理学家f w 赫胥尔首先发现了红外辐射，其占据的波段为 0 7 6 1 0 0 0 um ，反映了一定温度物体的热特性，从此开辟了人类应用红外技术的广阔 道路。 红外测温也叫辐射测温。它是利用物体的热辐射来测量物体的温度，是目前应用 较为广泛的非接触测温技术。我们知道在自然界中任何温度高于绝对零度的物体都将 产生红外辐射，不同温度的物体所辐射的红外光的能量是不一样的。红外测温就是用 红外探测器探测物体的红外光，转变为电信号( 电压或电流) ，由电信号的强弱来判断 物体红外辐射的大小，而物体的红外辐射与物体的温度有关，从而反映物体温度的大 小。此项技术的应用不仅减少了许多贵金属的消耗，更是解决了许多常规测温方法不 能解决的测温难题。 由于辐射测温技术数据处理灵活，相关技术完备，应用广泛，目前非接触测温法 仍以辐射测温法( 又叫红外测温法) 为主。在过去相当长的时间里，辐射测温法的可靠 性和抗干扰性都不太高，且测量范围往往仅限于较高温度。但近二十多年来，由于电 子技术的飞速发展，半导体材料的进步以及计算机技术的发展与应用，在现代工程技 术、科学研究和军事领域中，红外测温技术正在得到越来越广泛的应用。与一般测温 技术相比，红外测温具有以下特点”1 ： ( 1 ) 非接触测量，对被测物体无影响； ( 2 ) 反应时问快，十分之几秒即可完成测量： ( 3 ) 灵敏度高，0 o l 的温度分辨率和毫米级的空间分辨率： ( 4 ) 测温范围广，从零下几十度到零上上千度； ( 5 ) 测温精度高，分辨0 0 1 或更小； ( 6 ) 可对小面积测温，直径可达数微米： ( 7 ) 可同时对点、线、面测温： ( 8 ) 可测绝对温度，也可测相对温度； ( 9 ) 要求精度高时，测温要求严格； ( 1 0 ) 如果温度测量不仅限于某一点，而是一个区域，则可以呈现温度场分布的图 像。 根据红外测温仪的以上特性，可以对一些远距离、运动的和有危险性的物体进行温 度测量，它具有安全、快速、可靠、方便等优势，已在电力、石油、化工、交通机械、 医疗等许多领域和公共场所得到广泛的应用，成为产品检测、故障诊断和预防疾病流行 的重要手段 1 2 国内外红外测温发展史及现状。1 自从1 8 0 0 年英国天文学家赫胥尔发现了红外辐射以来，红外技术在非接触测温上 的应用一直取决与红外探测器的发展。1 9 1 7 年g a s e 亚硫酸铊探测器。这是红外辐射的 光电导效应的首次应用，大大提高测试的灵敏度和减小响应时间。第二次世界大战期 间，德国有人证实，冷却红外探测器可增加灵敏度。自二次大战以来，光电导光伏探 测器及红外透光材料的高速发展，促使了红外测温和红外技术的发展。 接触式测温一般只能测定被测物体和测温传感器达到热平衡后的温度，因而响应 时间较长，不适合测定变化温度快或微小目标的温度场合。虽然近来有人做了激光束 焊接过程中的温度测定，但要涉及快速采样的较复杂问题。非接触式测温一般采用红 外测温仪和红外热像仪来进行。它不但可克服上述所存在的问题，还具有灵敏度高， 测温范围较大，可显示物体表面温度场及进行计算机存储和运算处理等优点。 用红外辐射的原理进行温度测量的仪器是从简单到复杂逐渐发展而成的。早期的 红外测温仪仅限于检测物体的某一点的温度，而后可以测量一条线的温度，而不能显 示物体的形状和表面上的温度分布。直到了2 0 世纪五六十年代，由于红外探测器的改 进和快速灵敏的光子探测器的问世，才导致了实验性、原理性热成像系统的诞生。发 展到目前的热成像系统，它己经是窄禁带半导体技术、精密光学、精密机械、微电子 学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程学的产物。 在相当长的一段时期内，红外测温的发展受到性能优良的红外探测器的制约，红 外探测器是红外测温系统的关键性部件，他把接受到的红外辐射转变为人们便于观察 和测量的电能或热能参量。按照探测过程的物理机理探测器分为两类“1 ：一类为热探测 器，因入射辐射的热效应引起某一电特性的变化，他的响应正比与所吸收的能量，这 种探测器又称为热释电探测器：另一类为光子探测器，他是入射光子流和探测材料的 电子直接相互作用一起某一点特性的变化，他的响应正比与吸收的光子数。随着科学 的不断进步和人们对红外探测器的大力研究，红外探测器发展到今天，在技术上已经 比较成熟，国外的红外探测器已经发展到相当到的水平，在国内，虽然我们起步较晚， 但是经过近十几年的发展和研究，目前国内也能生产出高灵敏度，高分辨率的红外探 测器。限制红外测温快速发展的一个技术难题已经得到比较好的解决。 在比较远的距离，物体的红外辐射是非常小的，并且红外探测器的探测面又很小， 因此若没有一套光学系统来收集红外辐射的能量到红外探测器上，那么红外测温的距 离是非常有限的，很难在实际中应用，特别是较远距离的测温，例如，在电力设备的 故障诊断中( 由于高电压，人们必须在安全的距离对故障进行诊断) 。在目前的红外测 温仪中，绝大多数的红外光学系统都是利用透镜来收集红外辐射的。我们知道任何的 透镜都有一定的反射和吸收，红外光在经过光学系统时不可避免的要因为透镜的反射 和吸收而损失掉一部分红外光能量，而透镜对红外光的吸收是红外光损失的重要的因 2 素，而我们总是希望有尽可能多的红外光能量能够会聚到红外探测器上，这样即能测 量的准确，又可以使测量的距离远些，特别是在电力设备的诊断中。另外好的光学透 镜的成本也比较高，这也是高灵敏度的红外测温仪价格高的原因之一。 如果我们用反射镜对红外光进行会聚来代替透镜对红外光的会聚，那么我们就不 仅可以减少红外光的损耗而且可以大大降低光学系统的成本，从而降低红外测温仪的 成本。利用反射的办法对红外光会聚时，要重点考虑反射材料的反射系数和吸收系数， 要想得到好的反射效果，关键是找到一种具有优良的反射性能而吸收系数又比较小的 反射材料 红外测温技术的发展与应用已有几十年的历史0 1 。我国的红外技术研究起步于6 0 年代，7 0 年代得到了长足发展，国外的红外测温技术发展较早，技术比较成熟，红外 测温产品种类繁多，测温精度及分辨率较高。国内红外测温技术相对来说技术落后， 产品种类比较单一，测温精度及测温分辨率也不如国外产品。 红外测温仪的推广应用在发达国家已进人成熟阶段，主要表现在测温仪产品规格 型号多，质量稳定，配套件齐全，应用技术开发快。用户使用这种侧沮仪后，贵金属 消耗降低，能耗降低，产品质量提高，从而产生了良好的经济效益。红外测温仪在我 国也拥有了越来越多的使用者。现在国产红外测温仪在市场上也占有一定的比重。 红外测温是利用物体的辐射能量与温度有关的原理，而组成红外测温系统也就 是所测目标所辐射的红外能量，通过大气传输到红外测温仪，测温仪将辐射能转换成电 信号，通过放大及线性等化信号处理后，以模拟信号4 2 0m a 或0 5v 或数字信号方 式显示输出红外测温仪的种类很多，现以美国雷泰r a y t e k 公司的红外仪为例说明其分 类： ； 便携式( 手持式) 体积小，重量轻，电池供电”，适合随身携带，只要一扣板机，就能 进行测量r a y t e k 公司1 9 9 8 年推出新一代s t x 系列测温仪，测温范围为一3 2 5 4 0 ，精度为1 分辨率为0 1 ，其d ：s 为3 0 ：l ，广泛用于铁路、工业各部门成 系列具有环形激光瞄准技术，测量范围一3 2 9 0 0 ，d ：s 为6 0 ：1 ，精度为1 ， 分辨率为0 1 ，暇4 + 可储存1 0 0 条数据，可通过计算机显示打印数据，广泛用于电 力、电信、冶金等部门r a y t e k 的3 1 系列，具有单、双、交叉激光和望远镜瞄准方式 测波范围一3 0 3 0 0 0 ，特别适用于远离物体的测量 在线式( 固定式) ，固定在现场，可以连续2 4h 监测，可以进行连续显示，与计算机 相连，闭环控制，打印输出加以保护装置，可以在恶劣环境下工作r a y t e k 公司在线 式有c i ，t x ，e t 系列，将传感一头与电子线路集成在一起，便于安装和操作，c i 系列。 小型化，低成本，测温范围：0 5 0 0 ，t x 系列，可提供4 2 0m 输出，和r s 2 3 2 输 出则温范围一1 8 2 0 0 0 ，e t 系列，具有热电偶输出，测温范围0 8 7 0 ，t 系列 是一种高档在线式仪表，测温范围为0 3 0 0 0 ，马拉松系列( m a l s m a 2 s ，i r i s i ? 具 有先进的光学系统，智能数字电路，优良的用户界面，特别适用于恶劣环境，测温范 围：6 0 0 3 0 0 0 扫描式：即行扫描式测温仪，用于测量9 0 现场内一条线的温度分布，每行可测 2 5 6 个点，可在监视器上形成热图像，直观、清晰地进行温度监控r a y t e k 的m p 4 0 仪 表，每路扫描2 0 条线，每条2 8 6 个点，视场9 0 。，测温范围：2 3 1 2 0 0 ，配以相应软件， 可以得到实时图像，或温度分布曲线，并可存储数据 1 3 论文研究的目的和意义 在目前的红外测温仪中，对红外测温仪测量时，目标所占视场的范围都做了明确 的规定，也就是说，在被测目标充满整个视场的情况下才能得到准确的温度显示。否 则，红外测温仪的显示值则是视场范围内所有目标发出的红外辐射温度的平均值。 每台测温仪设计出来之后都有了自己确定的d ：s ，这个值是衡量目标是否充满整 个视场的一个判断依据。这里的d 是测温仪到目标的距离，s 则为目标的直径。我们实 验用的红外测温仪是美国r a y t e k 测温仪，它的d ：s 为1 0 5 ：1 。也就是说，在测量距 离为1 0 5 c m 的情况下，能够准确显示温度值的目标直径最小为l e m 。当增加测温距离或 者减小目标的直径的时候，实际的d ：s 就要大于1 0 5 ：1 ，这个时候，探测器所接受的 辐射，则不仅仅是我们待测目标的红外辐射，而是探测范围内所有目标的平均值。 在以下两种情况下能够凸显本论文的目的。一是当被测目标小到不在红外测温仪 的最小测量距离内；二是由于条件限制，不得不在远距离测量的时候。这两种情况下， 被测目标都是不能充满整个视场的，我们必须经过某种手段来测得它的真实温度 本论文在理论计算同实验测量的基础上，对未充满视场的红外目标的测温精度进 行了分析，拟合了一个函数来纠正未充满视场情况下我们测量的不准确值。 1 4 本论文的主要工作 本论文将要做的工作如下： 一、根据红外测温仪的测温原理，对视场内待测红外目标以及背景的辐射出射度 进行理论推导计算。 二、实验测量不同距离内，红外测温仪所得到的温度显示。 三、对理论结果和实验数据进行验证，分析误差存在的原因，绘出误差图。 四、得到拟合函数，来修正我们得到的不准确的温度值，完成论文。 4 第二章红外测温理论基础 2 1 红外辐射测温原理概述 当物体受热时，其分子内部原子的相对振动、分子的转动以及晶体中原子的振动 均随温度升高而加剧。物体受热使物体内的原子或分子从受热中获得能量，从低能态 跃迁到高能态：在到达高能态的过程中发出的多种频率的辐射，这类辐射称之为“热辐 射”。” 热辐射是一个物体或热力学系统处于热平衡状态下的辐射，因此又称为平衡辐 射。在这种情况下，一个物体或系统从周围环境或物体所吸收的能量恰好补偿了由于 自身辐射所减少的能量，这时物体可以用一个确定的温度加以描述。当物体从外界得 到的能量不足以补偿其全部辐射能量时，则该物体的一部分辐射能要靠物体本身贮存 的内能来提供，这时物体内能的平衡分布将遭到破坏，从而导致辐射不再处于平衡。 然而如果物体辐射的变化发生得非常缓慢，以至于物体的内能还来得及达到平衡分布， 辐射仍将具有平衡特性。在这种情况下，尽管物体的温度会慢慢下降，但就各个瞬间 而言，物体的辐射状态仍可以看作是处于平衡态的，因而可以用一定的温度来表征， 这样的辐射成为准热辐射。 实际物体的辐射绝大多数可以看作为准热辐射，因此根据物体的热辐射进行温度 测量是有意义的。 热辐射是指能量从一切物体表面的连续发射，并以电磁波的形式表现出来。1 。这种 电磁波的产生是由于物体内部的带电粒子在原子和分子内的振动结果。热辐射只是整 个电磁波的一个组成部分，是由相差很大的红外线、可见光和紫外线所组成。任何物 体只要它的温度高于绝对零度( 一2 7 3 c ) ，就有热能转变的热辐射向外发射。物体温度 不同，其辐射出的能量就不同，且辐射波长也不同，但总是包含着红外辐射( 其波长范 围在0 7 6 un l 与1 0 0 0 pm 之间) 在内。 2 2 有关红外辐射的基本概念 2 2 1 描述辐射场的基本物理量。1 ( 1 ) 辐射能量( q ) ：由辐射源发出的全部辐射光谱( 包括紫外线、可见光和红外 线) 的总的能量称为该辐射源的能量，其单位为焦耳( j ) ： ( 2 ) 辐射通量( 中) ：在单位时间内通过某一面积的辐射能量，称为经过该面积的 辐射通量：而辐射源在单位时间内发出的辐射能量叫做该辐射源的辐射通量。因此辐 射通量是辐射能量随时间的变化率，其单位为瓦特( w ) ： 5 o ：塑 面 ( 2 1 ) ( 3 ) 辐射强度( i ) ：点辐射源在某方向上单位立体角内所发射的辐射功率称为辐射 强度，它是描述点辐射源发射的功率对于空间分布特性的物理量。若点辐射源在小的 立体角d w 的辐射通量为dc p ，辐射强度可表示为： ，：丝 如 ( 2 2 ) 其单位为瓦特球面度( w s r ) 。 ( 4 ) 辐射出度( m ) ：面辐射源单位面积向半球空间所发射的辐射功率称为辐射出 度，这个概念不仅可以用于物体本身的辐射，也可以用于物体反射的辐射，用数学表 达式可表达为： m ：丝 峦 ( 2 3 ) 其单位为瓦米2 ( w 【1 1 2 ) ： ( 5 ) 辐射照度( e ) ：辐射照度是指周围其它辐射到物体单位表面积上的辐射通量。依 靠反射或散射其它辐射源的辐射而辐射的物体，其辐射出度取决于辐射照度。物体的 辐射照度e 越大，则其辐射出度m 也越大： m = k e ( 2 4 ) 式中k 为散射或反射系数。 ( 6 ) 辐射亮度( l ) ：面辐射源在某方向上的辐射亮度，就是源在该方向上的单位表 观面积在单位立体角内的辐射功率，它是描述面辐射源最重要最常用的物理量，其数 学表达式为： d 2 0 肛i 妣 ( 2 5 ) 其单位为瓦特球面度平方米( w ( s r 秆) ) 2 2 2 绝对白体、绝对黑体和绝对透明体“” 当物体表面接受辐射能时，通常有一部分能量被物体吸收，一部分能量从物体表 面反射，还有一部分能量可能透过物体而被透射出去，如2 1 所示1 假设外界透射到物体表面的能量为q ，被吸收的是q ，反射的是线透射的是q ， 则根据能量守恒定律有： q ：皱+ 级+ q ， 6 两边同时除以q ，得： 立+ 堡+ 堕：l( 2 6 ) q q q 其中，皱q 、眈q 以及q ，q 分别称为该物体的吸收率、反射率和透射率，并以a 、 1 3 、t 表示。 | | q ， 多 | 级 图2 1 入射能量分布“” 当p = 1 时，则q = t = 0 ，说明入射到物体的能量全部被反射，若反射服从一定规 律此物体叫“镜体”，若反射无一定规律，此物体称之为“绝对白体”当a - - 1 时，则p ：t = 0 ，说明入射到物体表面的能量全部被吸收，具有这种性质的物体称为“绝对黑体” 或简称为“黑体”：当t = 1 时，则a = p = 0 ，即入射到物体表面的辐射能量全部穿透过 去了，具有这种性质的物体称为“绝对透明体”。自然界中实际并不存在绝对白体、绝 对黑体和绝对透明体，它们只是为了研究辐射现象而假设的。 2 2 3 基尔霍夫( k i r e h h o f f ) 定律与发射率 黑体是理想化的辐射体，然而在自然界中理想的黑体是不存在的，大量的非黑体 辐射才是自然界中的普遍现象。显然，不能把黑体辐射的定律直接用于实际物体，那 么非黑体辐射与黑体辐射有没有关系呢? 利用在相同温度下实际物体与黑体的辐射出度之比来表示该物体的一种特性，称 之为实际物体的发射率，也叫做全发射率，用表示，它的定义为“” 占：竺( 2 7 ) m o 式中卜实际物体辐射出度； 吣一黑体辐射出度。 基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出了一个好的吸收体 也是一个好的辐射体。可以用下式表达： f = 口( 2 8 ) 由此可以看出，任何处于热平衡下物体的吸收率等于发射率，即物体的辐射本领 越大其吸收本领也越大。 基尔霍夫定律也可用于单色辐射，即： 毛= 口i ( 2 9 ) 式中：毛为光谱发射率； 为光谱吸收率。 由发射率的定义可以看出，在相同温度与波长下，实际物体的辐射出度要比黑体 小。1 5 1 2 2 4 朗伯( l a m b e r t ) 余弦定律与漫辐射源“” 一般来说，面辐射源的发射功率与方向有关，并非均匀分布。但是对于某些面 辐射源，其辐射强度与方向无关，是一个常数，用数学表达式可表示为： d o ：l d a c o s p( 2 1 0 ) d 式中o 观察方向与面元法向的夹角； i 比例系数，与。无关。 遵从朗伯余弦定律的辐射源，称为漫辐射源或朗伯体。黑体就是理想的漫辐射源。 绝大多数的绝缘材料，相对表面法线方向的观察角。在6 0 。以内都可以近似地看作是 朗伯体。 朗伯体的辐射亮度l 与辐射出射度m 之间有如下关系： ：丝( 2 1 1 ) 2 3 黑体辐射定律 绝对黑体在物理学和辐射测温学中都是一个重要的概念。绝对黑体的辐射称为黑 体辐射。一个密闭空腔中的辐射就是黑体辐射。实际上，自然界中并不存在这样一种 物体，其辐射特性与黑体完全相符，它实际上只是一个理想的物理模型，具有以下特 性： ( 1 ) 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射能量，而且与入射波长和方向无关： ( 2 ) 在任何温度下，每单位面积都能发出最大的辐射通量； 8 ( 3 ) 其发射与方向无关，即为一个漫射体。 下面就辐射测温的需要来讨论黑体辐射理论中的基本定律，主要包括普朗克定律， 维思位移定律和斯蒂芬一玻耳兹曼定律。 2 3 1 普朗克定律 黑体的光谱辐射出射度是波长和黑体温度的函数，即： m = e x p ( 生c 2 a t ) - 1 ( 2 1 2 ) 式中：c l 第一辐射常数，c 1 = 2 砌c 2 = 3 7 4 1 5 x 1 0 一”( 矿坍2 ) c 2 第二辐射常数，c 2 = 警= 1 4 3 8 8 x 1 0 2 仰墨) ； 其中：k 玻耳兹曼常数； 卜普朗克常数： c 一电磁波在真空中的传播速度。 图2 2 表示了不同温度下黑体辐射的频谱分布n 町，从图中可以看出：黑体总的辐射 能量随温度的增高而增加：单色辐射出度随温度的升高而升高：对于某一温度，单色辐 射通量在波长 m 下有最大值；随着温度的升高，极大值对应的波长 m 向短波方向移 动。 当x t 乘积较小时，即p 一1 ：p 一时，则式( 2 1 2 ) 可表示为： m ( j n = q 2 - 5 p 一。御 ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 称为维恩公式或维恩近似公式。 图2 2 黑体辐射曲线 9 2 3 2 维恩位移定律 从图2 2 可以看出，对于一定的温度，绝对黑体的光谱辐射出度有一极大值，相 对于这个极大值的波长为 n l ，并且绝对温度越高，xi n 越小。 从普朗克公式( 2 1 2 ) 出发，可以证明，黑体绝对温度t 与 m 存在如下关系“”： 以t = b ( 2 1 4 ) 这就是维恩位移定律。式中b = 2 8 9 7 x 1 0 “( m k ) 。 利用维恩位移定律，由被测目标的温度，可以确定红外系统的工作波段。 2 3 3 斯蒂芬一玻耳兹曼定律 将普朗克公式空间的总辐射功率( 2 1 2 ) 对所有波长积分， 体辐射到半球空间的总辐射功率啪1 ，即： m o = 刀4 便可得到描述单位面积黑 ( 2 1 5 ) 式中，e r = 5 6 7 0 x 1 0 一( c o 研- 2 一k 。j ，称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数。 如果黑体的温度为t ，周围环境温度为t ：，且t 。 t ：时，物体本身的辐射出射 度为ot 。，而吸收的部分则为ot ? ，因此物体净的辐射出射度为： m o = 盯( 正4 一正4 ) ( 2 1 6 ) 上式表明除非t i t 2 ，否则处于室温条件下的物体的辐射是不能忽略不计的。忽略 辐射物体对厨围物体辐射的能量的吸收将会导致相当大的误差。 0 第三章半视场红外目标测温计算的理论推导 3 1 红外测温仪工作原理 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分 组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件 以及位置而定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放 大器和信号处理电路按照仪器内部的算法计算和目标发射率校正后转变为被测目标的 温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和 干扰等因素对性能指标的影响及修正方法”“。 3 1 1 红外测温仪原理 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围发出红外辐射能量。物体的红外 辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过 对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射 测温所依据的客观基础。 图3 1 红外铡温系统结构 红外测温仪用来测量物体表面温度，测温仪的光学元件发射的、反射的以及透过 的能量会聚到探测器上，测温仪的电子元件将此信息转换成温度读数并显示在测温仪 的显示面板上。红外测温仪显示的温度常称为目标的亮度温度，与物体真实温度有些 差别，因为物体发射率对辐射测温有一定的影响，自然界中存在的实际物体，几乎都 不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物 体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使 黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例 系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在0 到l 之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。 3 1 2 红外测温仪性能参数 ( 1 ) 测温范围：每种测温仪都有自己的测温范围，不同的温度段要选用相应的工作 波段，低温段一般选用7 1 4p m ，中温段选用3 5p m ，高温段选用1u m 或2 um 。 ( 2 ) 距离系数：距离系数即测量距离d 与测量光斑直径之比。在使用单色测温仪时 被测目标必须大于或等于测量光斑大小。 ( 3 ) 温度分辨率：表示测温仪能够辨别被测目标最小温度变化的能力。 ( 4 ) 测温精度：即允许误差，包括系统误差和随机误差。误差可用绝对误差和相对 误差来表示。 3 1 3 红外测温仪的分类旧1 ( 1 ) 全辐射测温仪。这类测温仪是根据被测目标在全部波长范围的辐射亮度的大 小确定其温度，这就要求测温仪的光学系统和红外探测器在所有波长有相同的透过率 和影响，这实际上做不到。这类测温仪的电信号与温度的四次方成正比，易受外界干扰， 测温范围窄，因此，其发展缓慢，现在已经很少采用。 ( 2 ) 光谱带通辐射测温仪。这类测温仪( 即所谓的单色测温仪) 是根据被测目标在 一定波长范围内的( 确定的中心波长九和波长间隔 ) 黑体辐射亮度的大小确定其 温度。可分为窄带通和宽带通两类，前者用于测量高温或某些有选择辐射的目标，后者 用于测量低温目标。这类测温仪由于窄的带通，减少了背景辐射的影响，还可根据应用 要求选择波长范围，是目前测温仪应用的主流。 ( 3 ) 双色测温仪。双色测温仪的工作原理依据是：在选定的两个波长和一定的带宽 下物体辐射能量之比r 随温度t 变化的规律，由普朗克定律可得 r = k 岛占2 e x p 【- c 2 r ( a 一1 五) j ( 3 1 ) 一般而言，双色测温仪可以较好地消除由于确定被测目标发射率时的人为误差，被 测目标尺度细小、运动和振动或因测量通道受阻而不能充满现场，以及光路上尘埃颗粒 等造成能量衰减等原因引起的测量误差。 3 1 4 红外测温误差分析 由于红外测温是非接触式的这样会存在着各种误差影响误差的因素很多，除了 仪器本身的因素外，主要在以下几个方面”： 1 发射率( 即辐射系数) 发射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、 表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关若物体为光洁表面时，其方向性更 为敏感不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接收到的辐射能量大小正 比于它的辐射率 根据基尔霍夫定理：物体表面的半球单色发射率( e ) 等于它的半球单色吸收率 ( a ) ，e = a 在热平衡条件下，物体辐射功率等于它的吸收功率，即吸收率( a ) 、反 射率( p ) 、透射率( y ) 总和为1 ，即a + p + y = 1 对于不透明的( 或具有一定厚度) 的物体透射率可视y = 0 ，只有辐射和反射( n + p = 1 ) 2 距离系数 距离系数k 对红外测温的精确度有很大的影响，距离系数( k = d ：s ) 就是测温仪 到目标的距离d 与测温目标直径s 的比值，k 越大，分辨率越高4 1 被测物体和光学视场决定了仪器测温的精度。使用红外测温仪测温时，一般只能 测定被测目标表面上确定面积的平均值。 一般测试有以下三种情况： l 激光豪工一 图3 2 红外测温仪的d ：s 1 ) 当被测物体大于光学视场时，仪器能显示被测物体位于光学视场内确定面积 的真实温度，这时的测试效果最好。 2 ) 当被测物体等于光学视场时，背景温度已受到影响，但还比较小，测试效果 一般。 3 ) 当被测物体小于光学视场时，仪器仅显示被测物体和背景温度的加权平均值。 此时测出的温度误差和被测物体的背景温度有关同时也和被测物体与背景大小有关。 如果背景为天空时，还可能出现负值温度，所以当被测物体小于光学目标时，测试效 果比较差。因此，进行红外测温时，除需要满足电力设备安全距离的要求以外，还要 满足测温仪器本身要求，角度也要相对固定。这样才能保证测温的准确可靠性和较好 的可比性。 3 环境因数 被测物体所处的环境对测量的结果有很大的影响当设被测目标的温度为t ，环 境温度为t ：时，该目标单位面积表面发射的辐射能为aeo1 一。，而相应地被它所吸收辐 射能为aaor 。，则该物体发出的净辐射能q 为 q = a s o t 4 1 一a l z c r t 4 2 ( 3 2 ) 式中a 为单位面积，e 为物体的辐射率，q 为它的吸收率设被测物体的e 和q 两者相 等，由( 3 2 ) 可得 q = 彳盯p 4 一r 4 ：) ( 3 3 ) 表3 1能量误差随目标温度及环境温度的变化关系 表3 1 提供了感受波长在( 9 1 2pm ) 的测温仪在环境温度为2 7 0k 至3 3 0k 范围， 对从3 0 0k 至i 0 0 0k 目标温度进行测量时产生的能量误差。 3 2 黑体辐射度的计算 这里介绍两种用得很广泛而且是最基本的函数表，即f ( 九t ) 表和f ( 九t ) 表。用 这些函数表，可以计算在任意波长附近的光谱辐出度m b ( ，t ) 及在任意波长间隔之内 的辐射出射度m b ( 一 。t ) 。 3 2 1f ( 凡t ) 函数表 所谓f ( xt ) 函数表，是指用峰值波长处谱辐射出射度m b ( n l ，t ) 归一化任意波长 处谱辐射出射度地( ，t ) 而构成的函数表，即： 朋丁) = 而m b ( 丽a , t ) ( 3 4 ) 由普朗克公式： m 6 ( a ，丁) = 睾_ ( 3 5 “e 砸鲁) 一1 4 m 。( 以，r ) ；丁c 1 _ _ ( 3 6 ) e x p ( 丢) - l 以t = 2 8 9 8 ( o n k ) ( 3 7 ) 心( 丸，d = 矿c 2 ) 5 五c c 2 c x p ( 1 。丁5 = 3 8 o 三、一 6 l = 矿c 2 产i c ! 再c 2 “2 8 6 2 1 0 ( 彩1 9 是常数。峰值波长处的谱辐射出射度与温度的五次方成比例。这样，将( 3 5 ) 和( 3 8 ) 朋耻 扣，4 再l ( 3 1 0 ) 可见，f ( 九t ) 正是以( t ) 为宗量的函数。完成( 3 1 0 ) 式的计算，就建立了f ( t ) 函数表，由表3 - 2 给出，其图解如图3 3 所示，从图可见，如果 t 1 0 0 0 ，则f ( 实际应用中，由给定的t 及九值，先求出 t ( p m k ) 值，再由函数表查出或由 图3 3 查出f ( t ) 的值，待求的( ，t ) 由下式给出： m 6 ( 旯，r ) = 厂( 五丁) 6 l r 5 ( m 2 卢m 1 ) ( 3 1 1 ) 如果 t 1 0 0 0 ，则f ( t 1 0 0 0 ) 0 ，所以地( ，t ) 0 。这表明在给定温度下， 黑体基本上不辐射该波长的光辐射。 图3 3 通用黑体函数表曲线 1 5 o 9 8 7 6 5 t 3 2 l o l 0 0 0 0 0 0 o o o 0 l 0 o o 0 0 0 0 o 0 o 蟑复簪墓 表3 - 2 黑体辐射通用函数表 盯。( p m k )，( j n _ 盯b ( 了 ) m l ( ，r )f ( 玎) = 肌( 0 _ j t ) 1 0 7 4 5 0 0 0 2 9 6 1 6 x 1 0 。仉1 2 蚰2 1 0 一i 1 0 o l0 1 “0 6 0 0 3 幻7 l 1 1 仉0 3 7 6 7 90 0 0 0 9 1 1 0 8 1 2 仉0 7 2 5 3 4o 0 0 2 1 3 3 9 1 3 0 00 1 2 2 6 仉o m 3 1 5 9 j i 仉1 8 8o 7 s 1 5 0 2 6 1 4 9o 0 1 2 “9 1 6 o 3 4 4 9 00 0 1 9 7 1 7 1 7 “拈2 3 3o 眙髓3 2 1 8 0 0o 5 1 9 9 5o 0 3 9 3 3 9 1 9 0 0 0 6 0 “2 o 0 5 2 1 0 4 2 oo 6 髓1 2o o 柏7 巧 z i o - 7 5 4 1 60 0 8 a 0 4 8 2 2 m 8 1 6 3 3仉1 明 2 3 0 0o 8 6 9 0 3 0 1 2 2 甜o oo 9 1 2 1 5仉 4 0 2 5 2 5 0 0o 9 4 6 9 4o 1 6 1 3 5 2 0o 9 7 0 柏o 1 8 3 1 l 2 7 0 00 9 8 7 6 9o 1 1 i 2 8 0 0仉9 1 2 o 2 啪b 2 01 洲0 3 5 0 5 5 3 0 0 0 0 9 9 7 1 40 2 7 3 2 2 3 1 0 0“9 9 9 3 5 仉2 9 5 7 6 3 2 0 0m9 7 3 7 0o - 3 1 9 $ 3 0 0 仉9 6 1 9 0m3 4 0 0 9 3 4 0 0o 9 4 3 3 5o 9 6 1 7 2 3 5 0 9 2 2 如 o 3 8 2 9 0 1 6 3 6 0 0 0 9 0 0 4 30 4 0 3 5 9 3 7 0 0 3 8 0 0 3 9 0 0 4 0 0 0 1 0 0 4 2 0 0 4 3 0 0 4 5 0 0 6 4 7 0 0 4 8 0 0 9 0 0 5 0 0 0 5 1 5 2 5 3 0 0 5 4 0 0 5 5 0 0 5 6 5 7 0 0 钮 5 9 6 0 0 0 r o o o 7 5 0 0 s o o o 8 5 0 0 9 0 0 0 9 5 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 1 3 0 0 0 1 4 0 0 0 1 5 o 1 , 6 0 0 0 1 7 0 0 0 l b 0 0 0 1 9 0 0 0 2 0 0 0 0 o 8 7 , 5 5 8 o b 5 1 7 4 0 b 2 6 2 l o b 0 0 2 9 o 7 7 4 2 0 0 7 8 1 o 7 2 2 2 7 o 6 7 1 6 0 o 6 4 7 0 0 o 6 2 2 姻 o 5 9 9 ( 1 o 6 7 6 9 0 o 5 5 4 9 0 o 5 3 3 6 1 o 5 1 3 0 i o 4 9 3 2 1 o 4 7 4 0 9 o 4 6 5 6 9 o 4 3 8 0 0 o 4 2 1 , 1 0 o 0 4 6 7 o 柏9 0 0 o 3 7 6 9 6 0 2 1 0 6 4 o 1 7 6 嚏 o 1 4 7 8 0 o 1 2 4 8 0 o 1 0 5 9 6 o 0 9 0 4 4 0 o 0 6 6 9 1 3 o 0 5 0 4 4 8 o 0 3 8 6 8 9 d 0 3 0 1 3 l o - 0 2 3 7 0 4 o o l 2 6 “o l s 3 鸽 o 0 1 2 5 7 o 0 1 0 3 7 2 m0 0 8 5 ；： 9 3 7 o 4 3 3 7 5 o 4 4 3 3 6 o 6 2 o o 4 8 0 8 5 o 4 9 8 7 2 o 5 1 6 6 9 o 5 3 2 6 7 o 5 8 4 2 口 0 s 7 9 2 5 o 5 9 3 6 6 o 6 0 7 5 3 “6 2 0 聃 0 6 3 3 7 2 o 6 4 6 0 6 o 6 5 7 9 4 o 5 6 9 3 - ； o 6 3 3 o 6 9 0 8 7 o 7 0 1 0 1 o 7 1 0 7 6 o 7 0 0 1 2 o 7 2 9 1 3 o 7 3 7 7 8 o 咖or l o 8 3 4 3 6 0 8 5 6 2 s 0 8 7 4 6 6 o 8 b 9 9 0 09 0 3 0 4 0 9 1 4 1 5 o 9 3 l o 9 5 0 5 o 9 5 5 0 9 0 9 6 2 8 6 仉9 6 8 9 4 0 9 7 3 7 7 0 9 7 7 7 6 o 9 8 0 8 1 0 9 8 3 4 1 m9 8 5 5 5 3 2 2f ( t ) 函数表 f ( 入t ) 函数表适用于计算给定温度t 某一波长范围内的黑体辐出度，它定义为 ，( 兄r ) ：丝! ! 二墨：1 2 ：- f m b ( a , t ) d a ：_ m b ( a t ) d a ( 3 1 2 ) m b ( 0 一，r ) r m 6 ( 五，r ) 幽 a t 4 式( 3 1 2 ) 建立的f ( xt ) 表由表3 2 给出，其曲线如图3 3 所示，同样当 t 1 0 5 ) ( 4 1 7 ) 通过计算。我们可以看知道，曲线一的最大误差为0 6 度，误差百分比为0 1 3 6 。 曲线2 的最大误差为2 6 7 度，误差百分比为0 5 3 。可见，我们拟合的曲线精度还是 很高的。 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 夕 j j ： ”l 一? 一 一_ ? 。一。一；。整 12345 67891 01 1 i 21 3 图4 8 真实值与差值曲线 图4 9 计算值、测试值及校正后数据曲线 由于式( 3 3 5 ) 是多次近似得出的公式，所以其计算结果与实际测量结果还存在一 定的误差，但我们运用m a t l , k b 对计算值与测量值之间的误差进行三阶多项式拟合， 得出一个补偿因子，该因子实现了计算值与测量值之间的校正。所以，式( 3 3 5 ) 变为 e 2 鲁尸亿正) 川 瓦婀4 + ( x - d y ( 圳一r ( a r , )