廖盼盼，张佳民



红外测温精度的影响因素及补偿方法的研究

廖盼盼，张佳民

（上海电力学院 自动化工程学院，上海 200090）

为了减少红外测温仪的测量误差，提高红外测温仪的测温精度，分析了距离、发射率和外界环境温度等因素对红外测温仪测温的影响；建立了红外测温实验系统采集测温数据，并对采集到的实验数据进行了分析验证，通过分析验证可得距离因素对红外辐射测温精度有较大的影响，并且存在一定的关系，从而为提高红外测温精度的提供了依据；设计了一套提高红外测温仪测量精度的系统，该系统能够测出被测物与红外测温仪之间的距离，根据测出的结果得到距离补偿公式，然后依据公式得出温度的距离补偿，从而得到物体的实际温度。最后分析可得，红外测温仪的测量精度能够大幅提高。

红外辐射测温；测量精度；距离补偿

0 引言

随着社会的进步和经济的快速发展，人们对电能的需求越来越大，国家对电力系统的安全性、稳定性的要求也越来越高，这就对传统电气设备的安全有了更高的要求。现如今的电力系统的发展将向高电压、大容量发展，设备的输送能力不断增加，从而引起设备的温度不断升高，容易导致设备损坏的问题时有发生，如若不及时发现，容易导致火灾或爆炸，造成巨大的经济损失[1-3]。

目前在传统的电力系统中对电气设备温度的测量大多数采用手持式红外测温仪或红外热像仪。由于红外热像仪价格昂贵，若大量的使用于变电站就显得不切实际。

红外测温技术作为一种典型的非接触式测温技术，它具有准确度高、测温范围广、可实现实时观测和自动控制等优点[4]。

用红外测温仪进行测温时，存在一些影响红外测温仪测量精度的外在因素，其中的主要因素有：目标物与红外测温仪之间的距离、目标物的发射率、外界环境条件（如环境温度、环境湿度、环境辐射和风力影响等）[5]。本文主要分析距离因素对红外测温仪测量精度的影响，拟通过设计一个距离补偿系统来提高红外测温仪的测量精度。

1 红外测温仪的工作原理及影响测量精度的因素

1.1 红外测温仪的工作原理

红外测温仪又称为点温仪，是一种非成像的、只能监测待测点或小视场范围内的平均温度的监测仪器。基本结构包括红外探测器、光学系统、信息处理系统与信号放大、结果显示等几个主要功能部分。红外测温仪的工作原理框图如图1所示[6]。

图1 红外测温仪的工作原理框图

图1所表示的是一个具有目视瞄准系统的测温仪，其工作过程可以描述为：首先光学系统将收集目标物的红外辐射能量，并通过45°反射分光镜将接收到的辐射能量经透镜汇聚，通过滤光片处理后被红外探测器接收，探测器将接收到的能量转换为电信号，然后经放大器放大和处理，由显示器显示目标物体的温度。

1.2 影响测量精度的因素

热辐射指的是物体由于自身温度而辐射电磁波的现象。如果物体的温度在绝对零度之上就会向周围环境发出红外辐射能，其大小与物体表面温度分布情况密切相关。所以，一旦探测出物体表面发出的红外辐射能量，就可以获得物体的表面温度。

常温下的物体，由于本身的分子和原子做无规则自由运动，从而产生了红外辐射。物体的无规则自由运动越剧烈，代表红外辐射能量就越大，从而物体的表面温度就越高，相反，红外辐射能量越小，物体的表面温度就越低。因此，通过测量物体自身的辐射能量，就可以较为准确地测量出物体的表面温度，这就是红外测温仪测量物体表面温度的理论基础[7]。

依据这一思想推导出的普朗克黑体辐射定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律、维恩位移定律和郎伯余弦定律，它们都定量描述了温度与红外辐射能量强度的关系，因此可以得到物体的表面温度与热辐射能量之间的数学关系为：

()＝4(1)

式中：为物体的表面温度；()为物体辐射功率；为斯蒂芬-玻尔兹曼常量；为物体表面发射率。

由公式(1)可知，红外测温仪所测量的物体的表面温度与()、和的大小有关。其中，物体辐射功率()主要受空气中的成分、附近的辐射能量和测温距离等外界条件的影响。物体的发射率主要受物体自身的属性因素影响。因此，被测物体的温度会因为物体的所处的环境温度、物体的表面发射率和测量距离等因素的改变，使得红外测温仪测到的物体表面温度也有所变化，从而对红外测温仪的测量精度产生较大的影响。

1.3 红外测温的误差分析

1）环境因素：被测目标所处的外界环境因素如环境温度和大气吸收等对红外测温仪的测量结果也有较大的影响，这里主要考虑环境温度的影响。假如被测物体的温度为1，外界环境温度为2，那么该物体在单位面积内发出的辐射能量为14，吸收的辐射能量为24，那么就可以得出物体的净辐射能[8]为：

＝14－24(2)

式中：为被测物体的单位面积；、分别为被测物体的发射率和物体的吸收率。

若待测物体的和相等，则：

＝(14－24) (3)

随着外界环境温度2的改变，测量结果也将会随着改变。

2）发射率：发射率指的是物体的辐射能力与在相同温度下黑体的辐射能力之比，是一个在0和1之间变化并且衡量物体辐射能力强弱的数值。

假设目标物的实际发射率为1，红外测温仪设定的发射率为2，根据红外辐射测温定律，目标物的真实温度1和红外测温仪测量出的温度2、环境温度0之间的关系为[9]：

1(14－04)＝2(24－04) (4)

当被测目标物的实际发射率1为0.95，红外测温仪设定的发射率2为0.98，假如外界环境温度0为20℃，红外测温仪测得温度为2＝50℃，根据计算可以得到物体实际的温度为50.38℃。如果被测目标物的实际发射率改为0.8，红外测温仪测得温度依然为50℃时，计算可得物体真实的温度为52.54℃，这样导致了比较大的误差。一般要减少测量误差，首先要清除待测物体的发射率，然后再进行温度监测。一般的电力设备的发射率在0.85～0.95，所以多数使用的红外测温仪的发射率一般固定在0.95[10]。

3）距离系数：距离系数（）是对红外测温仪分辨率的一种度量，是指被测物体到红外测温仪的距离与测量物体的直径之间的比值，越大，分辨率越高。当距离增加时，会使红外测温仪测得的物体的尺寸在瞬时视场面积的倍数减小，当被测物体不能充满视场时，那么输出数据就会减少，从而产生了误差。为了提高红外测温仪测温精度，所以目标物体务必要在瞬时视场内，而且要有适量的富余，因此距离系数的选择就显得格外的重要。

本文拟通过对同一物体在不同距离不同温度的情况下，对红外测温仪所测得的数据进行分析，以确定距离因素对测温精度的影响程度。设计一套基于距离补偿的红外测温系统，通过这套系统来提高红外测温仪的测量精度。

2 实验方法及结果分析

在室温一定的情况下，用测温仪在不同距离对标准黑体进行测温，测得黑体分别在不同温度50℃（323K）、60℃（333K）、70℃（343K），不同距离的情况下得到的测温数据，数据如表1所示。

表1 不同距离不同温度测得的温度

利用表1所测得的数据对，利用三阶多项式对实验数据进行拟合，得出温度在50℃、60℃、70℃时，不同的距离-温度拟合曲线，如图2所示。

由上述分析可得红外辐射测温受距离因素的影响较大，因此在测温距离不断发生变化的情况下，为了实现测量的数据有较高的精准度，那么温度的距离补偿就显得很有必要。

图2 距离-温度拟合曲线

3 距离补偿系统的设计和实现

首先测量标准黑体和红外测温仪之间的距离，得到测量数据，然后根据测量数据得出公式，依据公式得出温度的距离补偿值，最后就可以得出补偿后的被测物体的真实温度值。

3.1 硬件设计

建立的基于距离补偿的红外测温系统是由红外测温仪、单片机、超声波传感器和标准黑体构成的。首先红外测温仪测量被测黑体的温度，并且由黑体的温度作为物体的真实温度，然后再与红外测温仪测得的温度比较，得出在不同的距离的情况下红外测温仪的测量数据有所不同的结论。然后通过超声波传感器测出两者之间的距离，并根据测出的数据得出距离补偿公式。最后在单片机内按照补偿公式进行编程下载，最后计算后出补偿后的温度，从而实现了温度的距离补偿。测温系统的总体框图如图3。

图3 测温系统整体框图

1）红外测温仪：本系统中，采用红外测温仪的型号为JRTS80的在线式红外测温仪，该测温仪具有抗电磁干扰、抗水蒸气、抗烟雾等特点，可进行小目标测量，可直接与多种仪表、设备、PC机等连接。测量范围为0℃～300℃，其系统测量精度为±0.5%±2℃。

2）单片机：本系统采用SM5964作为硬件电路设计的核心芯片，与传统的51系列单片机相比，SM5964是一种内嵌64KB闪存和1k字节RAM的8位单片微控制器，具备在系统可编程（in-system program- mmability，ISP）功能，其中PDIP封装有32个I/O口，而PLCC/QFP封装有36个I/O口。SM5964具有强大的指令系统，使它成为一种高性价比的控制器。

3）超声波单元：控制芯片SM5964发送8个40kHz的方波以驱动超声波发射传感器，由于单片机的电压信号较低，运用芯片进行电平转换，提高发射能量，增大测量范围；通过测量发射信号与接收信号的时间间隔计算得到测试的距离。从而，根据测得的温度值，对其进行补偿或修正，消除距离带来的附加误差。

3.2 数据处理和改进的效果

从表1可以看出，在一定的外界条件下，对于同一被测目标物，随着测温距离的不同，红外测温仪所测得的数据也有所不同，为了提高红外测温仪的测量精度，就有必要对测量的数据进行补偿。利用MATLAB软件拟合工具箱进行测量温度与标准温度(,)的数据关系分析，结合测试距离得到数据模型为：

(,)＝＋＋＋2＋2＋(5)

经拟合工具得到参数集为＝－3.682，＝－3.084，＝1.155，＝0.4635，＝0.05213，＝－0.001575。

通过单片机并在其内按照数学模型公式进行编程下载，经过计算后得到补偿后的温度。表2为当黑体温度为50℃、60℃、70℃时，不同距离处补偿后的数据。

表2 不同距离处补偿后的数据

利用表2所补偿后的数据，利用多项式对修正后的数据进行拟合，得出温度在50℃、60℃、70℃补偿后的不同的距离-温度拟合曲线，如图4所示。

经过距离补偿系统后的测温数据表2可以看出，当黑体温度为50℃时，当距离从0.5～4.0 m改变时，测温误差减少到0.1℃。当黑体温度为60℃和70℃时，在距离为4.0m时误差值最大，分别为1.2℃和1.3℃，但仍比补偿前的误差7.4℃和9.0℃有了明显的改善。因此，距离的变化对测温精度有较大的影响。

图4 补偿后的距离-温度拟合曲线

4 结论

从表1可以看出，当目标物温度为50℃、60℃和70℃时，在测量距离4.0m处误差最大，但是经过距离补偿后，发现距离-温度的拟合曲线得到大大的改善，因此可以得出测量距离的大小对红外测温仪是否精确是有很大的影响，在忽略外界的一些条件下，可以通过此方法对实验测得的数据校正，得到比较精确的结果，这种方法在理论、实践上具有一定的可行性。

[1] 陈琳, 唐忠, 崔昊杨. 电气设备红外测温技术的实现[J]. 电测与仪表, 2013 (4): 64-68, 100.

CHEN Lin, TANG Zhong, CUI Haoyang. The Realization of infrared thermometric techniques of electric equipment[J]., 2013(4): 64-68,100.

[2] 卢瑛, 吴国忠. 智能型高压电气设备温度监测预警系统[J]. 中国电力, 2010, 43(3): 55-58.

LU Ying, WU Guozhong. Smart temperature monitoring and early-warning system for high-voltage electrical equipment[J]., 2010, 43(3): 55-58.

[3] 王厚余. 对我国电气火灾频发原因的浅析[J]. 消防技术与产品信息, 2009 (2): 62-64.

WANG Houyu. The Causes analysis on the frequently electrical Fires in China[J]., 2009(2): 62-64.

[4] 郭帮辉, 黄剑波, 王志. 目标距离和视场角变化对红外热像仪测温精度影响的理论分析[J]. 长春理工大学学报: 自然科学版, 2011, 34(1): 16-19.

GUO Banghui, HUANG Jianbo, WANG Zhi. Analysis of effections on the precision of temperature measurement using infrared thermal imaging system with the change of object distance and field[J].:, 2011, 34(1): 16-19.

[5] 马继先, 杨青, 郭亮. 影响电力设备红外检测准确性因素的分析研究[J]. 华北电力技术, 2012(8): 55-60.

MA Jixian, YANG Qing, GUO Liang. Research on promoting the accuracy of electrical equipment diagnosing with infrared detection[J]., 2012(8): 55-60.

[6] 李德刚. 红外诊断技术在电气设备状态检测中的研究与应用[D]. 济南: 山东大学, 2010.

LI Degang. Research and Application on the Infrared Diagnostics of Electrical Equipment Testing[D]. Jinan: Shandong University, 2010.

[7] 晏敏, 彭楚武, 颜永红. 红外测温原理及误差分析[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2004, 31(5): 110-112.

YAN Min, PENG Chuwu, YAN Yonghong. Principle and error analysis of infrared temperature measurement[J].:, 2004, 31(5): 110-112.

[8] 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, 2005, 21(1): 23-25.

YAN Min, YAN Yonghong, ZENG Yun, et al. The principle of contactless infrared radiation thermometer and error analysis[J]., 2005, 21(1): 23-25.

[9] Michael Yaron, M D FACEP, Steven R Lowenstein. Measuring the accuracy of the infrared tympanic thermometer correlation does not signify agreement[J]., 1995, 13(5): 617-621.

[10] 张钦. 红外测温仪的工作原理及检定数据处理方法探讨[J]. 计量与测试技术, 2008, 35(8): 46-47.

ZHANG Qin. Working principle of infrared thermometer and discussion of the method verification data processing[J]., 2008, 35(8):46-47.

Research on Influence Factors for Measuring and Method of Correction in Infrared Thermometer

LIAO Panpan，ZHANG Jiamin

（School of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China）

In order to reduce the measurement error and improve temperature measurement accuracy of the infrared thermometer, the effect of distance, emissivity, ambient temperature and other factors on temperature measurement accuracy by infrared thermometer is analyzed. Therefore the temperature measurement data of infrared temperature measurement system is established, and the collected experimental data is analyzed. Through the analysis of authentication, the distance factors have bigger effect on the infrared radiation temperature measurement accuracy, and there is a certain relationship that provides the basis for increasing accuracy of infrared measuring temperature. The system of the infrared thermometer is designed to improve the measurement accuracy, which can measure the distance between the measured object and the infrared thermometer. According to the measured results, distance compensation formula is obtained, then according to the distance formula derived from the temperature compensation, and the actual temperature of the object is obtained. Finally, the measurement accuracy of infrared thermometers can be greatly improved.

infrared thermometer，measuring-temperature accuracy，distance compensation

TN219

A

1001-8891(2017)02-0173-05

2016-05-30；

2016-06-27.

廖盼盼（1991-），男，硕士研究生，研究方向为电气设备多点红外测温远程监控系统的研究，E-mail：791707177@qq.com。

上海市电站自动化技术重点实验室（13DZ2273800）。