非調制雙色紅外測溫誤差實時補償方法研究

胡子峰，王昭君，金 路，丁國清，陳繼剛

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114；2.上海交通大學 儀器科學與工程系，上海 200240；3.上海精密計量測試研究所，上海 201109）

引 言

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體紅外輻射的能量按波長的分布情況與物體表面溫度有著十分密切的關系[1]。因此，通過測量物體自身輻射的紅外能量，便能準確地測定其溫度。隨著現代紅外技術的不斷成熟和日益完善，在高危險、高腐蝕和高輻射環境中[2]，紅外測溫技術憑借非接觸式、不干擾溫場、響應速度快、測溫范圍廣且可測微小目標物體的溫度等諸多優點[3-4]，已得到廣泛應用。雙色紅外測溫法即利用能量等比吸收的原理，接收物體在兩個相鄰波長內的輻射能量，由于兩路信號的比率僅是源表面溫度的函數[5]，可根據兩路信號的能量比值來確定被測物體的溫度。雙色紅外測溫法除了可以克服大氣和煙塵、水汽等介質[6]等環境因素的影響外，還可以削弱發射率的影響[7]，得到的結果更接近被測物體的真實溫度[8]，具有提高測量準確度和抗干擾能力的特點，能滿足工業生產和較為惡劣的工作環境的測溫需求[9]。但雙色紅外測溫法存在由探測器暗電流、漂移和各種環境噪聲等儀器系統自身因素引起的誤差，以及大氣紅外輻射和系統自身輻射的能量所引起的系統漂移電壓誤差。這些誤差帶來的不確定度成為嚴重制約非調制雙色紅外測溫技術發展的瓶頸。

為避免雙色紅外測溫時環境溫度變化對測溫準確度的影響，目前已有使用調制盤/斬波器結構為測溫系統提供環境因溫度變化引起的背景紅外輻射和電路漂移的補償。但驅動調制盤所用的步進電機增加了儀器的體積和結構的復雜性，并削弱了儀器的抗震性和可靠性[10]。還有采用在非調制雙色紅外測溫儀內部增加溫度傳感器的校準方法，補償值通常是在出廠之前對系統進行標定所得，但其不能實時校準各種因素引起的系統偏移電壓。本文在非調制雙色紅外測溫法的基礎上，提出了適用于非調制雙色紅外測溫的快門結構及其算法，實現了無需調制盤/斬波器結構即可實時補償大氣背景輻射能量和電路的漂移。

1 快門式非調制雙色紅外測溫原理

1.1 非調制雙色紅外測溫原理

雙色紅外測溫法根據兩個相鄰波長的紅外輻射能量的比值，即通過比色方式來確定被測目標物體的溫度。相鄰波長處的發射功率大致相同，在一定條件下可以將坡度假定為1。

式中ε1、ε2分別為波長λ1、λ2處的發射率。

則兩路信號的比值為

1.2 非調制雙色紅外測溫誤差來源及消除

由于雙色紅外測溫法本身抗能量衰減的能力較強，其誤差主要來源如下[12]。

（1）背景溫度的影響。實際測量時，探測器不僅吸收了被測物體的輻射，而且把臨近物體的輻射也計算在內，從而帶來了誤差。其影響仍可使用黑體輻射定律進行計算。

雙色紅外測溫儀接收到的總能量為被測物體輻射能量，周圍環境物體輻射能量及大氣輻射能量三者之和。以第一路波長紅外輻射功率為例，該路紅外探測器接收到的總功率[13]為

無快門非調制雙色紅外測溫時，為了補償環境溫度的影響，在靠近紅外探測器附近安裝溫度傳感器。通過溫度傳感器測得的溫度值來近似補償大氣輻射功率帶來的誤差。為了獲取溫度傳感器和大氣輻射功率之間的關系，在產品出廠時已經在恒溫箱中進行各種溫度的保溫試驗并將紅外探測器對應的輸出量記錄和保存。在工業生產和試驗現場使用時，紅外測溫儀的測控軟件讀取溫度傳感器的溫度值，自動匹配對應的大氣輻射功率并進行補償。

此時比色表達式為

補償大氣輻射功率后的R（T）已經不是標準的指數函數，此時，非調制雙色紅外測溫儀對被測物體溫度的解析需要更好的算法支持。同時，M10（T0）和 M20（T0）并無途徑實時獲取，只能在出廠前預先實驗確定并燒錄至紅外測溫儀，在比色計算的時候調用。

工業生產和試驗現場使用此類非調制雙色紅外測溫儀測溫時，由于環境條件和使用工況的限制難以補償環境反射輻射功率，只能采用合理布局、遮擋強光源等手段，盡量消除被測對象周圍環境引起的環境反射輻射功率。

但在光路中增加快門及其控制模塊，可以在需要的時候，通過閉合快門，達到完全遮擋被測物體輻射功率和環境反射輻射功率的目的。此時，只有背景大氣輻射功率通過光路進入紅外探測器，將測得的大氣輻射功率作為補償項，可以完全補償實際測溫時大氣輻射功率帶來的誤差。

工業生產和試驗現場使用非調制雙色紅外測溫儀測溫時，采用快門方式補償大氣輻射功率后，可以認為進入紅外探測器的功率，即被測物體輻射功率為

（2）InGaAs探測器、電路等噪聲的影響。根據InGaAs光電二極管的工作特性，其噪聲電流主要為熱噪聲和光電流引起的散粒噪聲，即

式中：k為Boltzmann常數；B為噪聲帶寬。圖1為濱松G6849型InGaAs光電探測器隨環境溫度而變化的曲線。

式中q為電荷量。

則探測器的噪聲等效功率可以表示為

式中S為響應度。

圖1 探測器并聯電阻和環境溫度的關系Fig. 1 Shunt resistance of detector vs ambient temperature

1.3 仿真結果

圖2為無快門非調制雙色紅外測溫儀內部溫度傳感器補償流程圖，采用數字溫度傳感器DS18B20，一線式管腳直接與處理器的通用接口相連實現雙向通訊，測溫范圍為-55 ～125 ℃。在恒溫箱中進行-20 ～60 ℃的保溫試驗，滿足了工業生產和試驗現場的需求。圖3是增加快門結構后的快門式非調制雙色紅外測溫的結構示意圖，此時有無溫度傳感器補償，對測量結果基本沒有影響。

圖2 無快門非調制雙色紅外測溫儀內部溫度傳感器補償流程圖Fig. 2 Flow chart of compensation of non-modulation infrared temperature measurement with inner temperature sensor without shutter

圖3 快門式非調制雙色紅外測溫示意圖Fig. 3 Schematic diagram of compensation of non-modulation infrared temperature measurement with shutter

分別對無快門和有快門的非調制雙色紅外測溫的補償效果進行仿真。仿真選用的紅外探測器為InGaAs探測器，其響應度和波長的關系如圖4所示。本文所選取的兩個波段為1.2 μm和1.55 μm，都位于該款探測器的光譜響應范圍內（0.9～1.7 μm），而且其中一個波段 1.55 μm 正好處于該款探測器的響應峰值處?？紤]到雙色紅外測溫時，除了有上述提到的主要噪聲外還會有其他噪聲的干擾，但經過工頻陷波和低通濾波處理之后，可以保證噪聲低于60 dB，所以仿真時在真值的基礎上還增加了0.1%的白噪聲。

圖4 響應度和波長的關系Fig. 4 Spectral response vs wavelength

紅外測溫儀在日常使用過程中，由于磨損、老化以及使用環境、溫度、濕度等各種因素的影響，導致測量數據出現不同程度偏差。此時依靠出廠前內置的補償量，不能有效補償測量誤差。因此必須按照其規定的檢定周期，通過周期檢定修正誤差，從而保證測量值的準確可靠[14]。結合Q/GDW-2010《紅外測溫儀、紅外熱像儀校準規范》，工業環境下使用的紅外測溫儀標準檢定周期一般為半年或一年[15]。

表1為非調制雙色紅外測溫儀在初始狀態下，有無快門和溫度傳感器校正的仿真結果，其中假定補償量與實際值有20%的誤差。當非調制雙色紅外測溫儀老化或環境變化導致漂移增加后，假定探測器等引起的偏移量為最初值的兩倍，此時得到的仿真結果如表2所示。以上仿真均假設在20 ℃室溫條件下進行。

仿真結果表明，非調制雙色紅外測溫儀在初始狀態下，利用內置的溫度傳感器進行溫度補償，可以有效減小誤差。但是當紅外測溫儀因老化、環境變化發生漂移時，該類測溫儀誤差補償的效果不理想。而增加快門裝置后，可以實時有效地補償環境溫度和探測器漂移等引起的誤差，而不受紅外測溫儀老化等原因的影響，準確度明顯提高，可保障紅外測溫儀長時間有效使用。

表1 測溫儀初始狀態有無快門校正溫度值Tab. 1 Temperature with/without shutter initially

表2 長時間使用后有無快門校正溫度值Tab. 2 Temperature with/without shutter when environment varies

2 實驗驗證

設計并搭建了一套模擬快門的實驗裝置，以確認系統誤差補償效果，實驗裝置如圖5所示。

本實驗將黑體輻射源和紅外測溫儀放入恒溫室中模擬大氣紅外輻射環境，黑體輻射源型號為R970N?？販胤€定性：當溫度較低時，不大于0.1℃，當溫度較高時，不大于0.1%的輻射源溫度。溫場均勻性：當溫度較低時，不大于±0.15 ℃，當溫度較高時，不大于0.15%的輻射源溫度。紅外測溫儀型號為RAYR 3I1ML2U，準確度為±0.5%。實驗過程中，調整紅外測溫儀和對準黑體輻射源，讀取紅外測溫儀的數值。設定環境溫度為30 ℃，在黑體爐的溫度分別為600 ℃、900 ℃和1 100 ℃的3種溫度下進行實測，并重復3次，結果如表3所示。表3中第1列數據為黑體輻射源標準溫度即理論溫度，第2列至第4列為長時間使用后的紅外測溫儀實際讀數，此測量準確度低，大大超出±0.5%的出廠指標，第5列至第7列為有快門補償并經數據處理后的結果，準確度已恢復到±0.5%的出廠指標之內。

實際測量結果表明，內置溫度傳感器進行溫度補償的非調制雙色紅外測溫儀對探測器漂移等引起的誤差的補償效果不理想。而增加快門裝置后，可以實時有效去除探測器漂移等引起的噪聲，準確度明顯提高，可保障紅外測溫儀長時間有效使用。

圖5 恒溫室內實驗裝置照片Fig. 5 Photo of experimental devices on constant temperature room

表3 實際測量結果Tab. 3 The measured temperature

3 結 論

本文基于雙色比色紅外測溫原理，分析了紅外測溫儀的誤差來源，提出一種新的快門式非調制雙色紅外測溫法，分析出快門式非調制雙色紅外測溫法在補償大氣輻射功率后的雙色比值已經不是標準的指數函數，而需要更好的算法支持紅外測溫儀對被測物體溫度的解析。

仿真和實驗結果表明，快門式非調制雙色紅外測溫法有效去除了工業生產和試驗現場使用非調制雙色紅外測溫法測溫時大氣輻射引起的誤差，紅外測溫儀通過控制快門和算法補償后，快門式非調制雙色紅外測溫儀的測溫準確度指標進一步提高并可長時間保持。