一种适用于物体真实温度测量热红外测温系统

1.本发明属于及控制科学领域，具体涉及一种适用于物体真实温度测量热红外测温系统。


背景技术：

2.红外热成像测温以其特有的测温速度快，面积大，分辨率高和非接触等优势，已在发电机、变压器、电力线路和断路器等电气设备的故障检测，机械设备的状态检测，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以及传热研究等领域得到了广泛的应用。尤其是2020年covid-19病毒使得红外热成像技术再一次走入人们的视野，其优异的群体测温能力也在保障疫情防控措施中起到了至关重要的作用。
3.尽管具备上述优势，但是传统红热成像测温系统的实现平台普遍存在价格偏大等缺点，这也在一定程度上限制了其发展。但由于非制冷的探测器组成以及缺乏相应的测温组件使得其测温精度受到了严重影响。同时红外手机式热像仪由于其工作原理测量得到的是表观温度而非真实温度，为了测量目标的真实温度，通常需要事先得到目标的发射率。才能完成测温。然而，在实际的温度测量中，一是发射率受众多因素影响，查来的发射率和目标的真实发射率存在一定的误差在某些情况下误差较大，而发射率误差的存在将增大被测量物体表面温度的测量误差。另一方面，有时候一些物体的发射率不能通过测量得到(如高温物体或是带电物体)。这就需要一种无需知道发射率就能够对目标真实温度进行测量的方法。
4.目前应用红外热成像技术测量发射率未知的物体时，想要获取该物体的真是温度，通常采用的方法是双波段热像仪、或者是多波段长辐射计。双波段热像仪缺点在于：1、价格高昂；2、体积较大，由于体积较大的原因使得其应用场景不够灵活，不够便携；3、双波段热像仪只能用于灰体测量。多波段长辐射计缺点在于：1、只能用于高温物体测量；2、在一定的波长范围内，增加波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。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种适用于物体真实温度测量热红外测温系统。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.适用于物体真实温度测量热红外测温系统，包括：
8.智能手机式热像仪，用于获取待测物体辐射温度tr；
9.第一滤光片，设置在所述手机式热像仪的红外摄像头前侧，所述红外摄像头在通过所述第一滤光片滤光处理后获得待测物体的第一辐射温度；
10.第二滤光片，与所述第一滤光片转动连接，所述红外摄像头在通过所述第一滤光片滤光处理后获得待测物体的第二辐射温度；
11.控制处理设备，与所述手机式热像仪电连接，依据下式通过环境温度tu第一辐射温度和第一辐射温度获得待测物体的两个真实温度的测温方程，对两个测温方程求解获得待测物体真实温度；测温方程表示如下，
[0012][0013]
其中，εn为物体在波长在λ1和λ2光谱区间内的法向发射率，λ1和λ2光谱区间有限窄波段的波长范围差值为0.1μm。
[0014]
优选的，
[0015]
所述第一滤光片是透过波段为10.1285-10.2995μm的窄带滤光片；
[0016]
所述第二滤光片是透过波段为10.705-10.895μm的窄带滤光片。
[0017]
优选的，还包括，
[0018]
第一底座，设置在所述手机式热像仪下方，用于支撑所述手机式热像仪；
[0019]
第二底座，与所述第一底座活动连接；
[0020]
附件卡扣，设置在所述第一底座上与所述手机式热像仪固定；
[0021]
固定杆，其下端与所述第二底座固定；
[0022]
两个滤光片卡槽，与所述固定杆转动连接，分别用于放置所述第一滤光片和第二滤光片。
[0023]
优选的，还包括，
[0024]
电机，其设置在所述固定杆的上端，其输入端与所述控制处理设备电连接，其输出轴与两个所述滤光片卡槽传动连接。
[0025]
优选的，所述处理设备为智能手机。
[0026]
优选的，所述手机式热像仪通过其上的usb-c接口与智能手机连接。
[0027]
优选的，获得测温方程的步骤如下：
[0028]
通过公式(2)表示物体真实温度t0、环境温度tu以及手机式热像仪获取的辐射温度tr之间的关系，
[0029][0030]
将εn(t0)+ρn(t0)＝1、带入公式(2)得到公式(3)，
[0031][0032]
计算得到i(tr)≈ct
rn
、i(tu)≈ct
un
，结合公式(3)和i(tr)、i(tu)得到不同波长范围内物体真实温度t0的计算式，
[0033][0034]
其中，i(tr)表示手机式热像仪获取到的辐射温度，表示波长在λ1和λ2光谱区间内大气的平均透射率，ρn为温度为t0的物体在波长在λ1和λ2光谱区间内的法向反射率，c为常数，n随着探测器波长的具体值变化。
[0035]
优选的，通过普朗克辐射定律如公式(4)计算i(tr)、i(tu)，
[0036][0037]
简化公式(4)得到公式(5)，
[0038][0039]
通过公式(5)表示i(tr)和i(tu)；
[0040]
其中，r
λ
表示探测器的光谱响应度，l
bλ
(t)表示辐射亮度，c1表示第一辐射常数，c1＝3.7418
×
10-4w·
cm2，c2表示第一辐射常数，c2＝1.4388cm
·
k， c为常数，n随着探测器波长的改变而改变。
[0041]
本发明提供的适用于物体真实温度测量的智能手机式热红外测温系统及方法具有以下有益效果：1、测温速度快，测温面积大，分辨率高以及非接触式的优势。2、相对于大型的红外测量设备，手机式热像仪成本低，便携，应用场景更为灵活。3、变谱法测温能够有效的克服物体发射率未知的情况之下对于其真是温度的测量，测量的结果不仅能够得到物体的真实温度还能够得到被测量物体的材料发射率。4、装置简单小巧，集成度高。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明实施例1的适用于物体真实温度测量热红外测温系统的结构示意图；
[0044]
图2为本发明实施例1的适用于物体真实温度测量热红外测温系方法的流程图。
[0045]
附图标记说明：
[0046]
1、手机式热像仪；101、红外摄像头；102、usb-c接口；2、第一底座；201、附件卡扣；3、第二底座；301、固定杆；302、滤光片卡槽；303、第一滤光片； 304、第二滤光片。
具体实施方式
[0047]
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0048]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0049]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描
述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
[0050]
实施例1
[0051]
参阅图1所示，适用于物体真实温度测量热红外测温系统，包括：智能手机式式热像仪1、第一滤光片303、第二滤光片304和控制处理设备。智能手机式式热像仪1用于获取待测物体辐射温度tr；第一滤光片303，设置在手机式热像仪1的红外摄像头101前侧，用于对红外摄像头101进行滤光处理；第二滤光片304，与第一滤光片303转动连接，用于对红外摄像头101进行滤光处理；控制处理设备，与手机式热像仪1电连接，用于通过环境温度tu和辐射温度tr计算得到待测物体真实温度t0。
[0052]
在本实施例中，第一滤光片303是透过波段为10.1285-10.2995μm的窄带滤光片；第二滤光片304是透过波段为10.705-10.895μm的窄带滤光片。
[0053]
进一步的，还包括：第一底座2、第二底座3、附件卡扣201、固定杆301、两个滤光片卡槽302、电机。其中，第一底座2，设置在手机式热像仪1下方，用于支撑手机式热像仪1；第二底座3与第一底座活动连接；附件卡扣201设置在第一底座2上与手机式热像仪1固定；固定杆301，其下端与第二底座3 固定；两个滤光片卡槽302，与固定杆301转动连接，分别用于放置第一滤光片303和第二滤光片304。电机，设置在固定杆的上端，其输入端与控制处理设备电连接，其输出轴与两个滤光片卡槽302传动连接。
[0054]
在本实施例中，处理设备为智能手机。手机式热像仪1通过其上的usb-c 接口102与智能手机连接。
[0055]
参阅图2，适用于物体真实温度测量的智能手机式热红外测温方法，包括以下步骤：
[0056]
红外热像仪测温依靠接受物体表面发射的红外热辐射来确定其温度。但是在实际的测量过程中，热像仪接受到的有效辐射包含三个主要部分：目标本身的辐射，环境反射辐射，以及大气辐射。通过公式(2)表示物体真实温度t0、环境温度tu以及手机式热像仪获取的辐射温度tr之间的关系，
[0057][0058]
将εn(t0)+ρn(t0)＝1、带入公式(2)得到公式(3)，其中，对于朗伯体，根据基尔霍夫定律得到εn(t0)+ρn(t0)＝1，在近距离之内测温时)＝1，在近距离之内测温时在本实施例中，近距离指10厘米之内，
[0059][0060]
计算得到i(tr)≈ct
rn
、i(tu)≈ct
un
，结合公式(3)和i(tr)、i(tu)得到不同波长范围内物体真实温度t0的计算式，
[0061][0062]
其中，i(tr)表示手机式热像仪获取到的辐射温度，表示波长在λ1和λ2光谱区间内大气的平均透射率，εn为温度为t0的物体在波长在λ1和λ2光谱区间内的法向发射率，εn的值ρn根据波段变化而变化，在窄波段内近似为不变，ρn为温度为t0的物体在波长在λ1和λ2光谱区间内的法向反射率，c为常数，n随着探测器波长的具体值变化。
[0063]
在本实施例中，通过普朗克辐射定律如公式(4)计算i(tr)、i(tu)，
[0064][0065]
通常，r
λ
随波长的变化很小，可以近似不用考虑，基于此简化公式(4) 得到公式(5)，
[0066][0067]
通过公式(5)表示i(tr)和i(tu)。
[0068]
其中，r
λ
表示探测器的光谱响应度，l
bλ
(t)表示辐射亮度，c1表示第一辐射常数，c1＝3.7418
×
10-4w·
cm2，c2表示第一辐射常数，c2＝1.4388cm
·
k， c为常数，n随着探测器波长的改变而改变。
[0069]
将公式(5)带入公式(3)得到公式(1)，此时的公式(1)中仅含有两个未知数，若此时的被测物体的光谱发射率不随波长变化或者变化很小即被测物体可以被视为灰体时，采用在两种波段下测量的方法，可以构造两个测温方程。此时，两个方程两个未知量，通过迭代求解即可获得被测量物体的真实温度。但是在某些实际条件下，真实的物体并不能简单的当成是灰体来测量，这是由于其本身的光谱发射率会随着波长的变化而改变。这时候若是把发射率当成是一个固定值来计算难免会引入一定的误差。为解决这一问题，选用了热像仪响应区间7～14μm内的两个窄带滤光片第一滤光片303和第二滤光片304，通过两次改变手机式热像仪波长范围得到两个真实温度测量公式。在有限的窄波段内区间波长差值约0.1μm，近似的认为物体的发射率是不随波长变化而变化的，即可以通过变谱法实现对于实际物体的真实温度测量。
[0070]
以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.适用于物体真实温度测量热红外测温系统，其特征在于，包括：智能手机式热像仪(1)，用于获取待测物体辐射温度t
r
；第一滤光片(303)，设置在所述手机式热像仪(1)的红外摄像头(101)前侧，所述红外摄像头(101)在通过所述第一滤光片(303)滤光处理后获得待测物体的第一辐射温度；第二滤光片(304)，与所述第一滤光片(303)转动连接，所述红外摄像头(101)在通过所述第一滤光片(303)滤光处理后获得待测物体的第二辐射温度；控制处理设备，与所述手机式热像仪(1)电连接，依据下式通过环境温度t
u
第一辐射温度和第一辐射温度获得待测物体的两个真实温度的测温方程，对两个测温方程求解获得待测物体真实温度；测温方程表示如下，其中，ε
n
为物体在波长在λ1和λ2光谱区间内的法向发射率，λ1和λ2光谱区间有限窄波段的波长范围差值为0.1μm。2.根据权利要求1所述的适用于物体真实温度测量的智能手机式热红外测温系统，其特征在于，所述第一滤光片(303)是透过波段为10.1285-10.2995μm的窄带滤光片；所述第二滤光片(304)是透过波段为10.705-10.895μm的窄带滤光片。3.根据权利要求1所述适用于物体真实温度测量热红外测温系统，其特征在于，还包括，第一底座(2)，设置在所述手机式热像仪(1)下方，用于支撑所述手机式热像仪(1)；第二底座(3)，与所述第一底座活动连接；附件卡扣(201)，设置在所述第一底座(2)上与所述手机式热像仪(1)固定；固定杆(301)，其下端与所述第二底座(3)固定；两个滤光片卡槽(302)，与所述固定杆(301)转动连接，分别用于放置所述第一滤光片(303)和第二滤光片(304)。4.根据权利要求3所述的适用于物体真实温度测量的智能手机式热红外测温系统，其特征在于，还包括，电机，其设置在所述固定杆的上端，其输入端与所述控制处理设备电连接，其输出轴与两个所述滤光片卡槽(302)传动连接。5.根据权利要求1所述的适用于物体真实温度测量的智能手机式热红外测温系统，其特征在于，所述处理设备为智能手机。6.根据权利要求5所述的适用于物体真实温度测量的智能手机式热红外测温系统，其特征在于，所述手机式热像仪(1)通过其上的usb-c接口(102)与智能手机连接。7.根据权利要求1所述的适用于物体真实温度测量热红外测温系统，其特征在于，获得测温方程的步骤如下：通过公式(2)表示物体真实温度t0、环境温度t
u
以及手机式热像仪获取的辐射温度t
r
之间的关系，
将ε
n
(t0)+ρ
n
(t0)＝1、带入公式(2)得到公式(3)，计算得到i(t
r
)≈ct
rn
、i(t
u
)≈ct
un
，结合公式(3)和i(t
r
)、i(t
u
)得到不同波长范围内物体真实温度t0的计算式，其中，i(t
r
)表示手机式热像仪获取到的辐射温度，表示波长在λ1和λ2光谱区间内大气的平均透射率，ρ
n
为温度为t0的物体在波长在λ1和λ2光谱区间内的法向反射率，c为常数，n随着探测器波长的具体值变化。8.根据权利要求7所述的适用于物体真实温度测量热红外测温系统，其特征在于，通过普朗克辐射定律如公式(4)计算i(t
r
)、i(t
u
)，简化公式(4)得到公式(5)，通过公式(5)表示i(t
r
)和i(t
u
)；其中，r
λ
表示探测器的光谱响应度，l
bλ
(t)表示辐射亮度，c1表示第一辐射常数，c1＝3.7418
×
10-4
w
·
cm2，c2表示第一辐射常数，c2＝1.4388cm
·
k，c为常数，n随着探测器波长的改变而改变。

技术总结
本发明提供了一种适用于物体真实温度测量热红外测温系统，属于控制科学领域。包括：智能手机式式热像仪、第一滤光片、第二滤光片和控制处理设备。本发明在手机式热成像系统的镜头前加两片窄带滤光片，通过2次改变热像仪的工作波段，滤光片被固在手机式热像仪红外镜头前方，转动达到切人切出光路的目的，进而达到变谱测温的效果。本发明具有测温速度快，测温面积大，分辨率高以及非接触式的优势。相对于大型的红外测量设备，手机式热像仪成本低，便携，应用场景更为灵活。本发明采用变谱法测温能够有效的克服物体发射率未知的情况之下对于其真是温度的测量，测量的结果不仅能够得到物体的真实温度还能够得到被测量物体的材料发射率。发射率。发射率。


技术研发人员：董大明 焦富 矫雷子 田宏武 李传霞
受保护的技术使用者：北京市农林科学院智能装备技术研究中心
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2022/3/8