Influence of Distance and Fog on Infrared Temperature Measurement Accuracy
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摘要:
为提高在线式红外热像仪在大雾天气下的测温精度,研究了距离、相对湿度和雾对红外热像仪测温精度的影响。采用二次开发的热红外故障数据采集系统,搭建实验平台,分别进行单因素和多因素干扰下的测温实验。得到距离-误差温度的分段多项式拟合关系;基于暗通道先验理论,实现对雾的定量描述,得到透射率-误差温度的指数函数拟合关系;以代数和的方式,提出一种误差补偿模型来补偿距离和雾共同作用产生的测量误差。实验结果表明,该模型能显著提高热像仪测温精度,对在线式红外热像仪在大雾环境下进行长时间精确温度数据的采集与存储,构建设备故障数据特征库具有重要意义。
Abstract:To improve the temperature measurement accuracy of online infrared thermal imagers in foggy weather, the effects of distance, relative humidity, and fog on temperature measurement accuracy of infrared thermal imagers were studied. A secondary thermal infrared fault data acquisition system was used to build an experimental platform for temperature measurement experiments under single-and multi-factor interference, thereby obtaining a piecewise polynomial fitting relationship between distance and error temperature. Based on the prior theory of dark channel, the quantitative description of fog was realized, and the exponential function fitting relationship between transmittance and error temperature was obtained. By way of algebraic sum, an error compensation model was proposed to compensate the measurement error caused by the interaction of distance and fog. Experimental results show that this model can significantly improve the temperature measurement accuracy of thermal imagers. For an online infrared thermal imager, collecting and storing temperature data for a long time in foggy environments are of great significance in building an equipment fault data feature database.
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0. 引言
红外热像仪具有非接触,响应快,可视化等优点,广泛应用于电力,航空等工业领域[1-2]。然而,由于红外热像仪非接触测量的特点,在实际应用中易受到多种干扰因素的影响。在中国西南部分地区经常产生雾,根据雾的种类不同,空气相对湿度在70%~95%之间[3]。在空气湿度较高、能见度较低的大雾环境下,实现红外热像仪的准确测温是急需解决的问题。
相关学者对红外测温影响因素进行了大量研究。王海娟等研究了距离和相对湿度对红外热像仪测温精度的影响,利用误差比例因子拟合公式对观测数据进行修正,误差可控制在10 K左右,满足现场监测的需要[4]。廖盼盼等研究了距离对红外热像仪测温精度的影响,设计了一套能够测出被测物与红外热像仪距离的测温系统,根据测量结果得到距离补偿公式来进行误差修正[5]。潘东等研究了粉尘和距离对红外测温精度的影响,基于非线性多项式提出了一种误差补偿模型,对测温误差进行修正[6]。王海娟等[4]的研究针对相对湿度较低的环境展开,并未对相对湿度高、能见度低的环境的红外测温精度进行研究。潘东等[6]在实验室模拟工业粉尘环境,研究了距离和粉尘对红外测温精度的影响,得到了准确的误差补偿模型,但并未对粉尘的浓度进行定量描述。
上述学者所做的工作还有进一步研究空间,本文重点研究距离、相对湿度和雾对红外热像仪测温精度的影响。以红外辐射理论为基础,理论分析距离、相对湿度和雾对红外测温精度的影响。采用二次开发的热红外温度数据采集系统,搭建实验平台,分别进行单因素和多因素作用的测温实验,并对实验结果进行分析研究。
1. 红外热像仪测温原理
1.1 红外辐射能转换为电信号
任何高于绝对零度的物体都会向周围辐射红外能量,这种辐射能的强度取决于辐射波长和物体的温度。红外测温的基础是热辐射理论,因此,测温数学模型必须考虑到红外探测器接收的热辐射通量。红外热像仪接收到的热辐射通量包括3个部分:被测物体发出的热辐射通量、被测物体反射的环境热辐射通量、大气发射的热辐射通量。这3部分能量在红外热像仪探测器上产生的辐射亮度为[7]:
$$E=A_{\mathrm{o}} d^{-2}\left[\begin{array}{l}\tau_{\alpha \lambda} \varepsilon_\lambda L_{\mathrm{b} \lambda}\left(T_{\mathrm{o}}\right)+ \\ \tau_{\alpha \lambda}\left(1-\alpha_\lambda\right) L_{\mathrm{b} \lambda} T_{\mathrm{U}} \\ +\varepsilon_{\alpha \lambda} L_{\mathrm{b} \lambda} T_{\mathrm{a}}\end{array}\right]$$ (1) 式中:A0为当红外热像仪空间张角最小时所对应的被测物体的有效面积;d为红外热像仪到被测物体的距离;ταλ为与波长有关的大气光谱透射率;εαλ为大气发射率;Ta为大气温度;TU为环境温度;ελLbλTo为物体表面光谱辐射亮度;(1-αλ)LbλTU为反射的环境光谱辐射亮度;εαλLbλTa为大气光谱辐射亮度。
由于红外热像仪工作在某一特定波段,2~5 μm或8~12 μm两个波段,探测器在工作波段上积分接收到的辐射能,并将辐射亮度转换为电信号:
$$\begin{aligned} V_{\mathrm{s}} & =\int_{\lambda_1}^{\lambda_2} A_{\mathrm{R}} E_\lambda R_\lambda \mathrm{d} \lambda \\ & =A_{\mathrm{R}} \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} A_0 d^{-2}\left[\begin{array}{l}\tau_{\alpha \lambda} \varepsilon_\lambda L_{\mathrm{b} \lambda}\left(T_{\mathrm{o}}\right)+ \\ \tau_{\alpha \lambda}\left(1-\alpha_\lambda\right) L_{\mathrm{b} \lambda}\left(T_{\mathrm{U}}\right) \\ +\left(1-\tau_{\alpha \lambda}\right) L_{\mathrm{b} \lambda}\left(T_{\mathrm{a}}\right)\end{array}\right] R_\lambda \mathrm{d} \lambda\end{aligned}$$ (2) 式中:AR为红外热像仪透镜的面积;Rλ为探测器的响应度;λ1、λ2为红外热像仪的工作波段。
1.2 电信号转换为温度值
红外热像仪通过光学系统将物体的红外辐射能转化为电信号,经A/D转换器将电信号转换为数字信号。对于一个16位的探测器数字化系统,可以产生0~65535个灰度级。特定红外辐射波段对应的灰度值与相应的标定温度值进行插值运算,便可得到温度值。同时,灰度值通过数据压缩算法可得到8位调色板索引,从而得到0~255之间的像素值,生成红外图像。以16位A/D探测器数字化系统,系统测量范围在-20℃~350℃的红外热像仪为例,测温原理如图 1所示。
从图 1中可以看出,在一段灰度范围内,灰度值-温度之间的函数关系可近似用牛顿一次插值算法表示为:
$$T_{\mathrm{m}}=T_{\mathrm{f}}+\frac{T_{\mathrm{b}}-T_{\mathrm{f}}}{S_{\mathrm{b}}-S_{\mathrm{f}}}\left(S_{\mathrm{m}}-S_{\mathrm{f}}\right)$$ (3) 式中:Sm为测温点灰度值;Tm为与Sm对应的标定温度值;Sf为与Sm相邻的前一坐标点处灰度值;Sb为与Sm相邻的后一坐标点处灰度值;Tf与Tb分别为Sf与Sb对应的标定温度值。
通过温度标定实验,将特定的灰度值与标定温度值相对应,经插值算法,便可得到任意灰度值对应的温度信息。
从式(2)可以得出,探测器电信号易受发射率、距离、透射率、环境温度、大气温度等因素的影响,因此,通过插值算法得到的温度值也受到上述因素的影响。
2. 测温精度影响因素分析
根据物体发射率、环境温度、大气湿度等因素调整红外热像仪测温参数,以降低上述因素对测温精度的影响。以往学者的研究表明:距离和透射率变化会对测温精度造成显著影响,需要根据实际应用场景进一步补偿。
1)测量距离:测量距离发生改变时,会从两个方面对热像仪测温精度造成影响[8]:一方面,物距的增大会降低大气透射率,导致红外热像仪焦平面阵列接收到的红外辐射能减小,从而影响测温精度。另一方面,由实际测量距离与标定距离不同而导致的测量误差:①假设焦平面阵列位置固定,增加被测物与热像仪镜头间距离,热像仪瞬时视场角面积增大,目标物体尺寸在瞬时视场中所占面积越小,焦平面阵列探测器上单个探测器像素未被目标物体的红外辐射完全覆盖,与标定时不同,导致被测物温度低于实际温度;②在实际测温过程中,为测得准确的温度值,必须对不同位置处热像仪重新调焦,这一过程使得焦平面阵列位置发生改变,焦平面阵列像素接收到的红外辐射能量与标定时不同,从而导致测温误差。
2)相对湿度:空气中对红外辐射具有吸收作用的气体主要是水蒸气和二氧化碳,它们均会造成红外辐射的衰减,降低大气透射率,尤其是水蒸气分子对红外辐射有选择性吸收作用[9]。
3)雾:雾的主要成分是水汽,飘浮在空气中的水汽对红外辐射具有很强的吸收和散射作用,降低大气透过率,对热像仪测温精度产生严重的影响[10]。
3. 实验方案与结果分析
为提高在线式红外热像仪在大雾天气的测温精度,研究多因素共同作用对红外热像仪测温精度的影响,进行了距离、相对湿度和雾3个系列的测温实验。表 1列出了实验中所用设备和相关参数。
表 1 实验中使用设备的参数Table 1. Parameters of equipment used in the experimentEquipments Characteristic parameters Equipment type FOTRIC615C Measuring range/℃ −20 to 350 Thermal infrared imager Image resolution 240×320 Angle of field/° 30×22 Minimum imaging distance/m > 0.5 Humidity sensor Measuring range of humidity 0%RH-100%RH Heating piece Temperature/℃ 115 Camera Image resolution 4624×2080 Humidifier Spray volume/ ml/h 50 Thermocouple Temperature Measuring range/℃ −50 to 1300 Acrylic board experimental box Box size/cm 50×50×50
(10 pieces)分析软件采用基于FOTRIC软件开发包和Visual Studio 2015开发平台进行二次开发的热红外数据采集系统,系统界面采用QT开发平台进行设计。本系统可获取热像图上任意像素点处的温度值,及特定矩形区域的温度均值,并且根据开发包接口函数设置测温影响参数,对温度数据进行初步的补偿。系统界面如图 2所示。
为模拟雾产生时的环境条件,实验在密闭亚克力板实验箱内进行。实验箱设计为可拼接型,每部分大小为50 cm×50 cm×50 cm的正方体,总拼接长度达500 cm。实验箱一侧中心处冲有40 mm的红外热像仪通光孔,红外热像仪通光孔左侧冲有20 mm的可见光相机通光孔,通光孔水平高度右侧设置湿度传感器。加湿器置于发热片两侧,以获取稳定均匀的雾滴。发热片水平、相同高度处贴有黑色胶布,作为暗像素。实验装置如图 3所示。
3.1 距离对红外测温精度影响实验
实验开始前,提前开启热像仪,使其达到稳定的工作状态。热电偶测得发热片真实温度为114.7℃。在标定距离1 m处,设置热像仪相关参数,此时红外热像仪测量值与热电偶测量值几乎相同。具体实验环境参数如表 2所示。
表 2 实验环境参数Table 2. Experimental environment parametersParameters Measured results Ambient temperature/℃ 22 Atmospheric temperature/℃ 22 Relative humidity/% 42 Emissivity 0.97 Distance/m 1 实验过程中,随着距离的改变:难以对被测物同一像素点的温度值进行采集、焦平面阵列单个像素暗电流的影响、空气流动等因素,都会导致测量误差。因此,不同距离处,需测量被测物中心点处温度5次,取平均值作为记录的数据。
在此基础上,展开3次距离测温实验,每次实验的测量范围为0.5~5 m,测量间隔为0.5 m,具体实验方案如表 3所示。
表 3 实验方案Table 3. Experimental schemeExperiment No. Focus Parameter compensation 1 N N 2 Y N 3 Y Y 从上述实验结果可以看出:①实验1,一次调焦后直接测量,温度和距离始终呈负相关,在0.5~4 m范围内,测温结果急剧下降;4~5 m范围内,温度变化趋于缓和。②实验2,不同位置处重新调焦后测量,在0.5~1 m范围内,温度和距离呈正相关,1~5 m范围内呈负相关。③实验3,不同位置处重新调焦,并且设置距离补偿参数后测量,测温曲线与第二次实验中测温曲线几乎重合。
实验结果分析:①在焦平面位置固定的情况下,随着测温距离改变,热像仪瞬时视场角变化会对测温结果产生很大误差。②为达到准确测温的目的,重新调焦获取最清晰的热像画面,可以显著减小瞬时视场角变化导致的测温误差。但是,调焦使焦平面位置发生变化,导致焦平面单像素点接收到的红外辐射能量与校准时的能量不同,由此导致的测温误差依然十分显著,因此要进行补偿。在0.5~1 m范围内,温度与距离呈正相关,原因是热像仪所用镜头的最小成像距离需大于0.5 m,因此在0.5 m附近,焦平面阵列像素无法接收到全部红外辐射能,导致测量温度值低于实际温度值。③近距离测温时,设置距离补偿参数对测温结果几乎没有明显的修正作用,由此可见开发包中算法是针对晴朗天空时,距离改变导致透射率发生变化进行补偿的,无法对焦平面位置变化带来的误差进行补偿。
综上所述,为补偿距离变化对测温结果造成的误差,提高测温精度,需对实验3的测量温度值进行补偿。距离-误差温度曲线及多项式拟合曲线如图 6所示。
根据拟合结果,得到距离-误差温度的分段拟合关系:
$$ \Delta {T_d} = {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} { - 0.6d + 0.6}&{0.5 < d \leqslant 1} \\ \begin{array}{l} - 1.0295 + 0.88416d \hfill \\ + 0.09264{d^2} \hfill \\ \end{array} &{1 < d \leqslant 5} \end{array}} \right. $$ (4) 式中:ΔTd为距离引起的测温误差;d为测温距离。为验证模型的准确性,在0.25~4.75 m之间,每隔0.5 m记录一次测量温度,根据距离-测量温度的分段拟合关系,对测量温度值进行修正,模型修正后温度曲线和模型修正后误差温度曲线如图 7所示。
从图中可以看出,模型修正后最大温度误差仅为0.3℃。因此,距离-误差温度这一函数模型能显著降低焦平面位置变化造成的测量误差。
3.2 相对湿度对红外测温精度影响实验
根据大雾产生时的湿度条件,通过加湿器和湿度传感器,控制实验箱内相对湿度分别为70%、75%、80%、85%、90%、95%。在不同的湿度梯度下固定距离1 m、2 m、3 m、4 m、5 m记录发热片温度。实验箱内相对湿度达到95%以上后关闭加湿器,当湿度传感器显示值回落到95%时,开始记录每个湿度梯度的测温值。实验具体测量结果如图 8所示。
从距离单独作用和距离与相对湿度共同作用的两测温曲面可以看出:当相对湿度小于90%时,两测温曲面几乎重合,因此可以得出结论:当相对湿度小于90%时,相对湿度对测温结果影响很小,在测温误差允许范围内无需对测量值进行修正。
从距离-误差温度模型修正后的测温曲面可以清晰地看出:相对湿度大于90%时,对测温结果影响较大,且影响程度随着距离的增加而增大;相对湿度小于90%时,在一定误差允许范围内,距离-误差温度拟合关系能够补偿距离与相对湿度共同作用时产生的误差。
实验过程中发现,当雾滴悬浮在被测物与红外热像仪之间的光路中时,测量温度值发生大幅下降。随着实验箱内悬浮雾滴的下落,测量误差逐渐减小,此时实验箱内湿度传感器数值并未发生变化,而能见度明显升高,实验箱内大气透射率值变大。因此,相对湿度在90%~95%之间造成的较大测量误差,可能并不是由相对湿度中的气态水蒸气导致,而是因为空气湿度接近饱和,产生悬浮在空气中微小的液态雾滴导致。相比于雾对红外热像仪对测温精度的影响,相对湿度对红外热像仪测温精度的影响很小。为验证这一想法,进行了雾对红外测温精度的影响实验。
3.3 雾对红外测温精度的影响实验
研究雾对测温精度的影响,难以实现对雾的浓度进行定量描述,专业的能见度传感器价格昂贵,且体积大,不适合实验室展开研究。因此,采用图像处理领域中的暗通道先验理论,利用该理论中对大气透射率的估算,对雾的浓度进行定量描述,绘制透射率-测量温度曲线。
根据暗通道先验,在无雾的图像中,非天空区域的大部分局部区域,存在一些像素点在至少一个颜色通道中有很低的像素值,则暗通道像素模型可按照下面公式数学表示[11]:
$$J^{\mathrm{dark}}(x)=\min\limits_{y \in \varOmega(x)}\left(\min\limits_{c \in\{r, g, b\}} J^c(y)\right)$$ (5) 式中:Ω(x)表示以像素点,x为中心的矩形区域;y为该区域内的相邻像素;Jc(y)为其对应的r、g、b的一个颜色通道的值。c表示RGB三通道其中某一通道。Jdark(x)为像素点x对应的暗通道值。
基于这一先验,可得到雾霾天气下的简化图像退化模型如下:
$$ I\left( x \right) = J\left( x \right)t\left( x \right) + A\left( {1 - t\left( x \right)} \right) $$ (6) 式中:J(x)代表复原图像;t(x)为透射率,反映光线穿透雾霾的能力;A代表大气强度。
式(6)可变形为:
$$ \frac{{{I^c}\left( x \right)}}{{{A^c}}} = t\left( x \right)\frac{{{J^c}\left( x \right)}}{{{A^c}}} + 1 - t\left( x \right) $$ (7) 在估算透射率时,假设在局部小范围内透射率相同。因此,根据暗通道先验理论,可以得到大气透射率的估计值。
$$ t\left( x \right) = 1 - w\mathop {\min }\limits_c \left\{ {\mathop {\min }\limits_{y \in \varOmega \left( x \right)} \left[ {\frac{{{I^c}}}{{{A^c}}}} \right]} \right\} $$ (8) 根据暗通道先验的大气透射率估算值,在1 m、2 m、3 m处展开3次实验,绘制透射率-测量温度曲线。
为定量描述雾的浓度,在原实验装置的基础上,加入可见光相机和黑色胶布(暗像素)。在实验开始前先拍摄一张无雾图像,用于计算当前环境下的大气透射率值。
为消除不同位置处距离因素对测温结果造成影响,根据距离-误差温度拟合关系模型设置热像仪offset参数,得到模型补偿后不同距离处的热像仪测量值均在114.7℃附近。
最后,开启空气加湿器。3个距离处产生均匀浓雾时的热像仪测量温度值均稳定在95℃~100℃之间。3次实验相关参数如表 4所示。
表 4 不同距离处三次实验相关参数Table 4. Relevant parameters of three experiments at different distancesDistance/m Environmental transmittance Humidification time/min Experiment box size/cm 1 0.918103 5 50×50×50
(2 pieces)2 0.914009 12 50×50×50
(4 pieces)3 0.936667 35 50×50×50
(6 pieces)产生均匀浓雾后关闭加湿器,随着雾浓度的降低,热像仪测量温度开始逐渐升高。由于雾消散较快,需尽快捕捉带雾图像。当温度升高至100℃时,测量值变化较为稳定,此时用相机每隔两秒连续拍摄带雾图像,并记录与图像相对应温度测量值,直到热像仪测量值不再升高为止。带雾图像传入计算机,加载到Visual Studio 2015中,通过OpenCV程序进行处理,计算黑色胶布同一像素点处透射率值。根据实验结果绘制透射率-测量温度曲线,如图 9所示。
从3D映射曲面中可以看出:随着透射率值的降低,测温值开始明显降低,且透射率值越小,测温值下降速率越大。从3D映射曲面的投影曲面颜色分布可以明显看出:透射率值在0.8~0.95区间时,测温值不会发生明显变化;透射率值在0.6~0.8区间时,测温值显著降低;透射率值在0.5~0.6区间时,测温值急剧降低。
从3D散点图可以看出,3次实验的透射率-测量温度曲线变化趋势几乎相同。故以2 m处实验数据,绘制透射率-误差温度曲线及指数函数拟合关系曲线如图 10所示。
根据拟合结果,得到透射率-误差温度的函数关系:
$$ \Delta {T_\tau } = 644.79038 \times {e^{( - \tau /0.13275)}} - 0.55659 $$ (9) 式中:ΔTτ为透射率引起的测温误差;τ为透射率值。
为说明实验得到的透射率-误差温度的函数关系具备一定的普适性和规律性,将该结论与大气透射率与海平面水蒸气含量关系做对比分析。大气平均透射率与海平面水蒸气含量关系如表 5所示[7]。
表 5 大气平均透过率与海平面水蒸气含量的关系Table 5. Relationship between atmospheric mean transmittance and sea level water vapor contentWavelength/μm Water vapor content/% 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 3 to 5 0.9514 0.9257 0.8932 0.8504 0.7745 0.701 0.6174 0.5084 0.4347 8 to 12 0.9968 0.9902 0.9838 0.9677 0.9451 0.8511 0.7267 0.4782 0.2229 根据8~12 μm大气平均透过率与水蒸气含量的实验数据进行拟合,发现水蒸气含量与大气透射率之间为指数函数关系时均方根误差最小,为0.009513。如图 11所示,并得到了函数关系如式(10)所示:
$$\tau_{\mathrm{H}_2 \mathrm{o}}=0.9993 * \mathrm{e}^{-0.01504 x}$$ (10) 从图 11中可以看出,随着透射率值的降低,水蒸气含量明显增加,且透射率值越小,水蒸气含量增加速率越大,这一变化趋势与误差温度随着透射率变化大致相反。
实验过程中,透射率这一量化值的变化是由水蒸气含量的变化导致的。水蒸气对红外辐射具有较强的吸收作用,从式(3)可以得到探测器接收到的红外辐射能与测温值呈线性变化。因此,随着透射率降低,水蒸气含量大幅增加,必然导致测温误差的大幅增加。从中可以分析出,透射率-误差温度这一函数关系具有一定的规律性。
4. 距离和雾共同作用的误差补偿算法
在距离和雾分别对红外测温精度的影响实验中,得到了距离-误差温度和透射率-误差温度的函数拟合关系。多因素作用时,可先对距离作用时产生的误差温度进行补偿,在此基础上线性叠加其他因素作用时产生的误差温度。因此距离与雾共同作用时产生的误差可采用距离与雾单独作用时产生误差的代数和进行表示,距离-透射率-误差温度的函数关系如式(11)所示。
$$\Delta T_{\mathrm{add}}=\Delta T_{\mathrm{d}}+\Delta T_\tau$$ (11) 式中:ΔTadd为距离和透射率引起的测温误差。
因此,距离和雾共同作用时的距离-透射率-误差补偿模型可用式(12)表示:
$$ \begin{align} T\left( {d, \tau } \right)& = T' + \Delta {T_{\rm add}} \\ & = T' + \Delta {T_{\rm d}} + \Delta {T_\tau } \\ & {\text{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {T' + 0.04341 - 0.6d + 644.79038*{{\rm {e}}^{\left( { - \tau /0.13275} \right)}}}&{0 < d \leqslant 1, 0.5 < \tau < 1} \\ {T' - 1.58609 + 0.88416d + 0.09264{d^2} + 644.79038*{{\rm {e}}^{\left( { - \tau /0.13275} \right)}}}&{1 < d \leqslant 5, 0.5 < \tau < 1} \end{array}} \right. \\ \end{align} $$ (12) 式中:T为补偿后温度值;T′为热像仪测量温度值。
为验证距离-透射率-误差补偿模型的准确性,在4 m和5 m处展开两次距离与雾共同作用时的验证实验。从表 6和表 7可以看出:测量距离4 m和5 m处,补偿前测量温度的最大相对误差分别为16.65%和18.40%;模型补偿后测量温度的最大相对误差为1.99%和1.68%。由此可见,本文提出的距离-透射率误差补偿模型能较好的提高红外热像仪测温精度。
表 6 距离4 m处测量温度补偿Table 6. Temperature compensation table measured at a distance of 4 mTransmissivity Measured temperature by thermocouple/℃ Measured temperature/℃ Relative errors% Measured temperature with compensation model/℃ Relative error/% 0.500784 114.7 95.6 16.65 113.86 0.73 0.519412 114.7 96.1 16.22 112.41 1.99 0.526863 114.7 97.3 15.17 112.91 1.56 0.530588 114.7 97.9 14.65 113.18 1.33 0.541765 114.7 99.6 13.16 113.92 0.68 0.549216 114.7 100.8 12.12 114.53 0.68 0.552941 114.7 102.1 10.99 115.54 0.73 0.560392 114.7 102.9 10.29 115.80 0.96 0.575294 114.7 104.0 9.33 115.89 1.04 0.582745 114.7 104.7 8.72 116.13 1.25 0.597647 114.7 105.6 7.93 116.18 1.29 0.623726 114.7 106.5 7.15 115.80 0.96 0.638627 114.7 106.9 6.80 115.58 0.77 0.675882 114.7 107.5 6.28 114.90 0.17 0.687059 114.7 107.9 6.19 114.98 0.24 0.690784 114.7 108.4 5.49 115.38 0.59 0.716863 114.7 108.6 5.32 114.94 0.21 0.728039 114.7 109.0 4.97 115.11 0.36 0.739216 114.7 109.3 4.70 115.19 0.43 0.772745 114.7 109.6 4.45 114.94 0.21 0.780196 114.7 109.8 4.27 115.04 0.30 0.81000 114.7 110.1 4.01 114.98 0.24 0.828627 114.7 110.3 3.80 114.99 0.25 0.855943 114.7 110.4 3.5 114.85 0.13 表 7 距离5 m处测量温度补偿Table 7. Temperature compensation table measured at a distance of 5 mTransmissivity Measured temperature
by thermocouple/℃Measured temperature/℃ Relative errors% Measured temperature with compensation model/℃ Relative error/% 0.508235 114.7 93.6 18.40 112.77 1.68 0.519412 114.7 95.3 16.91 113.34 1.19 0.526863 114.7 96.8 15.61 114.13 0.50 0.538093 114.7 98.4 14.21 114.75 0.04 0.552941 114.7 100.0 12.82 115.16 0.40 0.579020 114.7 102.2 10.90 114.53 0.15 0.582745 114.7 103.2 10.30 116.35 1.44 0.590196 114.7 103.5 9.80 116.21 1.32 0.593926 114.7 103.8 9.50 116.30 1.39 0.605098 114.7 104.2 9.15 116.10 1.22 0.612549 114.7 104.5 8.89 116.04 1.55 0.646078 114.7 105.1 8.37 115.21 0.44 0.657255 114.7 105.7 7.85 115.41 0.62 0.679608 114.7 105.9 7.67 114.90 0.17 0.687059 114.7 106.1 7.50 114.90 0.17 0.694510 114.7 106.4 7.24 115.00 0.26 0.720588 114.7 106.8 6.89 114.88 0.16 0.728039 114.7 107.0 6.71 114.83 0.11 0.735490 114.7 107.2 6.54 114.88 0.16 0.746667 114.7 107.3 6.45 114.78 0.07 0.776471 114.7 107.5 6.28 114.51 0.17 0.783922 114.7 107.7 6.10 114.61 0.08 0.795089 114.7 107.9 5.93 114.67 0.03 0.824902 114.7 107.9 5.90 114.34 0.31 5. 结论
本文重点研究了距离、相对湿度和雾对红外热像仪测温精度的影响,并且得出以下结论:
① 在热像仪最小成像距离0.5~1 m附近时,每个测量点处重新调焦,距离和测量温度呈正相关;当测量距离在1~5 m范围内,不同位置重新调焦测温,距离和测量温度呈负相关。
② 相对湿度在90%以下时,对红外热像仪测温精度影响很小;90%以上时,空气湿度接近饱和,对红外热像仪测温精度产生较明显影响,且影响程度随距离的增加而增加。
③ 基于暗通道先验理论,对雾的浓度进行定量描述,得到透射率-测量温度的函数拟合关系,随着透射率值减小,红外热像仪测量温度降低,且透射率值越小,测量温度下降速率越大。
④ 根据距离-误差温度和透射率-误差温度的函数关系,以代数和的方式,提出距离-透射率-误差补偿模型。在测量距离4 m处,经模型补偿后的最大相对误差为1.99%。该模型对红外热像仪在大雾天气时的应用尝试具有重要意义。
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表 1 实验中使用设备的参数
Table 1 Parameters of equipment used in the experiment
Equipments Characteristic parameters Equipment type FOTRIC615C Measuring range/℃ −20 to 350 Thermal infrared imager Image resolution 240×320 Angle of field/° 30×22 Minimum imaging distance/m > 0.5 Humidity sensor Measuring range of humidity 0%RH-100%RH Heating piece Temperature/℃ 115 Camera Image resolution 4624×2080 Humidifier Spray volume/ ml/h 50 Thermocouple Temperature Measuring range/℃ −50 to 1300 Acrylic board experimental box Box size/cm 50×50×50
(10 pieces)表 2 实验环境参数
Table 2 Experimental environment parameters
Parameters Measured results Ambient temperature/℃ 22 Atmospheric temperature/℃ 22 Relative humidity/% 42 Emissivity 0.97 Distance/m 1 表 3 实验方案
Table 3 Experimental scheme
Experiment No. Focus Parameter compensation 1 N N 2 Y N 3 Y Y 表 4 不同距离处三次实验相关参数
Table 4 Relevant parameters of three experiments at different distances
Distance/m Environmental transmittance Humidification time/min Experiment box size/cm 1 0.918103 5 50×50×50
(2 pieces)2 0.914009 12 50×50×50
(4 pieces)3 0.936667 35 50×50×50
(6 pieces)表 5 大气平均透过率与海平面水蒸气含量的关系
Table 5 Relationship between atmospheric mean transmittance and sea level water vapor content
Wavelength/μm Water vapor content/% 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 3 to 5 0.9514 0.9257 0.8932 0.8504 0.7745 0.701 0.6174 0.5084 0.4347 8 to 12 0.9968 0.9902 0.9838 0.9677 0.9451 0.8511 0.7267 0.4782 0.2229 表 6 距离4 m处测量温度补偿
Table 6 Temperature compensation table measured at a distance of 4 m
Transmissivity Measured temperature by thermocouple/℃ Measured temperature/℃ Relative errors% Measured temperature with compensation model/℃ Relative error/% 0.500784 114.7 95.6 16.65 113.86 0.73 0.519412 114.7 96.1 16.22 112.41 1.99 0.526863 114.7 97.3 15.17 112.91 1.56 0.530588 114.7 97.9 14.65 113.18 1.33 0.541765 114.7 99.6 13.16 113.92 0.68 0.549216 114.7 100.8 12.12 114.53 0.68 0.552941 114.7 102.1 10.99 115.54 0.73 0.560392 114.7 102.9 10.29 115.80 0.96 0.575294 114.7 104.0 9.33 115.89 1.04 0.582745 114.7 104.7 8.72 116.13 1.25 0.597647 114.7 105.6 7.93 116.18 1.29 0.623726 114.7 106.5 7.15 115.80 0.96 0.638627 114.7 106.9 6.80 115.58 0.77 0.675882 114.7 107.5 6.28 114.90 0.17 0.687059 114.7 107.9 6.19 114.98 0.24 0.690784 114.7 108.4 5.49 115.38 0.59 0.716863 114.7 108.6 5.32 114.94 0.21 0.728039 114.7 109.0 4.97 115.11 0.36 0.739216 114.7 109.3 4.70 115.19 0.43 0.772745 114.7 109.6 4.45 114.94 0.21 0.780196 114.7 109.8 4.27 115.04 0.30 0.81000 114.7 110.1 4.01 114.98 0.24 0.828627 114.7 110.3 3.80 114.99 0.25 0.855943 114.7 110.4 3.5 114.85 0.13 表 7 距离5 m处测量温度补偿
Table 7 Temperature compensation table measured at a distance of 5 m
Transmissivity Measured temperature
by thermocouple/℃Measured temperature/℃ Relative errors% Measured temperature with compensation model/℃ Relative error/% 0.508235 114.7 93.6 18.40 112.77 1.68 0.519412 114.7 95.3 16.91 113.34 1.19 0.526863 114.7 96.8 15.61 114.13 0.50 0.538093 114.7 98.4 14.21 114.75 0.04 0.552941 114.7 100.0 12.82 115.16 0.40 0.579020 114.7 102.2 10.90 114.53 0.15 0.582745 114.7 103.2 10.30 116.35 1.44 0.590196 114.7 103.5 9.80 116.21 1.32 0.593926 114.7 103.8 9.50 116.30 1.39 0.605098 114.7 104.2 9.15 116.10 1.22 0.612549 114.7 104.5 8.89 116.04 1.55 0.646078 114.7 105.1 8.37 115.21 0.44 0.657255 114.7 105.7 7.85 115.41 0.62 0.679608 114.7 105.9 7.67 114.90 0.17 0.687059 114.7 106.1 7.50 114.90 0.17 0.694510 114.7 106.4 7.24 115.00 0.26 0.720588 114.7 106.8 6.89 114.88 0.16 0.728039 114.7 107.0 6.71 114.83 0.11 0.735490 114.7 107.2 6.54 114.88 0.16 0.746667 114.7 107.3 6.45 114.78 0.07 0.776471 114.7 107.5 6.28 114.51 0.17 0.783922 114.7 107.7 6.10 114.61 0.08 0.795089 114.7 107.9 5.93 114.67 0.03 0.824902 114.7 107.9 5.90 114.34 0.31 -
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