非调制双色红外测温误差实时补偿方法研究

2020-07-10胡子峰王昭君丁国清陈继刚

光学仪器 2020年3期

胡子峰，王昭君，金路，丁国清，陈继刚

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114；2.上海交通大学仪器科学与工程系，上海 200240；3.上海精密计量测试研究所，上海 201109）

引言

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体红外辐射的能量按波长的分布情况与物体表面温度有着十分密切的关系[1]。因此，通过测量物体自身辐射的红外能量，便能准确地测定其温度。随着现代红外技术的不断成熟和日益完善，在高危险、高腐蚀和高辐射环境中[2]，红外测温技术凭借非接触式、不干扰温场、响应速度快、测温范围广且可测微小目标物体的温度等诸多优点[3-4]，已得到广泛应用。双色红外测温法即利用能量等比吸收的原理，接收物体在两个相邻波长内的辐射能量，由于两路信号的比率仅是源表面温度的函数[5]，可根据两路信号的能量比值来确定被测物体的温度。双色红外测温法除了可以克服大气和烟尘、水汽等介质[6]等环境因素的影响外，还可以削弱发射率的影响[7]，得到的结果更接近被测物体的真实温度[8]，具有提高测量准确度和抗干扰能力的特点，能满足工业生产和较为恶劣的工作环境的测温需求[9]。但双色红外测温法存在由探测器暗电流、漂移和各种环境噪声等仪器系统自身因素引起的误差，以及大气红外辐射和系统自身辐射的能量所引起的系统漂移电压误差。这些误差带来的不确定度成为严重制约非调制双色红外测温技术发展的瓶颈。

为避免双色红外测温时环境温度变化对测温准确度的影响，目前已有使用调制盘/斩波器结构为测温系统提供环境因温度变化引起的背景红外辐射和电路漂移的补偿。但驱动调制盘所用的步进电机增加了仪器的体积和结构的复杂性，并削弱了仪器的抗震性和可靠性[10]。还有采用在非调制双色红外测温仪内部增加温度传感器的校准方法，补偿值通常是在出厂之前对系统进行标定所得，但其不能实时校准各种因素引起的系统偏移电压。本文在非调制双色红外测温法的基础上，提出了适用于非调制双色红外测温的快门结构及其算法，实现了无需调制盘/斩波器结构即可实时补偿大气背景辐射能量和电路的漂移。

1 快门式非调制双色红外测温原理

1.1 非调制双色红外测温原理

双色红外测温法根据两个相邻波长的红外辐射能量的比值，即通过比色方式来确定被测目标物体的温度。相邻波长处的发射功率大致相同，在一定条件下可以将坡度假定为1。

式中ε1、ε2分别为波长λ1、λ2处的发射率。

则两路信号的比值为

1.2 非调制双色红外测温误差来源及消除

由于双色红外测温法本身抗能量衰减的能力较强，其误差主要来源如下[12]。

（1）背景温度的影响。实际测量时，探测器不仅吸收了被测物体的辐射，而且把临近物体的辐射也计算在内，从而带来了误差。其影响仍可使用黑体辐射定律进行计算。

双色红外测温仪接收到的总能量为被测物体辐射能量，周围环境物体辐射能量及大气辐射能量三者之和。以第一路波长红外辐射功率为例，该路红外探测器接收到的总功率[13]为

无快门非调制双色红外测温时，为了补偿环境温度的影响，在靠近红外探测器附近安装温度传感器。通过温度传感器测得的温度值来近似补偿大气辐射功率带来的误差。为了获取温度传感器和大气辐射功率之间的关系，在产品出厂时已经在恒温箱中进行各种温度的保温试验并将红外探测器对应的输出量记录和保存。在工业生产和试验现场使用时，红外测温仪的测控软件读取温度传感器的温度值，自动匹配对应的大气辐射功率并进行补偿。

此时比色表达式为

补偿大气辐射功率后的R（T）已经不是标准的指数函数，此时，非调制双色红外测温仪对被测物体温度的解析需要更好的算法支持。同时，M10（T0）和 M20（T0）并无途径实时获取，只能在出厂前预先实验确定并烧录至红外测温仪，在比色计算的时候调用。

工业生产和试验现场使用此类非调制双色红外测温仪测温时，由于环境条件和使用工况的限制难以补偿环境反射辐射功率，只能采用合理布局、遮挡强光源等手段，尽量消除被测对象周围环境引起的环境反射辐射功率。

但在光路中增加快门及其控制模块，可以在需要的时候，通过闭合快门，达到完全遮挡被测物体辐射功率和环境反射辐射功率的目的。此时，只有背景大气辐射功率通过光路进入红外探测器，将测得的大气辐射功率作为补偿项，可以完全补偿实际测温时大气辐射功率带来的误差。

工业生产和试验现场使用非调制双色红外测温仪测温时，采用快门方式补偿大气辐射功率后，可以认为进入红外探测器的功率，即被测物体辐射功率为

（2）InGaAs探测器、电路等噪声的影响。根据InGaAs光电二极管的工作特性，其噪声电流主要为热噪声和光电流引起的散粒噪声，即

式中：k为Boltzmann常数；B为噪声带宽。图1为滨松G6849型InGaAs光电探测器随环境温度而变化的曲线。

式中q为电荷量。

则探测器的噪声等效功率可以表示为

式中S为响应度。

图1 探测器并联电阻和环境温度的关系Fig. 1 Shunt resistance of detector vs ambient temperature

1.3 仿真结果

图2为无快门非调制双色红外测温仪内部温度传感器补偿流程图，采用数字温度传感器DS18B20，一线式管脚直接与处理器的通用接口相连实现双向通讯，测温范围为-55 ～125 ℃。在恒温箱中进行-20 ～60 ℃的保温试验，满足了工业生产和试验现场的需求。图3是增加快门结构后的快门式非调制双色红外测温的结构示意图，此时有无温度传感器补偿，对测量结果基本没有影响。

图2 无快门非调制双色红外测温仪内部温度传感器补偿流程图Fig. 2 Flow chart of compensation of non-modulation infrared temperature measurement with inner temperature sensor without shutter

图3 快门式非调制双色红外测温示意图Fig. 3 Schematic diagram of compensation of non-modulation infrared temperature measurement with shutter

分别对无快门和有快门的非调制双色红外测温的补偿效果进行仿真。仿真选用的红外探测器为InGaAs探测器，其响应度和波长的关系如图4所示。本文所选取的两个波段为1.2 μm和1.55 μm，都位于该款探测器的光谱响应范围内（0.9～1.7 μm），而且其中一个波段 1.55 μm 正好处于该款探测器的响应峰值处。考虑到双色红外测温时，除了有上述提到的主要噪声外还会有其他噪声的干扰，但经过工频陷波和低通滤波处理之后，可以保证噪声低于60 dB，所以仿真时在真值的基础上还增加了0.1%的白噪声。

图4 响应度和波长的关系Fig. 4 Spectral response vs wavelength

红外测温仪在日常使用过程中，由于磨损、老化以及使用环境、温度、湿度等各种因素的影响，导致测量数据出现不同程度偏差。此时依靠出厂前内置的补偿量，不能有效补偿测量误差。因此必须按照其规定的检定周期，通过周期检定修正误差，从而保证测量值的准确可靠[14]。结合Q/GDW-2010《红外测温仪、红外热像仪校准规范》，工业环境下使用的红外测温仪标准检定周期一般为半年或一年[15]。

表1为非调制双色红外测温仪在初始状态下，有无快门和温度传感器校正的仿真结果，其中假定补偿量与实际值有20%的误差。当非调制双色红外测温仪老化或环境变化导致漂移增加后，假定探测器等引起的偏移量为最初值的两倍，此时得到的仿真结果如表2所示。以上仿真均假设在20 ℃室温条件下进行。

仿真结果表明，非调制双色红外测温仪在初始状态下，利用内置的温度传感器进行温度补偿，可以有效减小误差。但是当红外测温仪因老化、环境变化发生漂移时，该类测温仪误差补偿的效果不理想。而增加快门装置后，可以实时有效地补偿环境温度和探测器漂移等引起的误差，而不受红外测温仪老化等原因的影响，准确度明显提高，可保障红外测温仪长时间有效使用。

表1 测温仪初始状态有无快门校正温度值Tab. 1 Temperature with/without shutter initially

表2 长时间使用后有无快门校正温度值Tab. 2 Temperature with/without shutter when environment varies

2 实验验证

设计并搭建了一套模拟快门的实验装置，以确认系统误差补偿效果，实验装置如图5所示。

本实验将黑体辐射源和红外测温仪放入恒温室中模拟大气红外辐射环境，黑体辐射源型号为R970N。控温稳定性：当温度较低时，不大于0.1℃，当温度较高时，不大于0.1%的辐射源温度。温场均匀性：当温度较低时，不大于±0.15 ℃，当温度较高时，不大于0.15%的辐射源温度。红外测温仪型号为RAYR 3I1ML2U，准确度为±0.5%。实验过程中，调整红外测温仪和对准黑体辐射源，读取红外测温仪的数值。设定环境温度为30 ℃，在黑体炉的温度分别为600 ℃、900 ℃和1 100 ℃的3种温度下进行实测，并重复3次，结果如表3所示。表3中第1列数据为黑体辐射源标准温度即理论温度，第2列至第4列为长时间使用后的红外测温仪实际读数，此测量准确度低，大大超出±0.5%的出厂指标，第5列至第7列为有快门补偿并经数据处理后的结果，准确度已恢复到±0.5%的出厂指标之内。

实际测量结果表明，内置温度传感器进行温度补偿的非调制双色红外测温仪对探测器漂移等引起的误差的补偿效果不理想。而增加快门装置后，可以实时有效去除探测器漂移等引起的噪声，准确度明显提高，可保障红外测温仪长时间有效使用。