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摘 要：为改进因测量距离增大引起的红外测温精度不高的问题，建立一种新的温度补偿方法。该方法研究引起测量误差的主要影响因素、红外测温的基本原理以及红外能量衰减规律后，推导出温度补偿公式。满足一定条件下，通过实验，将补偿前与补偿后的温度进行比较，获得较为精确的温度值，从而验证方法的有效性。
关键词：红外测温 影响因素 精度提高 补偿方法
中国分类号：TP202+.2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-025-03
1 引言
温度是表征物质状态的主要参数之一。目前，测温方法主要分为接触式测温与非接触式测温。后者主要以红外测温为主。由于是非接触测温，故测温结果受到中间介质的影响比较大，当距离超过一定范围时，红外测温仪的测温精度将会降低，从而导致测量值不准确。
红外辐射在大气传播过程中，不可避免地要受到各种因素的干扰。目前提高测温精度的方法主要通过搭建特定的测温系统和传感器后级补偿电路来实现，比如仪器内部的温度漂移和增益补偿、镜头视场外的辐射补偿以及不同季节下的操作温度补偿。但此方法存在可变性差，只有在标称环境下使用才能达到较高精度的缺点。进行温度补偿时，补偿公式与系统本身参数有关，导致补偿方法复杂难懂，适用条件苛刻，实用性不强。为此，作者通过对影响红外测温精度的因素、红外辐射的基本原理进行分析和试验研究，提出了一种新的温度补偿方法。通过实验，将所测温度与被测目标的真实参考温度做对比分析，并在不同的测温距离下，利用补偿公式得到一个相应的温度差值，使测温仪的精度得到提高。相比目前的温度补偿方法，该方法具有简单易懂，应用方便，且不需要知道测量仪器的详细参数的优点，这对于工业测温应用领域获取设备运行精确温度参数具有重要意义。
2 红外测温原理
自然界中任何高于绝对零度的物体都会向外界辐射红外电磁波。通过对物体红外辐射能量的测量，来确定其表面温度，这就是红外测温仪测温的理论基础。
1900年，普朗克提出了黑体辐射量子假设后，利用谐振子能量分布应该满足麦克斯韦-波尔兹曼统计，求得普适函数表示如下，用波长 可表示如下：
（4）
式（4）表示大气介质中辐射电磁波的衰减遵循指数衰减规律，称为波尔盖定律。
在接近地面的大气中，对红外辐射吸收起到了主导作用的是水蒸气和二氧化碳。
3.2 环境对红外辐射的散射作用
当红外辐射在大气中传播时，大气分子会引起辐射散射。散射可以看做是光子与大气分子发生弹性碰撞，改变了辐射方向，使得本应进入测量系统的能量并没有被吸收，从而造成误差。大气中云、雾、水滴的半径分子大小与红外波长差不多，对红外辐射具有强烈的散射作用。对于散射作用电磁波强度的衰减和传输距离关系可用下式表示：
W=W0e- x （5）
由式（4）和（5）可见，无论对与吸收还是散射，红外电磁波能量都随距离增大成指数衰减。
4 补偿方法
大气对红外能量的衰减作用，随着测量距离的增大而增大，导致测量时引起测量误差，本方法就是针对该误差进行补偿。
假设仪器设定的发射率为 1，物体的实际发射率为 2，根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，设在距离R时红外测温仪测量温度为T1，物体的表面温度T2、环境温度T0之间的关系可以表示为：
（10）
式（10）中： 为消光系数，此公式为进行温度修正的理论依据。
在测量环境较为稳定时，忽略大气散射和其它因素对红外辐射的影响，近似大气消光系数为 = + ，通过上式较为准确地求解出被测目标表面的真实温度。
5 实验验证
5.1 实验条件及仪器
实验在室内进行，其测量环境稳定，大气消光系数近似为常数。
实验仪器为在线式红外测温仪IS-500V，测温范围：0-500℃，对应正比输出0-5V；吸收光谱波长为：8-14 m；参考发射率：0.95固定；距离系数：1：30。
被测物体使用聚丙烯树脂密封盒（发射率0.920.95）。
5.2 实验方法与分析
将被测物均匀加热至80℃，利用标准温度计测量被测物体的表面温度，作为其真实温度。用红外测温仪以20cm为单位不断增加测量距离，并记录该测量距离时红外测温仪所显示的温度。得到温度-距离的关系，见表1。
由公式（4）（5）可知，红外辐射在大气中的透过率呈现指数衰减。测温仪所测物体温度是对其接收到红外能量的一种体现。由公式（2）给出的斯蒂芬-波尔兹曼定律表明对于同一材质的物体，其温度与辐射红外能量是一一对应的关系，红外测温仪所测温度大小可以反映距离对红外辐射的衰减作用强弱。温度与测量距离关系已由公式（10）给出。
利用实验中测得T2、T0、T1和R的大小，可以绘出T14-T04—R曲线，对其进行拟合，便可得到消光系数 ，如图1所示。
将 代入公式（10）中求出修正后的温度值T1，并将其与参考温度进行比较，可得到被测目标参考温度、红外测温仪测得的温度以及红外测温仪修正后的温度与距离关系曲线。
图2所示虚线是物体真实温度曲线，由图可知，随着测量距离增大，测量温度减小很快，远远超过了被测物体真实温度减小速度，造成测量误差。当测量距离为400cm时，物体真实温度与测量温度相差15℃，相对误差超过20%。带“*”的曲线是经过修正后的温度变化曲线，它分布在物体真实温度曲线附近，测量误差小于1℃，相对误差小于1.5%。相比于没有修正时，误差明显减小。
6 结束语
由理论分析结合实验验证可知，在一定的距离范围内，红外测温仪测量值随着测量距离的增加而不断减小，引起测量误差，往往使之达不到测量精度要求。这就要求实际测量时必须利用补偿模型来修正由于大气衰减以及环境的影响。根据公式（10）建立的温度补偿公式，将测量温度进行适当的修正，可大幅提高测量精度。该补偿方法在应用时，要求测量环境环境温湿度恒定、被测物发射率和仪器参考发射率尽量一致，这样才能使衰减系数基本为一定值，达到补偿效果。该方法原理简单，通俗易懂，方法实用，适用于如测量室内电力设备运行温度等诸多场合，具有很高的应用价值。
（基金项目：重庆大学国家级大学生创新训练计划项目（编号1210611025））
参考文献：
[1] 聂绍龙.大距离系数红外测温理论及应用研究[D].浙江：浙江大学，2003：1-6.
[2] 唐忠，杨春旭，崔吴杨，等.电气设备红外测温影响因数及温度修[J].上海电力学院学报，2010，26（5）：415-417.
[3] 孙志远，李清安，乔彦峰，等.提高红外测温系统测温精度的研究[J].仪器仪表学报，2005，27（6）：67-68.
[4] 晏敏，颜永红，曾云，等.非接触式红外测温原理及误差分析[J].计量技术，2006，（1）：23-25.
[5] 余怀之.红外光学材料[M].北京：国防工业出版社，2007：1-5.
[6] 张忠恒.双波长红外测温仪的研究[D].天津：天津理工大学，2007：10-12.
[7] 吴晗平.红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究[J].光学精密工程，1998，6（4）：36-41.
[8] 周国辉，刘湘伟，徐记伟.一种计算红外辐射大气透过率的数学模型[J].红外技术，2008，30（6）.331-332.
关键词：红外测温 影响因素 精度提高 补偿方法
中国分类号：TP202+.2 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-025-03
1 引言
温度是表征物质状态的主要参数之一。目前，测温方法主要分为接触式测温与非接触式测温。后者主要以红外测温为主。由于是非接触测温，故测温结果受到中间介质的影响比较大，当距离超过一定范围时，红外测温仪的测温精度将会降低，从而导致测量值不准确。
红外辐射在大气传播过程中，不可避免地要受到各种因素的干扰。目前提高测温精度的方法主要通过搭建特定的测温系统和传感器后级补偿电路来实现，比如仪器内部的温度漂移和增益补偿、镜头视场外的辐射补偿以及不同季节下的操作温度补偿。但此方法存在可变性差，只有在标称环境下使用才能达到较高精度的缺点。进行温度补偿时，补偿公式与系统本身参数有关，导致补偿方法复杂难懂，适用条件苛刻，实用性不强。为此，作者通过对影响红外测温精度的因素、红外辐射的基本原理进行分析和试验研究，提出了一种新的温度补偿方法。通过实验，将所测温度与被测目标的真实参考温度做对比分析，并在不同的测温距离下，利用补偿公式得到一个相应的温度差值，使测温仪的精度得到提高。相比目前的温度补偿方法，该方法具有简单易懂，应用方便，且不需要知道测量仪器的详细参数的优点，这对于工业测温应用领域获取设备运行精确温度参数具有重要意义。
2 红外测温原理
自然界中任何高于绝对零度的物体都会向外界辐射红外电磁波。通过对物体红外辐射能量的测量，来确定其表面温度，这就是红外测温仪测温的理论基础。
1900年，普朗克提出了黑体辐射量子假设后，利用谐振子能量分布应该满足麦克斯韦-波尔兹曼统计，求得普适函数表示如下，用波长 可表示如下：
（4）
式（4）表示大气介质中辐射电磁波的衰减遵循指数衰减规律，称为波尔盖定律。
在接近地面的大气中，对红外辐射吸收起到了主导作用的是水蒸气和二氧化碳。
3.2 环境对红外辐射的散射作用
当红外辐射在大气中传播时，大气分子会引起辐射散射。散射可以看做是光子与大气分子发生弹性碰撞，改变了辐射方向，使得本应进入测量系统的能量并没有被吸收，从而造成误差。大气中云、雾、水滴的半径分子大小与红外波长差不多，对红外辐射具有强烈的散射作用。对于散射作用电磁波强度的衰减和传输距离关系可用下式表示：
W=W0e- x （5）
由式（4）和（5）可见，无论对与吸收还是散射，红外电磁波能量都随距离增大成指数衰减。
4 补偿方法
大气对红外能量的衰减作用，随着测量距离的增大而增大，导致测量时引起测量误差，本方法就是针对该误差进行补偿。
假设仪器设定的发射率为 1，物体的实际发射率为 2，根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，设在距离R时红外测温仪测量温度为T1，物体的表面温度T2、环境温度T0之间的关系可以表示为：
（10）
式（10）中： 为消光系数，此公式为进行温度修正的理论依据。
在测量环境较为稳定时，忽略大气散射和其它因素对红外辐射的影响，近似大气消光系数为 = + ，通过上式较为准确地求解出被测目标表面的真实温度。
5 实验验证
5.1 实验条件及仪器
实验在室内进行，其测量环境稳定，大气消光系数近似为常数。
实验仪器为在线式红外测温仪IS-500V，测温范围：0-500℃，对应正比输出0-5V；吸收光谱波长为：8-14 m；参考发射率：0.95固定；距离系数：1：30。
被测物体使用聚丙烯树脂密封盒（发射率0.920.95）。
5.2 实验方法与分析
将被测物均匀加热至80℃，利用标准温度计测量被测物体的表面温度，作为其真实温度。用红外测温仪以20cm为单位不断增加测量距离，并记录该测量距离时红外测温仪所显示的温度。得到温度-距离的关系，见表1。
由公式（4）（5）可知，红外辐射在大气中的透过率呈现指数衰减。测温仪所测物体温度是对其接收到红外能量的一种体现。由公式（2）给出的斯蒂芬-波尔兹曼定律表明对于同一材质的物体，其温度与辐射红外能量是一一对应的关系，红外测温仪所测温度大小可以反映距离对红外辐射的衰减作用强弱。温度与测量距离关系已由公式（10）给出。
利用实验中测得T2、T0、T1和R的大小，可以绘出T14-T04—R曲线，对其进行拟合，便可得到消光系数 ，如图1所示。
将 代入公式（10）中求出修正后的温度值T1，并将其与参考温度进行比较，可得到被测目标参考温度、红外测温仪测得的温度以及红外测温仪修正后的温度与距离关系曲线。
图2所示虚线是物体真实温度曲线，由图可知，随着测量距离增大，测量温度减小很快，远远超过了被测物体真实温度减小速度，造成测量误差。当测量距离为400cm时，物体真实温度与测量温度相差15℃，相对误差超过20%。带“*”的曲线是经过修正后的温度变化曲线，它分布在物体真实温度曲线附近，测量误差小于1℃，相对误差小于1.5%。相比于没有修正时，误差明显减小。
6 结束语
由理论分析结合实验验证可知，在一定的距离范围内，红外测温仪测量值随着测量距离的增加而不断减小，引起测量误差，往往使之达不到测量精度要求。这就要求实际测量时必须利用补偿模型来修正由于大气衰减以及环境的影响。根据公式（10）建立的温度补偿公式，将测量温度进行适当的修正，可大幅提高测量精度。该补偿方法在应用时，要求测量环境环境温湿度恒定、被测物发射率和仪器参考发射率尽量一致，这样才能使衰减系数基本为一定值，达到补偿效果。该方法原理简单，通俗易懂，方法实用，适用于如测量室内电力设备运行温度等诸多场合，具有很高的应用价值。
（基金项目：重庆大学国家级大学生创新训练计划项目（编号1210611025））
参考文献：
[1] 聂绍龙.大距离系数红外测温理论及应用研究[D].浙江：浙江大学，2003：1-6.
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[4] 晏敏，颜永红，曾云，等.非接触式红外测温原理及误差分析[J].计量技术，2006，（1）：23-25.
[5] 余怀之.红外光学材料[M].北京：国防工业出版社，2007：1-5.
[6] 张忠恒.双波长红外测温仪的研究[D].天津：天津理工大学，2007：10-12.
[7] 吴晗平.红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究[J].光学精密工程，1998，6（4）：36-41.
[8] 周国辉，刘湘伟，徐记伟.一种计算红外辐射大气透过率的数学模型[J].红外技术，2008，30（6）.331-332.