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紅外測溫儀的精度與哪些因素有關?
紅外線波長范圍是0.78μm到100μm。然而,紅外輻射自目標發射出來,總是要在大氣中傳播一段距離才能到達觀測儀器,除幾何發散外,紅外輻射在大氣中傳播會有很大衰減,主要因素是大氣中各種氣體對輻射的吸收。
組成大氣的主要氣體是氮氣.氧氣.氬氣,它們占99%以上。有幸的是，它們不吸收15μm以下的紅外線,否測紅外技術在野外就無法使用。能引起紅外吸收的氣體是水汽,二氧化碳,臭氧(O3),它們在不同波段針對紅外線形成吸收帶，再加上甲烷,一氧化碳等吸收作用,造成了紅外輻射的衰減。通過1μm到15μm的紅外輻射通過一海里長度的大氣透射比試驗,證明只有處于紅外吸收帶之間的紅外輻射能夠透過大氣向遠處傳輸,其中有三個透過大氣的紅外波段，1-2.5μm,3-5μm,8-13μm，這三個波段被稱作”大氣窗口”，紅外測溫系統常常在這三個窗口內工作.
3-5μm,8-13μm兩個波段的范圍都有不同特性的控制可選用。這兩個波段分別稱為”短波”和”長波”窗口。從原理上計,這兩個窗口都敏感,但大多數設計者都選擇了短波段,原因是該波段范圍中,能在較寬的范圍內提供佳功能,達到良好的測溫要求;而長波窗口則更多地用于低溫及遠距離的檢查(AGENA570就有此功能)。
只有對熱成像系統的原理及構成有了一定的了解后,才能實現對熱像儀的正確操作,從而進一步實現對溫度的測量。
由于熱像儀測溫是利用探測器輸出的視頻信號進行處理后得出的，根據公式:
Us∝(wσT5/π)∫ ε(λT)τα(λ)R(λ)dλ
式中:Us---探測器輸出視頻信號的幅度
λ1,λ2---熱像儀工作波長范圍
w---熱像儀瞬時視場角.
σ---輻射常數
T ---被測目標溫度
ε(λT)---被測目標光譜輻射率
τα(λ)---大氣透過率
R(λ)---熱像儀總光譜響應
可見,測溫精度與很多因素有關,如目標特性,熱像儀特性,測量距離等。
為了實現所需的溫度測量和便于操作,目前使用的大多數熱像儀(如PM290)已在系統中實現了以下三方面的精度補償:
(1)熱像儀內部的飄移和增溢補償.
(2)不同操作溫度下的補償.如夏天和冬天.
(3)鏡頭視場外的輻射補償.
其它如發射率,環境溫度,距離,濕度等基本的參數則要求用戶根據實際情況自行設置,以保證測溫精度的可靠性。
下面我們以美國紅外測量公司(Inframetrics)的PM290型紅外熱像儀為例,來說明在實際監測過程中,如何做到測量。
開機后,在設置菜單1中,可見到以下幾項要求用戶進行設置的項目.
a被測目標發射率
b背景溫度
c環境溫度
d濕度
e距離
因此，實際測溫過程中的影響因素主要有以下四方面.
A輻射系數的影響
B背景噪聲
C光路上的吸收與散射
D紅外測溫儀的穩定性
上述因素的影響程度隨測量條件的不同而變化,為了保證測量的可靠性,必須盡可能準確地進行校準,也就是說,要想得到的溫度值,檢測人員必須盡可能在系統設置項中準確地設定各參數的值。
2. 1發射率
不同的物體輻射能力不同,理想黑體具有大的輻射能力,而其它物體輻射能力的衡量引入了一個參量,即光譜發射率ε ,又稱輻射系數。 ε系指在相同溫度及條件下,實際輻射體與黑體的輻出度之比值。
發射率表明了輻射和吸收的能力,它是材料的固有性質.測溫時選用ε值的大小直接影響測溫結果。然而,它隨表面條件、形狀、波長和溫度等因素的影響而變化，為了測量真實溫度，需要的設定發射率值。以下四幅圖是用PM290拍攝的盛有熱水的紅外熱像圖。相鄰熱像圖之間的拍攝間隔為2秒，因此，因時間造成的誤差可以忽略。根據有關手冊查得玻璃在20℃~100℃時的發射率為0.94~0.91,試驗取值為0.92.拍攝時其它條件不變，僅改變ε的取值:
許多文獻著作中都有物理常數表，但由于ε是隨測量條件不同而變化的，因而在使用這些數據前必須檢查測量條件，包括材料的材質，材料的溫度，表面的狀況等。值得一提的是，在檢測外壁上涂有除腐涂層的容器時，一定要注意涂層是否有脫落，減薄，不均等現象，因為測點位置的錯誤很可能導致錯誤的溫度數據，所以在現場要靈活運用，綜合分析。
B使用涂料或已知發射率的物質，置于被測物體表面，通過加熱的方法使其與被測物體達到熱均衡，各處溫度一致，用輻射溫度計測量其溫度和被測物體表面溫度，取二者輻射能的比率來測定發射率。
C將被測物(或與被測物相同的材料)放入載有黑體的加熱器中，加熱試樣使其達到黑體溫度，求出試樣與黑體輻射能力的比率，從而測定被測物的發射率。
2.2背景噪聲
利用紅外輻射測溫，由于信號非常小，低于常溫的測量將受背景噪聲的影響，在室外，陽光的直接輻射，折射和空間散射線是主要的背景噪聲。室內測量時，來自待測物體周圍的反射光有時極大地影響測量結果，因此在測溫時必須考慮上述影響因素，采取的基本對策如下:
2.2.1準確對焦距，避免非待測物體的輻射能進入測試角。
2.2.2在待測物體附近設置屏避物，以排除外界干擾。
2.2.3室外測量時，選擇有云天氣或晚上以排除日光的影響
2.2.4物體發射率低，光反射的影響越大，因而應采用發射率高的涂料或制小孔等方法來提高發射率。
2.3光路上的吸收
空氣中某些物質，如H2O，CO2，O3，CO N2O CH2等均吸收紅外線。根據實際的工作環境及儀器自身的適應性，PM290型熱像儀在設置中，主要考慮的是水蒸汽對測溫精度的影響。
除此以外，我們在實際檢測時，發現風力狀況也影響到測溫的精度，為此，我們查閱了一些相關資料，發現瑞典國家電力局早已為此經過了多次實驗并定義了下面的公式作為風力影響的修正:
T01=T02 × (V1/V2)=T02 ×√V1/V2
T01―――在風速V1下的過熱溫度
T02―――在風速V2下的過熱測度
該公式適用于室外的強制對流(風正面吹向物體)條件。例如:風速V1=4m/s時測得過熱溫度為T01=10℃，那么在風速V2=1m/s的條件下，過熱溫度T02可得為:
T02=10×√4/1=20℃
2.4熱像儀的穩定性
與其它儀器不同的是，紅外熱像儀在很大程度上受環境溫度的影響，實際上待測溫度低于常溫時，環境溫度變化的影響甚至大于信號的變化，這是由于紅外透鏡自身存在一些不可避免的影響因素，盡管儀器設計中考慮了某種補償措施，但好使儀器的使用溫度維持在恒定的溫度，當環境溫度高于規定值時，必須冷卻儀器。