视场超出目标的红外测温误差修正方法研究

王超群，崔昊杨，许永鹏，李 祥，唐 忠

(上海电力学院电子与信息工程学院，上海200090)

1 引言

目前，红外测温技术在工业领域的使用日趋广泛而深入，人们对红外测温系统测温精度提出了更高的要求［1－2］。使用环境、发射率、风速等因素对红外测温精度造成的影响，已有对应的修正方法并取得了较好的效果［3－6］。而在红外测温的过程中，测温仪的距离系数比(D∶S，D为测温仪至目标距离，S为目标直径)以及目标表面积的大小决定了测温仪的有效测温距离。为保证测温精度，红外测温系统往往在有效测温距离内使用。对距离影响红外测温精度的研究，也多局限在有效测温距离之内［7－8］。然而，工业现场环境非常复杂，特别是在电力系统中高电压的监测环境下，考虑到安全等因素，不可避免地出现超出有效测温距离，从而导致视场超出被测目标的非常规情况。此时，系统接收的是全视场范围内的热辐射量(目标体及视场范围内背景的热辐射之和)，测量到的温度往往低于目标体的实际温度。此外，电力设备监测点的形态也会对超出目标体的剩余视场面积造成影响，进而决定了测温仪接收的热辐射能量的多少，并导致测温结果的不准确性。这就有必要提出一种与目标表面积相关的红外测温误差修正方法。

本文从热辐射理论和红外测温原理出发，充分考虑了测温距离、目标表面形状、背景温度等影响因素，推导出了视场超出目标辐射表面积的温度误差修正公式，利用该公式对实验结果进行了修正。

2 修正理论

对于D∶S固定的红外测温仪而言，目标与测温仪的位置关系决定了测温仪的视场范围，如图1所示。

图1 红外测温仪视场区域内红外辐射模型(d2为超出有效测温距离的长度)Fig.1 The model of infrared radiation in field area of infrared thermometer(d2is the length of beyond effective temperature measurement distance)

由于红外测温的原理为收集视场范围内所有物体的热辐射量，并将其转换为电信号。当目标体处于B1时，可准确测量目标的温度，此时测温仪与目标之间的距离为d1。而当目标体处于B2时，测温仪与目标之间的距离为d。测温仪的直接测温结果将受到背景环境的影响，这就必须对测温结果进行修正。本文计算了全视场范围内包括目标物体，背景环境的辐射照度和电压响应值，得到对应的目标温度值，从中去除了视场范围内背景温度的影响，得到目标体的表面真实温度值，以此对视场超出目标表面积的红外测温结果进行修正。

当被测目标充满红外测温仪的视场时，视场区域内的红外测温仪的辐射照度公式如文献［9］所述。文献［10］推导出了视场超出目标时的红外测温仪所接收的全视场范围内的红外辐射照度。

本文结合测温仪接收的辐射照度与其转换的电信号之间的关系［11］，根据全视场范围内的辐射照度推导出如图1所示的测温仪视场超出被测目标时，红外测温仪响应电压为:

其中，R为测温仪视场的半径。

令 Km=ARAd－2，Vs/Km=f(Tr)，则式(1)可化为:

依据普朗克定律可得:

式中，m为常数，与红外测温仪的工作波段有关;T为热力学温度。

变换公式(4)的形式可得:

式中，Tr为测温仪直接测量所得的全视场范围内的温度;T0为提取出的目标物体表面的实际温度。式(5)即为红外测温误差修正公式的通用形式。当被测物体表面满足灰体时，可近似认为ελ=αλ。

近距离测温时可忽略大气透过率的影响［12］，令τaλ=1，假定超出目标的背景区域的温度和大气温度与环境温度相等。代入公式(5)，则式(5)可化简为:

由公式(6)可得:

需要说明的是，在应用上述公式修正误差时，当被测目标的测温表面为不规则形状时，测温仪与目标之间的距离要保证红外测温仪的视场必须完全覆盖被测目标。不完全覆盖目标时，视场内的被测目标面积无法确定，这种情况下的修正方法还需进一步研究。若被测目标的测温表面为正多边形，当测温仪视场超出被测目标时，能够通过数学方法确定此时视场内被测目标的面积，可应用上述公式修正。当被测目标为圆形，视场溢出被测目标时，视场内被测目标的表面积即被测目标的表面积本身，可应用上述公式进行修正。

3 实验与结果分析

3.1 实验

在无风、无阳光直射实验室开展实验测量，环境相对湿度为50%，以黑体作为标准源标定测温仪测温误差。黑体的型号为侦测器株式会社的BBZ5，黑体开口直径为30 mm。采用的红外测温仪为VTIR 6816，其距离系数比为 200∶1，工作波段为8～14 μm。依据距离系数比及黑体开口直径，确定本次测温的有效测量距离为6 m。本次实验测量距离从1～20 m，以1 m为间隔进行测量。将红外测温仪与黑体放置在同一水平直线上，调节红外测温仪和黑体开口的高度，使红外测温仪的同轴激光对准黑体开口的中心。分别进行三组实验:①环境温度17℃，黑体温度58℃。②环境温度33℃，黑体温度58℃。③环境温度33℃，黑体温度80℃。每组实验分别进行三次测量，取三次实验数据的平均值。实验结果如图2和图3所示。

3.2 结果分析

图2为环境温度在17℃和33℃情况下，红外测温仪测量温度随距离变化曲线，从中可以看出，距离对红外测温仪测温精度的影响不可忽视。超出红外测温仪有效距离后，随着距离的增大，测温误差逐渐增大。两条温度曲线均呈下降趋势，偏离被测目标的真实温度值，并且环境温度与目标温度差值越大，温度下降的趋势越明显，测温的精度则越低。这是由于在使用过程中，红外测温往往受到很多因素的影响，如目标发射率，环境温度，大气透射率，测温距离等。当测温视场超出被测目标表面积后，影响红外测温精度的因素不仅仅是测温距离，而是由距离变化引起的多种影响因素的综合作用。

图2 环境温度为17℃和33℃情况下红外测温仪温度曲线(目标温度为58℃)Fig.2 The temperatures curve of infrared thermometer when the situation of ambient temperature is 17℃and 33℃(target temperature is 58℃)

考虑到实验中测量距离较近，大气透射率对测温的影响可忽略不计，而环境温度，发射率和测温距离等因素对测温的影响集中反映在背景环境上。随着测温仪与被测目标体之间的距离增大，测温视场逐渐增大。视场范围中，超出目标体表面积的部分所占比例逐渐增大，导致测温过程中受到背景环境的影响逐渐增大，测温误差增大。由于实验中目标物体的温度高于环境温度，目标物体的发射率高于背景发射率，故温度曲线呈下降趋势。因此背景温度与被测目标温度相差越大，温度下降趋势越明显。

图3 被测目标表面温度为58℃和80℃情况下红外测温仪温度曲线(环境温度为33℃)Fig.3 The temperatures curve of infrared thermometer when the situation of target temperature is 58℃ and 80℃(ambient temperature is 33℃)

图3中可以看出，随着测温距离的逐渐增加，所测温度值曲线下降趋势趋于平稳并且逐渐靠近环境温度。这是由于当测温仪与目标体之间的距离增大到一定程度后，背景环境在整个测温仪视场范围内的比例已经很大，背景温度成为影响测温仪所测温度的决定性因素。虽然随着距离的增加视场范围继续扩大，但温度在接近背景温度后，下降趋势将变缓。

设实验中黑体的表面温度为80℃，测温仪与黑体之间的距离为9 m(超出有效距离)，此时红外测温仪测得的黑体的温度为54℃，采用酒精温度计测得环境温度为33℃。由于测量距离相对较近，可以忽略大气透射率的影响。黑体开口表面积为A0=πr2，r为黑体开口的半径。采用上述误差修正公式(7)对测量误差进行修正，得到修正后的温度为75.83℃，与黑体表面温度真实值相近，极大降低了测温误差。当测温条件不允许近似计算时，可采用通用公式(5)进行修正。图4中可以看出，与修正前相比，修正后的温度值与被测目标体真实温度之间的误差明显降低，可以满足测温需求，提高了红外测温仪超出有效测温距离之后的测温准确度。

图4 三种实验的温度值修正前后的误差对比曲线图Fig.4 the comparison curves of temperatureerrors of 3 experiments before and after correction

4 结论

本文在分析红外测温原理的基础上，提出了一种视场超出目标辐射表面积的红外测温系统误差修正方法。利用此方法对三组视场超出目标辐射表面积的温度数据进行修正。与修正前相比，测量温度值与目标真实温度之间的最大相对误差由0.607，0.374 和0.481 下降至0.093，0.058 和 0.034，修正效果明显。因此在不增加操作难度的情况下，本方法一定程度上解决了红外测温仪瞬时视场超过被测目标表面积时，误差显著增大的问题，在工程应用中具备较好的实用价值。

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