16位灰度数据成像_红外成像测温仪的原理及应用

红外成像测温仪是建立在红外测温仪和红外成像仪基础上的一种具有测温功能的红外成像仪。

一般红外测温仪将视场中的景物视为一个热点进行测温；红外成像仪记录视场中景物的红外辐射通量的相对值及其分布，由此形成的红外图像对比度；红外成像测温仪将视场景物红外图像的温度分布测量出来，以等温线、假彩色等方式显示，从而得到与景物对应且包含温度及其分布的红外图像。

随着红外成像测温技术的发展，其在国民经济的电力、钢铁、石油、化工、造纸、医疗、科学等等方面具有极大的应用前景；随着非制冷焦平面探测器和宽谱红外焦平面探测器技术的发展和非接触红外成像测温的应用需求不断增加，发展精度更好的红外成像比色测温技术将在很多民用领域有广泛的应用价值。

红外成像测温的基本理论依据是普朗克定律及其导出定律——斯蒂藩-波尔兹曼定律和维恩定律；非接触的辐射测温方法。

对红外成像测温的4种方法：

(1)测量物体辐射出射度确定温度；

(2)测量物体双波段/双波长辐射出射度确定温度；

(3)测量物体两个波长辐射出射度之比确定温度；

(4)测量物体峰值波长确定温度。

单波段测温

在短波1～2.5 微米、中波3～5微米 、长波8～14 微米选择一个波段，测量这一波段的红外辐射能量，进行表面发射率修正后，用斯蒂藩-波尔兹曼定律即可确定物体的温度。

利用辐射测温时需要针对物体温度范围选择适当的红外波段。利用普朗克公式计算表明，黑体辐射体50%以上的辐射能量集中在峰值波长附近。例如，2000 K以上的灼热金属体，其辐射能大部分集中在波长小于3 微米以下的近红外区或可见光区，而温度低于300 K的室温物体，75%的辐射能集中在波长大于10微米以上的红外区。因此，测量2000 K温度以上的高温物体的温度要选择短波红外，测量300 K左右室温附近温度的物体应选择长波红外。测量数百度温度的物体，则选择中波红外。

这一方法适合于对物体表面某一点的辐射测温，在用于红外成像测温时，存在如何选择视场景物中的表面发射率的困难。

双波段测温

单波段测温方法实际上只利用了黑体辐射能量中的一部分，可以理解成是利用黑体辐射曲线的一小段来确定整个黑体辐射曲线，进而得到物体的温度。如果利用测量两个波段的红外辐射能量，则利用了黑体辐射曲线的两个小段来确定整个黑体辐射曲线，进而可以更准确的逼近黑体辐射曲线，提高物体的测温精度。这一方法同样存在表面发射率影响的问题，只有在表面发射率不随温度、波长变化时，才有好的结果。

灰体比色测温

分光测量 ：一种方法是采用一个宽波段的红外焦平面探测器，利用红外分光元件对汇聚的景物红外辐射进行光谱分光，对红外成像测温仪设计规定的波长对应的辐射能量进行测量，计算实际测量的比值，再与理想黑体的计算结果进行比较就得到物体的温度。分光元件有多种，包括红外滤光片、色散棱镜、衍射光栅等等；

双色红外探测器：采用窄波段的红外焦平面探测器，直接对红外成像测温仪设计规定的波长对应的辐射能量进行测量，量子阱红外探测器的相应波段范围就很窄，探测器的性能也很稳定，适合用于进行双色测温；

傅立叶光谱仪：用傅立叶光谱仪将汇聚的红外光谱展开，再进行波长-红外辐射能量的测量，这种方法最好，但系统复杂。

用于红外成像测温仪的红外焦平面探测器

由于测温需要直接测量灰体红外辐射能量的绝对值，因此最好采用能输出直流信号的红外焦平面探测器，便于红外辐射能量的测量和计量。氧化钒、非晶硅微测辐射热计的红外焦平面探测器就特别适合于300K以下温度的红外成像测温仪，铂硅红外焦平面探测器就适合数百度温度的红外成像测温仪。

红外焦平面探测器的探测元数量很多，必须进行非均匀性校正才有好的红外图像质量。在红外成像测温仪中，还必须具有进行一定精度的红外辐射量的标定功能，才能保证有规定的测温精度，但用于在线测量的红外辐射测温仪实现高精度标定有困难。这从另一个角度提出了对红外探测器时间稳定性的要求。

热成像系统温度标定原理

红外热成像系统在显示器上显示的热图像，反映了被测物体表面的热分布情况，由于探测器所接收到的红外辐射与目标温度之间呈非线性关系，而且还要受到物体表面发射率、大气衰减及物体所处环境的反射等因素的影响，热图像只能给出物体表面辐射温度的定性描述，如果想要根据热图像获得物体的绝对温度值，必须采用与基准物体热像相比较的方式来标定绝对温度值。一般是利用高精度的黑体作为标准，用红外热像仪测量其表面温度，做出黑体温度与光电转换器件的输出信号的关系曲线。具体标定有两种方法：

拟合曲线法

标定时，在一定条件下，用热像仪对着不同温度下的基准黑体热源进行测量，采集热图的灰度数据，用最小二乘法拟合测量数据，得到一条热值与温度关系的最近拟合曲线，同时可以求出描述标定曲线的数学模型中各项标定常量的数值，得到具体的数学模型。实时测温时，直接在数学模型中由灰度值转换为温度值。这种方法占用存储空间小。但由于拟合曲线的非线性，测量精度略低。适用于测量精度要求不高的场合。

查找表法

标定的目的就是要对整个系统进行测试，找出绝对黑体温度与图像灰度值之间的关系，然后建立数据库，把这个关系用一个表来描述，叫做温度查找表，用矩阵表示。把测出的黑体温度和图像上对应点的灰度值构成的一对数据标定样本，则有:由于温度与辐射度是非线性关系，因此，要确定温度查找表，就要有足够多的标定样本。使用数据拟合技术以及标定样本，在计算机上建立完整的温度查找表，然后根据这个查找表对目标温度进行精确计算。尽管系统的标定曲线是非线性的，但是因为使用了计算机查表方法，非线性对测量精度的影响不大。这种方法数据量大，适应于测温精度要求较高的场合。