金辉 王晓岚 孙健 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

在现代工业生产中，温度测量在各种监测过程中均占据了十分重要的地位。其中，红外测温技术在生产过程、产品质量监测控制、设备在线故障诊断等方面发挥了重要的作用。

在检验检测领域，红外测温仪也因其非接触测量方式、测量范围广、测温速度快、灵敏度高等优势，得到愈加广泛的应用[1-3]。

红外测温仪在使用过程中易受多方面的因素影响，例如环境因素、发射率、距离系数等。本文将通过拟合曲线法，重点分析距离因素对红外测温仪测量准确度的影响。张勇、张文、廖盼盼等学者曾进行过相关内容的研究[4-6]，但遗憾的是均未涉及视场超出被测目标的情况。因此，本文将对该特殊情况进行研究，并提出一种利用实验数据拟合修正曲线的方法以提高红外测温仪的测温准确度。

1 红外测温的原理

根据热辐射有关定律，物体的红外辐射与其表面温度有着十分密切的关系。普朗克定律描述了黑体单色辐射力随波长及温度的变化规律：

第一辐射常数C1= 3.741×10-16W·cm2；

第二辐射常数C2= 1.438 8×10-2W·K；

λ—— 波长

T—— 物体表面的热力学温度斯特藩-玻尔兹曼定律描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律：

式中：σ—— 斯特藩-玻尔兹曼常数；

ε—— 物体表面的发射率，若为绝对黑体，则ε= 1

另外，维恩位移定律也表明：随着温度T的不断增高，最大单色辐射力Ebλmax所对应的峰值波长λmax逐渐向短波方向移动。该定律解释了高温红外测温仪多采用短波，而低温红外测温仪多采用长波的原理。

通过以上定律可以得出，通过对物体自身辐射的红外能量进行测量，能够准确测定其表面温度。这就是红外辐射测温所依据的理论基础[7]。

2 红外测温仪的构成与特点

红外测温仪一般由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，如图1所示。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

红外测温仪具有以下特点[5]：

1）非接触性：不需要接触到被测物体，因而不会干扰被测物体温度（场）的状态。

图1 红外测温仪的一般构成

2）测量范围广：红外测温仪的测温范围可覆盖零下数十摄氏度至三千摄氏度以上。不过需要注意的是，具体型号的红外测温仪都具有特定的测温范围。测温范围越窄，则温度的输出信号分辨力越高，且提高其测温准确度；而测温范围越宽，则会降低测温准确度。

3）灵敏度高：根据辐射定律，只要物体温度发生微小变化，辐射能量就会出现较大的改变，因而红外测温仪具有较高的分辨力。

4）响应时间快：红外测温仪的响应时间与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。采用红外测温仪的测温响应时间最快可达到1 ms，大大高于接触式测温方法，更有利于应用在需要快速测温的场合。

3 影响红外测温仪测温准确性的因素

3.1 环境因素

环境因素对红外测温仪测温准确度的影响主要体现在环境温度、大气吸收以及环境散射等方面。

若被测目标的温度为T1，环境温度为T0，该目标单位面积表面发射的辐射能为εσT14，吸收的辐射能为ασT04，其中ε、α分别为物体的发射率与吸收率，则被测目标发出的净辐射能为εσT14-ασT04，表明环境温度的变化，将会引起测量结果的变化。

当红外波长的频率接近于大气分子振动的固有频率时，会引起气体分子振动，这种振动会吸收红外辐射能量，引起其沿传播方向衰减。在红外辐射的传输过程中，由于大气的吸收作用，能量会有一定的衰减。若空气中还存在较多的水蒸气、灰尘等，对红外测温仪的影响更大。

当红外辐射在大气中传播时，大气分子会引起辐射散射。散射可以看作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，从而造成测量误差。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。

因此在实际应用红外测温仪时，应尽量在清晰度较高的环境中进行测温，才能将环境因素对测量结果的影响降到最低。

3.2 发射率

发射率表征一个物体的能量辐射特征，它与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度、氧化程度、颜色、厚度等有关。

由热辐射定律易知，红外测温仪从物体上接收到的辐射能量大小与该物体的辐射率成正比，因此要得到准确的测量结果，应将红外测温仪的发射率值调至与被测物体的发射率值一致，否则将会引入测温结果的偏差。

如被测目标的实际发射率为ε1，红外测温仪的发射率被设为ε2，被测目标的温度为T1，红外测温仪测得示值为T2，环境温度为T0，在不考虑其他因素的情况下，根据热辐射定律以及红外测温仪的测温原理，可得被测目标的实际温度应为

式（3）反映了发射率和环境温度对红外测温仪测温结果的综合影响。

在进行红外测温时应将测温仪发射率调至与被测物体发射率一致，如不能确定被测物体发射率，可采用将已知发射率的物体覆盖被测物体表面进行测温的方法。需要注意，选取的覆盖物应尽量减少对被测物体表面温度的影响，根据不同使用要求，可选用但不限于绝缘胶带缠绕、喷漆等方式。同时，应放置足够长时间，以使覆盖物表面温度与被测物体表面的温度一致，此时即可使用红外测温仪测量被测物体的表面温度。

3.3 距离

被测目标发出的红外辐射必定要经过一段距离才能到达红外测温仪，因此如前文分析环境因素时所提到的，在实际测温过程中，红外测温仪接收到的有效辐射不仅来自于被测目标，还包括大气吸收、环境辐射散射等因素的影响，有时还会受目标附近高温物体的辐射影响，在室外时太阳辐射也通常是需要考虑的因素。

距离系数K是测温仪到目标的距离S与测温目标直径D的比值，K值越大，分辨率越高。当测量目标较小而测温仪受限不能近距离进行测温时，应尽量采用高分辨率的红外测温仪，保证被测目标大于测试视场，这样测温仪的测量结果不会受到被测目标外的背景温度的影响，得到较为准确的数据；当被测目标与测试视场相近时，测量结果就会受到背景温度的影响；若被测目标小于测试视场，背景辐射能量会进入测试视场，影响测试结果。一般建议测试视场不小于被测目标直径的1.25 倍，测试准确度要求较高时，建议在1.5 倍以上。

距离对红外测温仪测量准确度的影响是多种因素下的综合作用，难以通过单一的理论与计算进行分析。本文尝试采用对不同距离下红外测温仪测得的实验数据组进行分析拟合，得到修正值来反向提高红外测温仪的测量准确度。当被测目标大于测试视场时，距离对测量结果的影响将大幅增加，因此本文将以此为分界点，对分界点前后距离得到的数据进行分段分析。

4 实验分析距离因素对红外测温仪准确度的影响及修正方法

4.1 实验条件

实验在室内进行，环境温度22 ℃，相对湿度54%，实验前后环境温湿度保持稳定。

温度源采用某型号的黑体炉，面源直径152.4 mm，实验仪器为手持式红外测温仪，距离系数20 ∶1。

根据黑体炉面源直径和红外测温仪距离系数，确定测试视场能够覆盖面源的有效测试距离取整为3 m。

4.2 实验过程

将黑体炉温度设置为50 ℃，正对黑体炉从距离0.25 m 开始，每间隔 0.25 m 进行采样，完成后将黑体炉温度设置为100 ℃，重复上述步骤。

4.3 有效距离内实验结果的数据分析

有效距离内不同距离处的实验数据参见表1。

表1 有效距离内不同距离处测得的温度值

从表1 中数据可看到，距离对红外测温仪的测量结果确实有显著影响，在有效距离内，随着距离的增加，测量误差也随之增加，而超出有效距离后，误差增加的幅度更大。

以表1 中数据组为例，通过对温度修正值进行数据拟合，发现50 ℃时4 阶多项式对于数据的拟合度较高，拟合图如图2 所示。100 ℃时3 阶多项式对于数据的拟合度已足够，拟合图如图3 所示。通过MATLAB 计算得到温度修正公式：

式中：y50、y100——温度修正值，℃；

x——红外测温仪到被测目标的距离，m

图2 有效距离内50 ℃时温度修正值拟合曲线

图3 有效距离内100 ℃时温度修正值拟合曲线

经过修正后的结果如图4 所示，可以明显看到，修正后得到的结果与标准值基本一致，大幅提高了测量准确度。

图4 有效距离内修正后的温度值

4.4 有效距离外实验结果的数据分析

超过有效距离时的测温结果数据参见表2。

表2 有效距离外不同距离处测得的温度值

同样方法得到温度修正公式。

50 ℃时：

式中：y50、y100—— 温度修正值，℃；

x—— 红外测温仪到被测目标的距离，m

超过有效距离时，50 ℃和100 ℃时的拟合曲线分别如图5、图6 所示。

如图7 所示，可以发现修正后的结果同样能够有效提高红外测温仪的测量准确度。

图5 超过有效距离50 ℃时温度修正值拟合曲线

图6 超过有效距离100 ℃时温度修正值拟合曲线

必须指出，因受室内场地限制，未能进行更大距离下的采样。可以预见，随着距离的持续增加，测量结果的误差也会随之增加，但本文采用的方法依旧可以使用。

图7 超过有效距离情况下修正后的温度值

4.5 温度修正公式的实验验证

上文得到了有效距离内外，实验用红外测温仪在50 ℃与100 ℃时基于距离的温度修正值公式，为验证其实用性，又在相同环境条件下测得验证用数据，参见表3。

根据距离与温度示值，将A、B、C、D 四项分别代入式（4）、式（5）、式（6）、式（7）得到温度修正值，得到修正后的结果参见表4。

表3 验证用数据

可以看到，运用相近温度下的修正公式，依然能有效提高红外测温仪测量结果的准确度。

表4 修正后的验证数据结果

需要指出的是，本文所得修正公式不适用于所有的红外测温仪。在实际使用时，操作人员可采用本文提供的方法，针对某一具体使用的红外测温仪，在所需测温范围内预先得到若干温度点下基于距离的温度修正公式。在后续使用中根据每次具体使用时的距离与测量结果，选取合适的修正公式，即可极大地消除距离对测量结果的影响，有效提高准确度。

5 结语

本文从红外测温原理出发，从理论上分析了环境、发射率以及距离等因素对红外测温仪测量准确度的影响。同时以实验数据为基础，对红外测温仪测温准确度受距离因素的影响进行了具体分析，对测温视场覆盖目标以及未覆盖目标两种情况进行了分段拟合，结果表明两种情况下本文采用的方法都能够有效提高测量结果的准确度。该方法对计量人员或红外测温仪使用人员具有一定的实用价值。对其他每一具体的红外测温仪可通过本文所列方法得到相对适用的修正曲线与公式。

为了实现红外测温仪的进一步精确测温，下一步工作还需针对不同测量对象的特性、环境特性进行深入研究。