红外热像仪的最大测温误差分析

　　0　引　言

　　在现代化工业生产中,需要进行温度的测量和监控的场合越来越多。据估计,温度测量占工业生产中各种监测总量的50%左右[1]。由于热成像测温技术具有测温速度快、测温面积大、测温分辨率高和非接触、不干扰被测表面温度场等优点,因而得到了广泛应用。

　　热成像测温系统属于窄谱辐射成像设备,容易受到被测表面的辐射率、反射率(或吸收率)、环境温度、大气温度、大气衰减、太阳辐射等因素的影响,从而影响了它的测温准确性。文献[2]提出了测温误差计算公式;文献[3]给出了辐射率测量的几种方法,并给出了一些减少测温误差的方法;文献[4]主要讨论了被测表面的辐射率、反射率、环境温度、大气温度、大气衰减对测量误差的影响程度,本文将着重分析考虑太阳辐射后的误差影响。

　　1　测温原理

　　根据红外热像仪的测温原理,实际测量时,热像仪接收到的有效辐射包括:目标自身辐射、环境反射辐射、大气辐射和太阳辐射。

　　被测表面的辐射亮度为

　　式中:第一项为表面自身的光谱辐射亮度,第二项为反射的环境光谱辐射亮度,第三项为反射的太阳的辐射亮度;To为被测表面温度,Tu为环境温度,ελ为表面发射率,ρλ为表面反射率,αuλ为表面对环境的吸收率,αsλ为表面对太阳辐射的吸收率。

　　作用于热像仪的辐射照度为

　　式中:Ao为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积;d为该目标到测量仪器之间的距离,通常在一定条件下,Aod-2为一个常值;τaλ为大气的光谱透射率;εaλ为大气辐射率。

　　热像仪通常工作在2～5μm或8～13μm两个波段,它只允许这两个波段的能量进入热像仪的镜头,并把它转化成一个与能量成正比的电压信号。ελ,αλ,τaλ通常可认为与λ无关。依据文献[2]、[3]、[4]可知热像仪的响应电压为

　　式中:Ar为热像仪透镜的面积;Rλ为探测器的光谱响应度,对某台确定的热像仪为常值。令k=RaArAod-2,取∫ΔλLbλ(T)dλ=f(T),则式(3)变为

　　当被测物体可看作灰体时,ε=α,对大气认为εa=αa= 1 -τa,则

　　式中:Es为太阳照到被测表面的辐照度,大气的透射率变化范围很大,取τa=0.4～0.7,则Es在2～5μm和8～13μm波段分别为30.888 5～54.055 0 W/m2和0.293 0～0.512 8 W/m2。

　　2　测温计算及误差分析

　　依据文献[2],则

　　式中:Tr为热像仪所指示的温度。