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基于智能传感器测量的红外温度补偿算法的研究
摘要
红外温度传感器的热惯性小，可用于测量带有温度的移动物体或温度快速变化的物体。其广泛应用于现代工业，军事和医学。普朗克定律指出红外温度测量是基于正常辐射的红外辐射作为标准测量。然而，由于实际的测量环境和成本限制，在实际的红外测量的情况下，通常在红外传感器和被测物体之间存在改变的入射角。对温度测量中入射角的补偿算法是本文研究的重点。面对铝板制造过程中辊的表面温度测量和冷却系统，提出并设计了一种基于红外传感器的实时温度测量方案。通过实验研究和数据分析，探讨了入射角在表面红外测温中的影响规律。同时，由于本文选择强反射体作为研究样本，并选择低温作为温度测量的度量衡，因此研究应克服强反射体的物理性质和低温测量的不准确的干扰。在总结研究成果的基础上，建立了入射角补偿算法，用于解决入射角对测温结果的影响。这项研究的结果对于用红外传感器准确测量强反射体的表面温度具有重要意义。
关键词：红外温度测量，入射角，精度测量，补偿算法
1.介绍
目前，由于红外热传感器具有热惯量小，便于测量运动物体的温度或温度变化迅速的状况等突出优点，因此被广泛应用于各个领域，尤其是运动物体的表面温度测量。随着研究人员不断探索，该技术近几十年来测量的准确性有了很大的提高。众所周知，红外测温技术在医学领域应用最为广泛。 与传统的接触式测温相比，红外测温仪的出现大大提高了医疗的效率。并且随着对医用红外测温仪的不断研究和探索，红外测温技术在医学中的应用已逐渐成熟。近年来，红外测温技术在航空航天领域的应用日益广泛，在航空航天领域进行红外测温的研究也越来越成熟，并一直在促进航空工业的发展。红外测温技术得以广泛应用的原因主要在于其具有非接触测温方式，高灵敏度，广阔的测量范围与使用方便等独特优势。本文主要针对当前铝加工的需求研究了表面温度测量。取决于安装空间和系统成本要求的限制，在辊的表面温度测量中采用点对点方法。首先，选择一个红外传感器并将其安装在与步进电机相连的固定支架上。 其次，控制步进电机，使红外传感器扫描表面并测量表面温度。在测量辊表面上不同点的过程中，存在不同的红外入射角。大量研究表明，影响表面温度测量精度的因素包括表面发射率，测量距离，环境因素等。但是，对于入射角的研究很少，尤其是考虑到光轴的研究。为了提高辊子表面温度测量的精度，有必要探讨入射角对红外温度测量结果的影响，与此同时，为了进一步探讨表面红外测温精度的影响因素。所以，本文进行了该研究。本文从红外测温原理入手，通过实验研究表明了光轴红外入射角对表面红外测温误差的影响。最后，建立了基于红外表面温度测量的入射角补偿算法。
通过本文的研究，最终揭示了红外入射角对红外测温结果的影响。根据其特性的研究，为使用红外传感器测量温度时更合理地选择红外入射角提供了基础。同时，本文重点研究了结果优化算法，该算法可应用于铝工业的实际测量领域，具有很大的实际参考意义。通过研究结果，本文提出了一种基于不同红外入射角的温度补偿算法。使用该算法，可以大大提高温度测量的准确性。
为了减少误差，本文采用建立补偿公式的方法。 本文记录了红外测量的温度和K型热电偶的温度，并通过比较结果来反映红外测量的准确性。然后，我们需要通过几个小温度段来估算大温度段的温度值，因此拟合法是该研究中最合适的方法。此外，本文所用的温度采集和转换设备具有良好的线性度。 通过对测量数据的分析，我们发现曲线拟合是比较理想的，因此补偿公式的方法可以达到良好的减少误差的效果。
- 红外测温原理
高于绝对零度（273℃）的任何自然物体都在不断辐射红外能量。物体向外辐射能量的大小和分布与物体表面的温度密切相关。因此，通过测量物体向外辐射的红外能量，可以测量物体表面温度的准确值，这是红外温度测量的基本原理。黑体辐射理论指出，在理想条件下，每种辐射都可以视为黑体。它吸收了所有波长的能量，且没有透射和反射。因此，它将辐射所有吸收的辐射能量，即表面发射速率为1。普朗克定律表明，黑体的辐射能在不同的温度条件下根据其波长分布。这是红外测温技术的理论基础，其数学表达式如下：
（1）
其中，（T）是黑体辐射的能量密度，单位为W（micro;m m2）。C1是第一个辐射常数，
C1 =2pi;hc2=（3.7415plusmn;0.0003）times;108 W mminus;2 micro;4m; C2是第二辐射常数，C2 = ch /k =（1.43879plusmn;0.00019）times;104 micro;m k；lambda;是单位为micro;m的光波。
黑体辐射的能量密度可以通过普朗克定律精确计算。黑体的辐射测量一直是测量红外辐射的标准，并且已经生产出了非常接近理想黑体的各种黑体。但是，在自然界中，没有理想的黑体，并且所有对象的表面反射系数都小于1，可以将其称为灰体。通常在相同温度下将其与黑体进行比较，而不是直接测量灰体的红外辐射，然后用比率表示被测物体的特性。
通过比较每个温度和波长下黑体的正常辐射与被测物体之间的关系，可以得出辐射M，如下所示：
（2）
其中，ε称为发射率，它是温度和波长的函数。但是对于大多数热物体，发射率ε随波长的变化非常缓慢，这意味着它具有很强的鲁棒性。因此，ε通常被认为是一个常数。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律可得：
（3）
其中，sigma;= 5.67032times;，T是物体的热力学温度。 所测热辐射的辐射度计算公式如下：
（4）
其中，ε（T）是温度为T时材料在整个波长范围内的发射率，称为黑度系数。公式（4）是辐射温度计测温的理论依据。在实际环境中，除了被测灰体自身的红外辐射能外，还有其他形式的辐射能，如图1所示：
图一：物体红外辐射的能量
在测量实际物体的表面温度时，红外能量的辐射不仅来自物体本身，即E（辐射能），还包括来自环境温度的能量：辐射到表面上的这部分能量会反射红外温度测量系统也可以接受的反射。如图1所示，R（反射能量）会影响温度测量结果的准确性。 另外，将存在穿过物体并进入红外传感器透镜的能量，即T（透射能量），这将进一步影响温度测量结果的准确性。 但是通过大量实验，大多数物体没有光透性。本实验中使用的光轴样品质地细密，没有透射，因此在实验中可以忽略透射能量。为了减少环境辐射的影响，实验简化了该过程。本研究设计了一个封闭的窗口空间，并在该空间内进行了所有实验，室温的实验环境是稳定的。
根据上述原理，可以确定本文的研究重点。 随着红外传感器的旋转，将形成不同的红外入射角。本文主要探讨样品表面测试点发出的红外能量在被红外传感器接收时是否会发生很大变化。该辐射量的变化是否与红外入射角有关，是否可以通过补偿算法进行校正以达到减小误差的目的。根据红外温度测量的原理，辐射量的变化最终将反映出被测温度的变化，可以通过这种直观的变化进行研究。这是需要进行实验研究的目的和基础。
- 实验方法设计
3.1红外温度传感器的选择
所有物体都不断地辐射红外能量，而红外辐射能量与物体表面的温度密切相关。根据这一理论，制造出了红外温度传感器。红外传感器可以捕获所有物体的不可见红外能量，这是无线电波与可见光之间电磁频谱的一部分。红外测温传感器的选择是实现物体表面温度精确测量的核心，因此，首先应选择合适的红外传感器进行研究。根据铝加工过程中温度测量的要求，测量温度在50–300℃之间，因此在本文中，将选择范围为50–300℃的红外传感器。这项研究采用的红外传感器是针对IS-CF300AD型号的定制目标IS系列红外传感器。该传感器的工作原理是根据物体的红外辐射强度来计算物体的表面温度。IS红外传感器的最重要特征是无需接触即可测量物体的表面温度。因此，可以容易地测量难以接近或移动的目标温度。传感器的测量范围在50–300℃之间。传感器的光谱为1.6 micro;m（红外温度测量中使用的热辐射的波长范围为1–20 micro;m），并且输出为最常用的4–20 mA的电信号。 输出温度的分辨率为1℃。该传感器可以很容易地安装在各种应用中，尤其适合长距离的需求，并安装在干扰强烈的工业环境中。IS传感器的内部结构包括：光学系统，光电检测器，信号放大器，信号处理电路和显示部分。其基本结构如下图2：
图二：红外测温仪的内部结构图
首先，散热器的红外辐射能量被红外传感器的透镜捕获，然后进入传感器的光学系统，在红外系统中通过调制器和光电探测器将其转换为相应的电信号。然后，使电信号通过信号放大器，并且根据特定算法，获得相应的测量温度值并将其显示在显示屏上。
3.2建立实验平台
在该实验中，选择具有强反射性的铝合金棒作为测试对象。合金棒安装在一定高度的固定支架上，可以随支架一起旋转。红外传感器安装在另一个固定支架上。步进电动机的轴连接到可以与步进电动机一起旋转的支架上，以驱动红外传感器，然后实现对合金棒表面上的差异点进行温度测量。显然，当步进电机带动红外传感器旋转时，红外传感器的入射角在不同的测试点上是不同的。实验测试的示意图如图3所示：
图三：测温结构示意图
在图3中，红外传感器与被测物体之间的距离约为500mm，这是根据工厂实际情况选择的适当距离，也是传感器的校准距离。首先，需要调整被测物体和IS系列红外传感器，并确保它们都处于水平状态，并确保IS红外传感器的发射激光正好位于中心平面的水平上。 然后调试步进电机并确保传感器可以稳定旋转。
实验平台基本上在工厂模拟了辊的过程。 认为红外温度测量容易受到周围因素的影响，尤其是热源和红外光，因此有必要控制这些干扰因素。为了排除可能的干扰，例如对结果干扰较大的太阳光线，将实验平台放置在没有热源和红外光的环境中。基本上消除了可能的干扰。
- 产品测试和结果分析
显然，许多因素都会影响红外温度测量的结果。在现有研究文献的基础上，发射率，距离和环境温度对红外测温误差的影响较大且与之相关研究文献很多。但是有关入射角对红外测温结果影响的研究文献较少。红外线是一种电磁波，它在空间中会向各个方向辐射。根据公式（2），（3）和（4），在研究热物体的辐射时，通常将法线方向的热辐射视为标准量。 但是，在实际环境中，使用红外传感器测量温度时，红外传感器与法线方向之间会存在一定角度。因此，应进行进一步的研究，以发现其他方向的热辐射能量是否与法线方向的热辐射能量一致。本文按照图3所示的实验方案进行了法线方向和不同入射角的实验。
4.1法线方向测试实验（即入射角为0）
在该实验中，使用了具有铝合金材料和强反射性的光轴。根据带有激光瞄准的IS红外传感器的手册，该实验的发射率范围为0.02–0.1。根据红外传感器使用手册，当测得的温度值大于实际温度时，应降低发射率。相反，应提高发射率。根据此功能，通过重复测量定点，发射率确认为0.06。绝对误差小于2℃，具体数据如图4所示：
图四：实际温度与温度测量值的比较
在图4中，X轴代表实际温度，Y轴代表红外测量温度。在此实验中选择的温度在100到200℃之间，并且每5摄氏度测量一次温度。从图中可以看出，曲线平滑，误差明显不大。 每个温度的绝对误差如图5所示：
图五：绝对误差图
在图5中，X轴代表实际温度，Y轴代表实际温度和测量温度的绝对误差。从上面可以看出，当所选温度在100°C至200°C之间时，绝对误差的范围在0和2°C之间，并且大多数绝对误差在1°C时是稳定的。
4.2用红外传感器从不同入射角度测量温度
由上述实验确定的红外传感器的发射率是0.06，因此首先应固定发射率。然后以四种温度固定棒表面上每个点的温度，包括105、120、140和140℃。接着，通过红外传感器分别在四个不同的固定温度下分别测量不同入射角下棒材的实时温度，从而探究入射角在温度测量中的基本规律。在这项研究中，步进电机被用来驱动红外传感器以实现对入射角的精确控制。 所选步进电机的角度为0.9°，红外入射角设置为8个不同的角度：4.5°，13.5°，18°，22.5°，27°，29.7°，32.4°和36°。 测量结果如图6所示：
图六：固定120°下的测量结果
在图6中，样品表面的固定温度为120℃，并且分别在八个不同的入射角下测量了测量结果。水平轴代表入射角，垂直轴代表测得的温度。从图6中可以发现，在相同棒状样品温度下，在不同入射角下测得的温度是不同的，并且测量结果低于棒的实际温度120℃，这似乎表明入射角越小，温度变化越小。这也意味着随着入射角的增加，被测温度的误差会不断增加。同时，还显示出当入射角大于30°时，测量偏差大于5％。即，随着角度增加，实际测量值越来越小。
图7、8和9分别代表将样品表面温度固定在105°、140°和160℃时在不同入射角下测得的结果。 可以发现，测量结果曲线的变化规律与图6基本一致。这表明，当用红外传感器测量棒的表面温度时，随着入射角的增加，测量结果逐渐偏离实际值。因此，通过总结实测温度的变化规律和拟合曲线，可以在一定的校正算法的基础上对测温结果进行校正，通过拟合曲线可以得到更准确的实测温度。
图七：固定105°下的测量结果 图八：固定140°下的测量结果
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