红外热像仪测温计算与误差分析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第卷第期卯 年月红外技术介白卯系统与设计红外热像仪测温计算与误差分析杨立海 军工程 学院 热工教 研室,武汉,的【摘要】根据红外辐射理论,通过分析红外热像仪 测温的基本原理,得 到了计 算被 测表面真实温度的通用计 算公式讨论了影响红外热像仪 测 量温度误 差 的各种因素,给出了估计测温误 差 的计算公式本文 的结果包含了人们在灰体近似 等条件 下得到的一些特例。【关键词】红外热像仪,温度测 量,误差分 析,辐 射测温引言由于热成像测温系 统是属 于窄谱辐射成 像测 量设备,受 被测表面 的 发射率、反 射率或吸 收率、环境温度、大气温度、测 量距离和大气衰减等因素 的影 响,降低了红外热像 仪测温的准确性,也影 响了热像仪在一些领 域 中的应用本文 根据热辐射 理论和红外热像仪的测温 原 理,系 统分析了各种因素对红外热像仪测温的影 响,给出了被测 物体表面 发射 率、吸 收率、大 气 透 射率、环境温度和 大气温 度误差 对测温误差影 响的理 论计算 公式。热像仪测温原理红外热像仪测 温 是靠接 收被 测 物体表面 发射的辐射来 确定其温度 的。实际测 量 时,热像 仪接收到 的有 效辐射包括部分目标自身辐射、环境反射 辐射和大气辐射。被测 物体表面 的 辐射亮度为几劝几劝,劝一几其中第一部分为表面光谱辐射亮度,第二部分为反 射 的环境光谱辐射亮度。为被 测 物体表面 温度,为环境温 度,。为表面 发射率,为表面反射率,以为表 面 吸收率。作用 于 热像仪的辐射照度为瓦成一民气几仄劝、一叼几仄十气几仄均其中,。为热像仪最小空 间张 角所对应的目标的可视面积,为该目标到测量仪器之 间的距离,通常一 定条件 下,一为 一 常值,、为大气的光 谱透射 率,气为大气发射率。热像仪通常工作在一拼或一召两个波 段探 测 器 在 工作波段上积分人射的辐射能,并把它转化为一个与能 量成正比的 电信号。人射在 探测 器上 的某 波长 的 辐射功率为几二瓦其中,为热像仪透镜的 面积。收稿日期卯一一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/望 尧年月杨立红外热像仪测温计算与误差分析“辐射“率相应的信”电压“一上乒、侈上式 中,风为探测器的光谱响应度,它表示了红外探测 器把红外 辐射 能 转变为 电信号的能力由于热像仪是工作在某一个很窄 的波段,一拼或一拜之 间,气、气、几通常可认为与又无关,则式 可 写成一粼一卜、。卜“、,。、卜。碑气八之之匕盛令一一,取,黑几又一劝,则式 变为勺一“凡均对一 些 非 金 属表面,如 满足灰 体近 似,则。,对大气如认 为。二气一几,则州几黝一卜一动均、式就是 热像仪测温的通用基本公 式当几时,且认为风与又无关时,的结果,如下式二。一丑式就是文献测温计算令,伶式变 为几卜劝一,气匀其中,表示热像仪指 示 的 辐射温度。当被 测表面 为黑体,大气透射率、,且气时,均热像仪的辐射温 度就是物 体 表 面的真 实温度。当时,热像仪 的辐射温度不等 于物体的真实温 度。式中,如仪。,即认为被 测 物体 为灰 体,且凡二一几时,式就 是 热像仪测温计算常用 的基本公式习卜劝一“一动勒由普 朗克辐射定律知,一加。又一仆和一刹一口一。印其中,一严,分别 为 第 一、第二辐 射常数。不 同的红外探测 器 的光谱响应度随波长又的变化是不 同的。文献给出了种不 同的探测器 的光谱响应随波长的变化,见图。根 据穷、随几的 变化关系,积分可 得匀澎”对一仰探测 器,值为对一户探测器,值为对一拜裘之声叨一一。劝一一抑图红外探测 器 的光谱响应代 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/红外技术心探测器,值为将式代人式得”,几卜一,凡、,二,、,、,。,、。凡朋加欲倒衣四县大姐反阱省熟刀。一飞万万。一一”。一万当使用不 同波段的热像仪时,九的取值不同。这一 点尤 其需 引起人们的注意当被测表面满足灰体近似时,。“,且若认为大气气一几,则式变为矛、了、二一、巨一二青一州式 变为一告叶一一一音一叫这就是计算灰体表面真 实温度的计算公式当近距测温时,则、式 变 为。一础兀,”幻”一一“,”这是人们经常用 到 的公式当被测表面温度 较高时,很小,则、式变为砂加石这就类似文献【和的结果但文献中,取值为,这仅适合长波一拼热像仪测温的计算当已知 被 测表面 的发射率时,用式或式就可 由测 出的辐射温度 算出被测表面 的真 实温度也可根据式算出被测 面 上两点的温度差如热像仪测 出目标表面两点的辐射温度为和三,这两点 的真实温度差应为一一一奈一一。刀,一兀主一卜。写,石可见当被测表面为灰体时,被 测表面真实温差与表面发射率。有关当取时,即认为被 测 表面为黑体,则二一卜真实温差 就是热像仪指 示 的 辐射温 差当时,随的取值不 同,计算出被 测 面两点间 的温 差就不 同如。取值越小,两点 间温差计 算 值就越大因此 对 一些实际设备,当发 射率。估 计不准时,就给利 用设备的相对温差 来一识别 故障带来不 准确性所以在进行温度测 量 时,必须 尽量准确测 出被 测表面发射率值热像仪测温误差计算分析对式微分可得赞一渝一青一一令争二讯“一鲁普、令臀一一咖二赞一等二争 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/卯年月杨立红外热像仪测温计算与误差分析可见用热像仪测温计算出的目标真实温度 的误差将受 到。、凡、和的测量误差的影 响用式可计算出热像仪测温误差的大小当被 测体可认为是灰体,大气也满 足灰体特性,则式 变为赞一击一青一二一扭笋二一争会犁等一一刀赞一劫普可见 对灰体目标,真实温度的计算误差 由、兀和的测量误差引起当在 实验室 内或近距离 测温时,通 常可 忽略的影 响,即认为大气透过率几式可简化为、,声、甲尹办户赞一渝卜二,粤二,等一卜二争叮丫了丫。了丫,、了丫联顶一一丽飞访剩一又,瓦丁,“戈一万厂诃一一又下厂万厂了当被 测体温 度远远高于 环境温度时,爪一十二二下石很小可 忽 略,并结合式,则式 简 化为上式与文献所得的结果类似文献中取为,仅适合长波 热像仪一拜测温误差计算和全 辐射高温计的测温误差计算。结论用 红外 热像 仪或辐射 温 度计测温,其测温的准确性将受 被测表面 的特性如发 射率、吸 收率、大 气透射率、大气发射率、背 景 温度、大气温度 等因素的影响当被 测表面 的发射率、吸 收率和大 气透射率、大 气发射率、大气温度以代及环境温度测 量不 准确 时,都 会影 响被 测 物体真 实温度计算的精度由于 在 不 同条件下,被 测表面 的 吸 收率和 发射率等很 难估计准确,这是 造成辐射测温精度低、误差大的主要原因。另外,目前使用的大多数热像 仪在用 测得的辐射温度计算被测体真实温度时,都认 为被 测体为灰体,即采用 了灰体近似。,这也是 热像 仪测 量某些 物体温度时精度低的一个原因如果能准确给出被 测表面 的发射率、吸 收率、大气透 射率、大气发 射率、大气 温 度和背景 温度,就能利 用本文给出 的计算公 式,由热像仪测得的 辐射温 度 准确算出被测表面 的真实温度如上述值有误差,可根 据误差大小,算出被测表面真实 温 度的测温误差因此本文 的结果对 提高热像仪的测 温精度及 降低辐射测温误差都有重 要 的意义当采用 不 同波段热像仪或辐射 温度计测 温,用测 出的辐射温 度计算表面真 实温 度 时,一定要注意 辐射 能随温度 变化 的幂次关系。对工作在一群的长波热像 仪或 全 辐 射高温计,辐射 能近似随温度的四次方 变 化而对 工 作在一拼的短 波 热像仪,辐射能 随温度的次方变化而且对不同型号的热像仪,由于探测 器 的光谱响应不同,即使工作在同一个波 段,辐 射 能 随温度 的变化也会有所不同,使用 者一定 要注意对一些 满足灰体近似的非金属表面,用红外热像 仪测温时,测温误差 主 要受表面发射 率、大气透射率、大气温度和环境温度的影响当近距离测 量,可 忽 略大气透射影响 时,测温误差仅受表 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/红外技术面发射率和 环境温度 的影 响。当发射 率 取值不准时,不仅影响 被 测表面 上真 实 温 度计算的准确性,还将影响被 测 面 上两点间 的相对温差 的准确性不仅给利用设备表面绝对温 度 来 识别设 备是否有故障带来一 定难度,而且也 给利用设备表面的相对温差来识别设备是否有 故障带来困难当然,对灰 体表面,只要准确 测出被 测体的发射率,用热像仪测温是可以达到较高精度的。参考文献虞和 济,宋利明故障诊断 的热像技术北京冶金工业出版社,陈衡红外 扫描测温与热诊断学 激光与红外,一刘景 生 红外物理 北京兵器工业出版社,卯斯达尔,缪斯卡石定河,王桂群译红外技术武汉华中工学 院出版社,月刃钻该。摊口脚“叩川”四砍,刀。加曰,因 朋刀卯沙一朱德忠,冯西轴电子玻璃料滴表面温度测 皇工程热物理学报,一作者简介杨立,男,年生博士,海军工程 学院副教授。主要 从事传热与热流体流动、热 物理量 测 量 技术和设备故障红外诊断等方面 的工作。豆耐叼助夕。记,肠加找花,币俪,上接第页张 鹏翔等氧化物高温超 导体室温 光 热 辐 射探测器物理陈鸿林等现代物理知识,男卜一学报海外版,侧一,沃月州王子滨国外超导红外焦平面阵列技术的发展及其在太空尸,内刀武器 中 的应用航天总公司二院二十五所内部资料一一望珍一唐义平亚毫米波高温超导成像技术的研究南京理工大尸学博士学位论文,作者简介黄江平,女,工程 师。年至今在昆明物理研究所超导组从事高温超导红外探测器器件工艺及性能研究。州托叭尺山价吻加匆此,灿,皿,币以沮月,助,