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红外测温法
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2014-04-22
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红外热像测温原理,进行红外热像精确测温技术及其应用研究,利用红外热像仪对飞机蒙皮的温度,发射率,红外辐射进行测量
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摘要
红外热像测温技术是当今迅速发展的高新技术之一,已广泛地应用于军事、准军事和
民用等领域,并发挥着其它产品难以替代的重要作用。世界上,美国、德国、英国、法国
等发达国家非常重视红外热像测温技术的研究与应用,掌握热像测温技术的发展进程、应
用领域和发展趋势,有利于启发科学、合理的发展思路,为热像仪的优化发展提供方向性
的支持。
本论文结合红外热像测温原理,进行红外热像精确测温技术及其应用研究,利用红外
热像仪对飞机蒙皮的温度,发射率,红外辐射进行测量。总的来说,本文在红外热像温度
建模及测量技术研究领域的主要研究工作如下:
(1) 根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理,系统分析了各种因素对红外热像仪测温
的影响,得到被测物体表面发射率,吸收率,大气透过率,环境温度和大气温度对测温误
差的影响。建立了红外热像测温物理模型。
(2) 结合物体表面对红外线的发射和反射作用以及红外线在大气中传输的物理过程,得
到在不同精度及测量条件下的校准曲线,设计了 BP 神经网络算法,用于温度标定实验中
的灰度与温度的特性曲线拟合,为红外热像仪的精确测温提供了保证。
(3) 通过研究被测物体表面的发射率、反射率和透射率,并结合红外物理中的三大辐射
定律得到被测物体表面的有效辐射。建立了辐射测温方程及目标
温度场和等效温度场(部分辐射温度)的转换模型。提出了红外热像仪外场精确测温方法,
进行了大气透过率的二次标定,利用二次修正系数对未知辐射源测量值进行修正,准确测
量出未知辐射源目标的辐射温度。本论文的研究内容为红外热像精确测温模型的建立及其
应用研究奠定了坚实的理论和技术基础。
关键词 红外热像仪 温度测量 灰度 大气透过率 发射率
目录
绪论.....................................................................................................................................................3
论文背景.....................................................................................................................................3
研究的目的和意义.....................................................................................................................4
红外热像测温技术的研究现状及分析.....................................................................................6
国际上红外热像测温技术的研究现状及分析................................................................6
国内红外热像测温技术的研究现状及分析....................................................................8
发射率...............................................................................................................................................10
双参考体方法...........................................................................................................................11
双温度方法...............................................................................................................................11
双背景方法(采用此方法)........................................................................................................12
大气透过率.......................................................................................................................................12
大气气体分子的吸收...............................................................................................................13
大气散射影响...........................................................................................................................14
气象条件所引起的衰减...........................................................................................................15
大气透射率的计算实例...........................................................................................................15
热像仪标定.......................................................................................................................................16
直接扩展源法...........................................................................................................................16
间接扩展源法...........................................................................................................................18
点源法.......................................................................................................................................19
测温方法...........................................................................................................................................19
全辐射测温法...........................................................................................................................19
亮度测温法...............................................................................................................................20
双波长测温法...........................................................................................................................20
红外辐射特性测量过程...........................................................................................................21
图像灰体与黑体温度的校准曲线...........................................................................................22
温度算法...........................................................................................................................................37
神经网络法...............................................................................................................................37
最小二乘法...............................................................................................................................37
环境温度对红外测温的影响...................................................................................................37
修正结果...................................................................................................................................40
红外辐射对比度...............................................................................................................................41
附录...................................................................................................................................................42
参考文献...........................................................................................................................................42
绪论
论文背景
在自然界中,任何物理、化学的过程都与温度密切相关,温度是确定物质状态最重要
的参数之一。所以温度的测量与控制在国防、军事、科学实验以及工农业生产中都显得尤
为重要,特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中的应用更加重要。
目标表面真实温度的辐射测量是一项重要的需要长期研究的艰巨任务,尤其是表面真
实温度的精确测量更为困难和关键。航空、航天等尖端技术的不断发展,工农业生产过程
检测与控制水平要求的不断提高,都对温度的辐射测量提出了更高、更迫切的要求。航空
航天型号任务中的壳体地面风洞实验以及发动机试车过程中真温及温度分布的快速测量显
得特别迫切,接触法测温显然在温度上限和动态响应要求方面无法满足要求,而现有的辐
射法测温则需要很好地解决测温精度和发射率问题。火箭发动机、涡轮发动机、冲压发动
机等迫切需要在线测定尾喷管的火焰温度以及温度分布,据此可以改进发动机的设计、评
定发动机的性能。这在航天航空技术中都是难以攻克的课题[1]。此外,在航天、航空、核
能等国防科学工业中需要研制很多新型材料,在研究、制造、材料试验中,需要对温度进
行较为精确的测量和控制,特别是要测试材料的热物性参数。
随着隐身材料研制的快速发展,温度及发射率的精确测量也成为材料研制的关键技术
之一。热像系统是集红外热像技术、红外测温标定技术和计算机图像处理技术等多种高新
技术的综合体。红外热像仪能够提供精确的非接触温度测量功能,并且能够生成红外图像
或热辐射图像。从常识的角度来讲,所有物体在发生故障之前温度都会发生异动,因此在
故障检测方面,红外热像仪堪称是一种非常经济有效的检测工具。当前各行各业蓬勃发展
但很多行业大多都将高效生产、能源管理、提高产量和生产安全作为企业的主要发展目标
因此在各行各业中红外热像仪应用范围日益广泛。由于温度与红外辐射直接相关,而目标
红外辐射的强弱又能够通过热图像得到反映,因而物体的温度可以利用热像仪测得。
此外,红外热像仪也广泛的应用在民用领域,由于在工业设备运转过程中,我们需要
时刻关注设备的工作状态,而设备工作状态的正常与否可以通过温度的高低来判断,因此
探测其温度分布和变化就显得非常重要。而热像仪在这方面优势非常明显,它具有温度测
量的非接触性和快速获得大面积温度数据的优势,我们通过温度数据的分析和判断,可以
有预见性的采取有效措施防患于未然。从这个意义上讲利用热像仪测温和控温是保障生产
工艺和产品质量稳定的有效手段。
长期以来,学者们普遍对辐射测温法的准确性存有疑问,究其原因在于辐射测温法的
可靠性和抗干扰性不高,而且局限于高温测量。随着电子技术的迅猛发展,新半导体材料
的不断出现,红外测温技术在科学研究、现代工程技术和军事领域中的应用越发广泛。与
一般测温技术相比,红外测温技术的突出优点是:①不会破坏被测物体的温度场,因为它
无需与被测物体接触;②可分辨 0.01℃的温度差,灵敏度高;③可在几毫秒内测出目标温
度,反应速度快;④测温范围宽,一般可达到-170℃~3200℃ ,甚至更大;⑤不受检测距
离限制,近远皆可;⑥可实现实时观测和自动控制,操作安全简便;⑦还可实现夜视。红
外热像测温技术是体现一国科技实力的高新技术之一,因此世界各国的科研机构纷纷投入
巨额资金和大量人力物力进行深入研究并取得飞速的发展,其应用领域已经从军事、准军
事领域拓展到民用等领域,并发挥着其它产品难以替代的重要作用。
目前美英法德等主要发达国家在红外热像测温技术的研究与应用已经走在了世界的前
列,良好的示范作用为我们研究热像测温技术奠定了坚实的后发优势。掌握热像测温技术
的发展进程、应用领域和发展趋势,有利于启发科学、合理的发展思路,为热像仪的优化
发展提供方向性的支持。由于民用热像仪需要具有测温和进行图像处理的功能要求,在某
种程度上,较军用观察型热像仪有更高的要求。红外热像仪能测温实际上是通过黑体恒温
(可调)炉对红外热像仪先定标它的温度曲线,定标的点越多,测温相对越准。这种标定是
和每个探测器本身的特性相关。所以,每台红外热像仪在工作或放置一段时间后,测温曲
线就得重新标定,否则测温就不可能准确。红外热像仪测温是绝对不准的,但是发现相对
温差的能力确是一流的。在现有常用的热像仪温度测试中,所说的测温只是对我们感兴趣
的单元进行较为精确的测温与目标定位,剩下的温度区域只要发射率和选定目标区域发射
率不同,热图中显示的温度肯定不是目标的真实温度,因此实际上热像仪所采集到的热图
就不是和目标一一对应的温度分布图。红外热像仪测温主要受被测物体表面发射率的影响
但反射率、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的影响也不容忽视。这些影
响因素不但会导致红外热像仪的测温不准,当然也影响了热像仪在一些领域的应用。
尤其是对物体表面发射率估计的不准确,更影响温度测量的精确性。作为一种通用技
术,红外热像测温技术的应用将深入各个领域,但是要想应用热像技术进行精确测温,还
需做很多研究。本论文结合红外热像测温原理,进行红外热像精确测温技术及其应用研究
利用红外热像仪进行飞机蒙皮的红外辐射与发射率,大气透过,距离的关系以及目标与背
静的辐射对比度的关系。
研究的目的和意义
温度的测量方法个人那句温度传感器的使用方式,大致可分为接触式和非接触式两种。
热电偶法
接触式
等离子体法
光线测温法
谱线反转法
发射吸收光谱
发射吸收法
转动喇曼散射发
自发喇曼散射
振动喇曼散射发
非接触式 喇曼光谱
近共振喇曼散射发
受激喇曼散射 反转喇曼散射发
相干反斯托克斯喇曼散射发
红外测温法
微波衰减法
多光谱测温法
受激荧光光谱法
在接触法测温中,主要采用热电偶法和等离子体法,这种测试方法设备简单、操作方
便,直接测量的是物体的真实温度。但由于要与被测物体紧密接触,影响了被测物体的温
度场分布,动态性能较差,亦不能应用于甚高温测量。非接触法测温主要有红外热像法、
受激荧光光谱法、多光谱测温法、光纤测温法和发射吸收光谱法等[3]。自然界一切温度在
绝对零度(-273 ℃)以上的物体,由于自身分子热运动,都在不停地向四周空间辐射包括红
外波段在内的电磁波,其光谱范围比较广。分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大。
而现阶段的红外热像仪都只能对其中某一小段光谱范围的红外光产生反应。比如:3~5μm
或 8~14μm,这就是所谓的“大气窗口”。大气、烟云等对 3~5μm 和 8~14μm 的热红外线几乎
没有阻碍,但可以吸收除此之外的可见光和近红外线。同时,物体向外发射的辐射强度取
决于目标物体的温度和物体表面材料的辐射特性。同一种物质在不同的状况下(表面光洁度、
环境温度、氧化程度等等),向外辐射红外能量的能力都不同,这种能力与假想中的黑体的
比值就是该物质在该温度下的发射率。黑体能吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射
和透过,是一种理想化的辐射体,其表面发射率为 1。特别指出,自然界中并不存在真正
的黑体。由于辐射测温相关技术完备,数据处理灵活方便,应用广泛,所以目前非接触测
温法主要以辐射测温法(又叫红外测温法)为主。红外测温技术的研究和发展主要问题有二,
一是如何测准来自被测物体的能量;二是如何将测得的能量转换为被测物体的真实温度。
当然还涉及到仪器的测量范围、精度、距离和目标大小、响应时间和稳定性等。在实际应
用中,还必须考虑被测物体光谱发射和辐射传递通路中介质对辐射传递的影响等。由于材
料的发射率并不是材料的本征参数,它不仅和物体的成份有关,还和工作波长、所处温度
及表面状态等诸多因素有关,而且在测量过程中会随时发生变化。特别是高温、甚高温测
量时,由于环境中充满烟雾、粉尘、水汽等,目标表面状态变化剧烈,因而发射率修正法
及减小发射率影响法在使用过程中都受到限制。多光谱辐射测温法虽然从某种意义上消除
了发射率的影响,但只适用于金属试样,所以需要研究出更好的发射率补偿算法来减小发
射率的影响,进而进行精确测温。红外热像测温系统是目前发展最快、性能比较稳定的现
代化应用中极其重要的被动成像系统,红外热像仪利用红外探测器可以将不可见的红外辐
射转换成可见图像,这成为一个国家军事力量的一个重要技术指标。不断发展中的红外热
像仪已经从军用领域转向民用领域。红外热像仪主要用于分辨目标景物温差,但民用部门
用来测量目标辐射绝对温度。测温红外热像仪制造部门在对出厂的测温系统进行标定时,
都是在实验室和近距离条件下进行,因此其内部附带的目标辐射特性(目标辐射率)和大
气(标准大气)透过率参数修正软件都仅仅适用于一些特定条件,而测温热像仪的一些使
用部门往往是在复杂的气象条件和较远的距离下对复杂目标进行测量,测试结果虽经内部
附带软件的修正,但其测试结果仍与真实结果之间存在极大的差距,经研究认为,在对未
知目标辐射源的真实温度进行标定时,必须对大气透过率做出二次标定,使用二次修正系
数得出目标的真实辐射温度。本文将对红外测温热像仪的外场远距离测温进行研究。红外
热像测温[4]技术是目前最为活跃的研究热点之一,红外热像仪在温度测量方面是一个功能
强大的仪器,与其他测温方法相比,热像仪测温在以下两种情况下具有明显的优势: (1) 温
度分布不均匀的大面积目标的表面温度场的测量;
(2) 在有限的区域内快速确定过热点或过热区域的测量。
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