非平表面的红外热像测温修正方法研究

李志伟 谢海军 石焕江 张骑虎 倪慧叶

摘要：红外热成像测温受到的影响因素很多，比如目标辐射温度、大气辐射温度、环境反射温度等外界因素影响，同时也会受到镜头温度、探测器阵列温度、机芯内部结构温度、系统电路温度等内部因素影响.在红外热成像仪设计过程中应将这些因素产生的影响进行修正和补偿，以保证测温精确性及稳定性.在温度测量的过程中，距离及角度对测温结果的影响也是人们研究的热点，但是人们没有对点源目标及面源目标分别加以分析，因此，对于距离是否影响测温结果仍存在分歧.本文通过对理论的分析和公式推导，对待测目标与红外热成像仪之间的距离及角度对测温结果的影响进行阐述，并进一步对人体测温进行研究，得到更准确的测温方法，经过实验验证，达到了很好的效果.

关键词：红外无损检测;红外热像仪;测温误差;温度修正;非平表面

引言

在工业生产中，及时掌握设备的工作状态是十分必要的。好多情况下，物体表面温度可以间接地反映设备的工作状态，因此开展依据物体表面温度对工业设备运行状态进行检测和监测的理论与方法研究具有重要的意义。

1热成像测温技术简介

任何物体只要高于绝对零度（-273.15℃）时，都会不断地以电磁波的形式向外发出辐射电磁波，辐射的能量中包含各种波长的电磁波，其中波长在0.76～1000μm范围内为红外线，热作用强，又称为红外热辐射。红外热成像测温技术正是利用被测物体的红外辐射能量和自身温度的关系来达到测温的目的，其理论基础是普朗克辐射定律，该定律揭示了黑体的辐射能量和波长以及热力学温度的关系。通过红外热像仪传感器探测物体的红外辐射，经过一系列的信号和数据处理，把红外辐射信号转化成温度值和可视化红外热图像。

2红外热像的原理

红外热像仪利用红外探测器、红外光学系统和光机扫描系统（目前先进的凝视型焦平面技术就省去了光机扫描系统）接收被测目标的红外辐射能量分布图形，并将其反射到探测器的光敏元件上，利用光机扫描机构对红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，当扫描系统工作时，从景物到达探测器的光束随之移动，从而出现电视一样的光栅，扫描系统以电视光栅形式使探测器扫描景物时，探测器将逐点接收的景物辐射转换成相应的电信号序列，经图像电路处理、转换成黑白标准视频信号，通过监测器显示红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应，而由于被测物体红外辐射的热像分布图信号非常弱，比可见光图像明显缺少层次感和立体感，因此，在实际工作过程中为更有效地判断被测物体的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加其实用功能，如图像亮度、实际校正、伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算等。

3实验分析

3.1实验装置

红外热像仪测温流程图，主要由红外热像仪、氙灯、聚光凸透镜、质量流量计和K型热电偶等组成。红外热像仪采用德国InfraTec公司生产的VarioCAMHDhead980，其分辨率为1024×768，最大采集频率为30Hz，精度为±1.5℃或者1.5%（视测量范围而不同）。氙灯光源使用中教金源公司生产的CEL-PF300-T8，属于高光功率全波段光源，波长连续分布，光谱覆盖范围在200～1100nm。通过在氙灯上加装滤光片，控制透过光线的波长范围，滤光片的透过波长范围及实际光强见表1。氙灯发出的光线经聚光凸透镜聚集形成光斑，由于在氙灯上加装滤光片后光照强度会发生变化，所以采用光功率计测量实际光强。光功率计采用英国Newport公司生产的919P-5kW-50，其探头的接收孔直径为50mm，测量功率范围为20～5000W，精度为±5%。

3.2距离变化对人体测温的影响分析

对于人体测温，可近似看做小区域内的面目标测温，但由于人体表面温度场分布的非均匀性及身体各处的发射率不一致，角度及距离对测温结果影响较大，很难用统一的模型进行处理.目前对人体测温，基本采用测量前额部分温度.由于前额部分面积较宽阔且平坦，适合做温度采集.额温检测可以视为对面源目标的测量.目前常用的测量方法有2种.一种是选取额部一定面积，在选择范围内寻找最高温作为测量结果;另一种是选取额部一定面积，在选择范围内求取测温平均值作为测量结果.经过第2节的分析，如图5所示，边长为p的正方形表示红外探测器的一个像元，它在距离1l处测量的是边长1q构成的正方形面积对应的辐射能量，在距离2l处测量的是由边长2q构成的正方形面积对应的辐射能量.

3.3测温验证

红外热成像仪测量结果受外部因素影响较大，目标表面的发射率、大气透射率、背景与环境温度等因素会直接影响温度测量的准确性，由于热电偶测温精度高、稳定性强，所以采用热电偶测量温度与红外热像仪测量温度进行对比验证。总体来看催化剂温度越高，这两种测量差异越大。带通滤光片透过光强很小，催化剂温升不大，这两种测量方式几乎没有差异。在全波段光照下催化剂温度最高，红外热像仪测量温度略高于热电偶测量温度，原因是红外热像仪测量的是催化剂向光面温度，而热电偶测量的是催化剂背光面温度。所有波段光照下这两种方式测量误差最大为9.7%，基本验证红外热像仪测温的准确性。

3.4温度修正系数的分布

由该位置关系可计算得出各点对应天顶角q。由于实际工程应用中，通常在金属表面填涂一层非导电涂料，且非导电体在法向发射率相较于导电体更大，理论的光谱定向发射率与实际相差不大，因此以8～13mm的PS（Polystyrene）材料作为被测物体材料。经计算可得，该位置关系下修正系数大于1.2的点占比44.1%。由此可见，对实际非平表面测温时的定向发射率进行修正是非常必要的。

4结论

结论针对使用红外热像仪测量非平表面温度时不同被测量点的定向发射率的变化对测温结果的影响，本文依据物体表面定量发射率的变化规律，给出了各个测量点的修正系数。同时，通过点云三维建模，利用热像仪通用几何成像原理推导出红外热像图像素与实际物体的被测表面之间各个测量点的对应关系，给出了红外热像测温过程中非平表面上的大天顶角被测点的温度测量结果的误差修正方法。实验证明了该方法的有效性。

结束语

红外热像技术作为先进的测温方式及机器视觉技术，被广泛应用在石油化工行业，除了设备结焦及设备保温检测等，红外热像也被应用于用电设备运行温度控制、储液罐内液面高度等，不仅增强了石化厂区设备的自动化控制，减小了生产时的安全隐患，同时也为企业生产节能提供了一定的技术手段，为设备的稳定运行和企业的经济效益增加了一道重要保障。

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