变谱法在红外热像仪测温中的应用

    0 引 言

    由于热成像测温技术具有测温速度快、面积大、分辨率高和非接触、不干扰被测表面温度场等优点，已在高压电线巡检、电站、配电设备和变电站等电气设备和机器设备的状态监测、半导体元件和集成电路的质量筛选和故障诊断、石化设备的故障诊断、火灾的探测、材料内部缺陷的无损检测和传热研究等领域得到广泛的应用，并取得了可观的经济效益^[1-3]。单波段红外热像仪的应用最为广泛， 为得到被测物体的表面温度， 需要事先通过查找表查找被测物体发射率或通过一些方法测得发射率^[2]，然而发射率受众多因素的影响， 用查找表或测量法得到的被测物体的发射率存在一定误差，某些情况下误差较大，而发射率误差的存在将会增大被测物体表面温度的测温误差。 对某些特殊的物体(比如高温物体及带电的物体)， 发射率不能通过测量得到 ， 这就需要得到一种无需测量发射率就能得到被测物体表面温度的方法。 测量温度与发射率分离的物体 ，目前的方法是采用双波段热像仪或多波长辐射计来进行测量， 但是双波段热像仪仅能用于灰体的测量， 而多波长辐射计主要用于高温物体的测量^[4]，同时在一定的波长范围内，增加波长数会导致拟合温度的不确定度增大，从而导致测温误差增大^[5]。 对于单波段红外热像仪 ，还没有相应的温度与发射率分离的测温方法。 这就限制了温度与发射率分离的方法在红外测温中的应用。 目前谱色测温已经较成功地进行了温度与发射率的分离^[6]，文中利用谱色测温中温度与发射率分离的思路，采取将单波段热像仪进行多波段处理的方法推导得到一种单波段红外热像仪测温的变谱法，从而在无需得到物体表面发射率的情况下得到被测物体的表面温度，这将提高红外测温的准确性和精度。

    1 红外热像仪测温原理与计算

    根据红外热像仪的测温原理，在实际测量时，热像仪接收到的有效辐射包括3 个部分 ： 目标自身辐射、目标对周围环境的反射辐射、大气辐射。

    根据参考文献^[7-8]，在不存在非均匀环境辐射 、被测物体充满热像仪的瞬时视场的情况下， 红外热像仪的测温公式可表示为：

    I(T_r)=τ_aε_n(T₀)I(T₀)+ρ_n(T₀)I(T_u) +(1-τ_a)I(T_a)        (1)

式中：， 表示辐射亮度 L_bλ(T) 在热像仪探测器接收波段上的积分；T_r为热像仪的辐射温度， 表示将热像仪接收到得能量等效为温度为 T_r的黑体所发出的能量；τ_a为探测器接收光谱区间内的大气平均透射率；T₀为被测物体的温度；T_u为环境温度；T_a为大气温度；ε_n(T₀) 为温度为 T₀的被测物体在探测器接收光谱区间内的平均法向发射率；ρ_n(T₀) 为温度为T0的被测物体在探测器接收光谱区间内的平均法向反射率。