1、紅外線溫度測量系統(tǒng)的英文翻譯自動校準(zhǔn)紅外測溫儀低溫測量摘要一一本文介紹了自校準(zhǔn)技術(shù)消除熱梯度引起的測量誤差在熱電堆紅測溫， 特別是當(dāng)測量低溫。這種自我校準(zhǔn)中的應(yīng)用方法包括在食品工業(yè)中低溫測量遠(yuǎn)程溫 度監(jiān)測的紅外測溫儀在寒冷的氣候。報告中的自校準(zhǔn)技術(shù)本文所示，以減少測量誤 差內(nèi)？，1?C范圍內(nèi)極端熱沖擊5秒，比不收回，直到無償溫度計熱梯度被刪除。 根均方的溫度熱沖擊試驗期間的噪音小于0. 2?Co這種技術(shù)是專利申請的主體和可 以適用于任何利用熱電堆紅外測溫儀，無論熱電堆的大小和兒何形狀。指數(shù)校準(zhǔn)， 紅外探測器，紅外輻射的影響，溫度測量，熱電裝置。一導(dǎo)言事實(shí)上，紅外(IR)溫度測量所有溫度高于絕對

2、零度的問題(-273. 15三)輻射能 量的基礎(chǔ)上。發(fā)射的能量分布在給定溫度的電磁頻譜馬克斯普朗克在1901年描述 1。他的黑體輻射在每一個非接觸式紅外測溫儀中心法(1)L(X, , T), =2hc2 X 5 e, hcXkT, ?, 1 (1)其中大括號是(入，T),光譜輻射亮度(W?M-3?SR-1) ;T是對象溫度(開爾文)；X 是波長(米)的;普朗克常數(shù) h=, 6. 6261X 10-34J?S;C 的光速二2. 9979X 108M?Sl;k 玻爾茲曼常數(shù)二1. 3807X10-23J?K-lo測量使用低溫紅外測溫是困難的紅外能量的 少量最后，2010年9月6日修訂，2010年1

3、0月29日；接受2010年12月1日。 2011年3月3日出版日期；當(dāng)前版本的日期2011年5月11 So這項工作是支持 的，一部分由工業(yè)獎學(xué)金從1851年的展覽和部分皇家委員會的ERA基金會。副主 編，喬治肖博士。T.巴里和G。富勒Calex電子有限公司，LU7 4TZ貝德福德英 國。K. HayatlehJ.Lidgey與技術(shù)學(xué)院，牛津布魯克斯大學(xué)，英國牛津0X33 lHXoOptical tute數(shù)字對象標(biāo)識符10. 1109/TIM. 2011. 2113123目標(biāo)8-14微米波段，否則被稱為 長波長的紅外（長波），由于通常選擇峰值發(fā)射溫度范圍為-50?C至+50?彗星發(fā)生在 這個波段

4、。探測器類型的選擇長波測量是非常有限的。對于軍事和實(shí)驗室使用， 鎘汞光子探測器是首選因其高的比探測相比，感溫探測器2。然而，其成本更高 數(shù)量級的兒個訂單比傳統(tǒng)的熱探測器，如熱電。它是這個原因，他們在室溫下操作 的能力工業(yè)應(yīng)用的首選探測器是熱電，。肖測量低能量熱排放溫度訃的光學(xué)組件， 以及內(nèi)熱探測器內(nèi)設(shè)立的梯度時，如果沒有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，可引起顯著的測量誤差。 在食品工業(yè)中，監(jiān)測冷凍食品在運(yùn)輸過程中的產(chǎn)品的保質(zhì)期溫度是關(guān)鍵的要求，并 需要有能力的非科學(xué)的人才進(jìn)行測量，要求無論在環(huán)境變化的都能重復(fù)測量溫度。 傳統(tǒng)的接觸式溫度探針測量沒有溫度的對象，但平均氣溫有其對象和探頭。因此， 如果有足夠的時間不允

5、許探針接觸熱平衡與樣品，測量將不準(zhǔn)確。接觸式探頭同時 進(jìn)行紅外測溫儀會有不交義污染的風(fēng)險。紅外溫度測量環(huán)境溫度在零下也就是鏡頭 上的一個挑戰(zhàn)，因為冰的形成，可以阻斷紅外能量。這是可以克服的加熱光大會， 但誘導(dǎo)熱休克顯著降低測量精度。在本文中，我們提出了一個自校準(zhǔn)能力的方法消除紅外錯誤，由于熱梯度 溫 度訃，使它們能夠適合精確測量低氣溫在零度以下的環(huán)境操作溫度。二嚴(yán)格審查，熱電堆基紅外測溫其中最顯著的來源錯誤是lowtemperature使用熱電堆探測器的紅外 測量熱偏移電壓。這些都是造成環(huán)境溫度傳感器和其相關(guān)的光學(xué)組件交換能源與熱 電吸收劑。自熱電差分器件，電動勢每當(dāng)有一個熱電減震器和對象之間

6、的差，在其 視野內(nèi)產(chǎn)生。在這方面的領(lǐng)域，不管是不是光場儀器，但是只要是半球領(lǐng)域，這熱 電減震器就可以接收輻射能量。如圖。1,在一個典型的紅外測溫儀，這一領(lǐng)域的 的觀點(diǎn)，將包括熱電住房，光學(xué)過濾器窗口，光管，包括任何光圈，鏡頭，并任何 外部的小孔。圖1。顯示查看總場光學(xué)大會的橫截面熱電減震器。這表明，能源熱電減震器 交流鏡頭，光管，過濾器窗口以及熱電住房。整個光學(xué)組件的熱梯度可以暫時性的穩(wěn)定。瞬態(tài)梯度時，會岀現(xiàn)儀器還沒有落 戶在它的周圍的情況。幅度這些錯誤會有從不同傳感器穩(wěn)定狀態(tài)的方法。有時可能 發(fā)生在上電電子元件內(nèi)的傳感器熱由于功耗或當(dāng)溫度計之間移動兩個不同的環(huán)境溫 度，如地點(diǎn)溫暖的廚房和冰箱

7、里的散步這種情況的例子。在穩(wěn)定狀態(tài)，熱梯度也可 發(fā)生，例如，當(dāng)功耗在傳感器的電子元件，導(dǎo)致內(nèi)部溫度要保持在較高的溫度傳感 器比外界的空氣溫度，或者如果一個熱的物體，如熱水器是在不斷接近傳感器造成 輻射或進(jìn)行加熱。如果對象測量接近儀器，穩(wěn)態(tài)熱梯度往往會存在因加熱或冷卻影 響的對象。為了量化的溫度測量由于熱梯度而產(chǎn)生的誤差，設(shè)計了一個測試，一個 可重復(fù)的源熱量可應(yīng)用于光學(xué)大會，引起了熱梯度。光學(xué)大會的一個截面所示圖 2,山光學(xué)住房，鏡頭聚焦紅外能量，承運(yùn)人可以有選擇性地定位的熱電相對的鏡 頭，以及熱電堆探測器。靈活的熱墊后方的光學(xué)組件，所以纏重復(fù)劑量的熱能可以 注入房屋，導(dǎo)致發(fā)生瞬態(tài)熱梯度。熱通過

8、光學(xué)大會前進(jìn)行到散熱器，造成旋轉(zhuǎn)不對 稱的熱梯度如圖2, 旦一個穩(wěn)定的狀態(tài)已經(jīng)達(dá)成。供電隔熱墊，在指定的時間比 較之間的熱電測試是可能的。對于本文中所描述的測試，加熱器通電5分鐘內(nèi)，從測試開始1分鐘。總測試 時間為20分鐘。這模擬了一個未來的熱量來源用溫度計到接近，造成顯著光學(xué)大會在其短暫的熱梯度。整個光學(xué)組件的熱梯度隨時間變化，從而在不同的熱偏移 電壓。在實(shí)際應(yīng)用中溫度計須在環(huán)境溫度低于0攝氏度進(jìn)行測量。在這一個方面沒 有什么不同，加熱器測試可以用來加熱的鏡頭，以防止阻塞霜視野。這個測試的結(jié) 果，因此直接相媲美的，可預(yù)期的結(jié)果時，加熱器在這樣的應(yīng)用程序循環(huán)。在手持 式紅外測溫儀用于溫度測量的

9、冷凍食品，熱梯度引起的儀器被移動從溫暖的環(huán)境溫量誤差。因此,此測試直接的一個熱沖擊性能指標(biāo)紅外測溫儀。度，如辦公室在25?C,進(jìn)入寒冷的環(huán)境溫度低于0?C的Walkin被冷凍。在這種情 況下，所提供的一些絕緣房屋的溫度計，但山此產(chǎn)生的熱梯度仍然會導(dǎo)致顯著的測Twnn卩（0/I IIH.atswk. I弘嚴(yán) hzp“d1 IThrmopila dtwtorOptical Housing31.fi一圖3熱電堆的熱休克反應(yīng)的比較。樣品1有領(lǐng)域的90?和熱沖擊性能進(jìn)行了優(yōu) 化。樣品2是來自同一制造商的標(biāo)準(zhǔn)熱電和有視野110?o圖3顯示了一個響應(yīng)之間的比較熱休克優(yōu)化熱電描述和測量時從同一制造604020

10、D-26加 (oc) KHliGau 一理二 SEas商的標(biāo)準(zhǔn)熱電0?彗星黑體源。80 Sample #3 Sample #4 Sample #580L.LJ.024 S 810 12 14 16 18 20Time (mins)圖4。熱電樣品3, 4熱休克反應(yīng)的比較，5。樣品3與T0-, 18房屋的120視 野？，樣品4有一個70?,和樣品5領(lǐng)域的T0-, 5房有一個T0-, 5住房與100?領(lǐng) 域。根均方根(RMS)噪聲溫度TN在測試期間是6.3?C的樣品1比21. 0?C的樣品2。優(yōu)化是通過增加熱電住房的熱質(zhì)量，從而減少熱梯度的大小，并安裝過濾器窗口外 部刪除領(lǐng)域的高發(fā)射率的膠水鑒于熱電

11、減震器。這些解決方案是針對熱電是不作為 的一部分使用的應(yīng)用程序精密光學(xué)組件，例如，汽車氣候控制7或耳溫槍8。對 于這些應(yīng)用，增加的熱電堆的熱質(zhì)量產(chǎn)生顯著改進(jìn)，8可以證明。然而，當(dāng)用于 一個比較大的光學(xué)系統(tǒng)，將改善在圖的結(jié)果顯示，少顯著。3。此外，如果使用低 傳輸鏡片材料9,所排放的廢氣從鏡頭將進(jìn)一步降低的準(zhǔn)確性。一些改善看出是 山于高發(fā)射率的膠粘劑，用于舉行的地方過濾器窗口，從外地被刪除由于其外部安 裝位置所吸收。然而，改善很大一部分可以歸因于光圈大小的兩個樣本之間的差 異。雖然樣品2有限制的領(lǐng)域的開放，熱電吸收角度為110?限制，樣品1至90?。 這減少了半球的一小部分被占領(lǐng)高發(fā)射率的光管。

12、這個結(jié)論是進(jìn)一步證明圖4三個 熱休克反應(yīng)在他們的房屋形狀，只有不同的熱電顯示。盡管在規(guī)格相同的熱電基 板,對T的最高值是出現(xiàn)在熱電最廣泛的領(lǐng)域的觀點(diǎn)，即樣品3場角120?其中 TN=20. 6?Co對TX的最低值取得樣品4,最窄的視場角查看70?,造成8. 1?C., RMS溫度噪音5樣品，其中有100場角？，結(jié)果在17. 5?C, TN此外，減少視野熱電 提高產(chǎn)量，提供，光圈鏡頭沒有限制。然而，光溫度訃的性能將受到影響因在內(nèi)部 反射，低輻射熱電住房，錯誤仍然不能降低到可接受的水平。7中提出的第二個 解決方案涉及的使用熱模型探測器或光學(xué)住房用于預(yù)測的尺寸誤差率的基礎(chǔ)上冷端 溫度的變化。同樣，在

13、獨(dú)立其中兒何形狀簡單，熱電應(yīng)用探測器是小，這是一種可 行的選擇，但是當(dāng)提出圖的光學(xué)組件。2,復(fù)雜性實(shí)在太大了。熱模型將是多方面 的，需要不僅冷端溫度的變化率而且多點(diǎn)溫度測量大會所提出的建議10熱漂移補(bǔ) 償在熱成像攝像機(jī)。數(shù)量越多銷售依靠的溫度測量計算后。，更大的公差累積誤 差。此外這個缺點(diǎn)，整個形狀的熱梯度大會是有著不可預(yù)測的性質(zhì)。在一側(cè)的熱源 光學(xué)大會，會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不對稱溫度曲線。因此，要準(zhǔn)確預(yù)測幅度熱誤差，必須分為 光學(xué)大會h段的總熱偏移電壓。VT0二 n n =Nn=lFA?nA n a A (L (Tn) ?L (TA) + ORn+ OTn (2)其中 VTO 熱偏移 電壓(毫伏)；？

14、響應(yīng)(伏在每瓦)；FA, -，N段n和熱電堆因素吸收劑;熱電堆吸收面 積(平方米)；段的發(fā)射率；a A吸熱電減震器;L(田納西州)段的溫度的黑體輻 射率n(W, ?, M, 2, ?, SR,1);L(TA)在熱電堆的溫度的黑體輻射率吸收器(W, ?, M, -，2, ?, SR, -，1);OR, N段n從段反映的輻射功率1到n;OT, N 輻射功率通過段n從傳播段1到根據(jù)這個方程，精度誤差電壓預(yù)測將成為更大的 增加值但是這會導(dǎo)致一個所需的溫度較高測量，這反過來，會增加更大的數(shù)LI 測量的不確定性。其他尋求克服了熱梯度問題內(nèi)部功耗引起的減少流熱量可以達(dá)到 熱電堆探測器的背面。“最有效的解決這

15、個問題提出Calex電子有限公司，英國， 11提出類似的解決方案12。此方法可減少通過利用熱梯度撓性印制電路板電氣 連接電子電路之間的溫暖和熱電堆。“薄軌道具有導(dǎo)熱系數(shù)低，從而降低了熱電堆 的熱流。他們還安排等山電子所產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移到前面的光學(xué)組件，然后均勻地 消散它的長度。雖然這成功減少的幅度內(nèi)部的熱量來源所造成的熱梯度，未能解決 山外部來源所造成的。上述分析表明，改進(jìn)可以通過熱流阻礙光大會和精心設(shè)訃的熱電光圈限制高發(fā) 射率表面可見的熱電減震器。然而，一個理想的解決方案，將制定一個動態(tài)校準(zhǔn)方 法能夠減少熱偏移到可接受的水平，而不需要任何先前的錯誤整個熱梯度的大小或 形狀的知識光學(xué)組件。理想

16、的情況下，接觸溫度測量應(yīng)保持在最低限度，以減少測 量的不確定性。下一節(jié)介紹這樣的解決方案。三解決方案為基礎(chǔ)的自校準(zhǔn)為了解決這個問題，我們必須思考的時間儀器給予正確的閱讀，即是肯定的， 當(dāng)它在一個穩(wěn)定的環(huán)境溫度校準(zhǔn)。對于一個標(biāo)準(zhǔn)紅外溫度傳感器，可用于兩點(diǎn)校準(zhǔn) 適合普朗克的黑體曲線的測量熱電在兩個已知的溫度下的電壓。之間的關(guān)系熱電電 壓和物體的溫度顯示在(3),其中k是山光學(xué)系統(tǒng)中定義的常量和熱電堆的響應(yīng)， 為對象的發(fā)射率，V0是同一個對象時的熱電電壓溫度和TCJ是冷端溫度熱電 堆。偏移量(VOS)的總和模擬部件，如運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓S(運(yùn)算放大器)和模 擬，-，數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)o增益(G)

17、是用來彌補(bǔ)在響應(yīng)的差異熱電和運(yùn)算放大器電 路的增益和ADC的VO, =Ke/, G(l(針對)-L (TCJ) +V0S的(3)對于二點(diǎn)校準(zhǔn)(3)可 寫為每個校準(zhǔn)溫度，然后，這兩個方程可以合并，并重新安排的形式(4) (5)這是用 來計算G和V0S的G=K e ?L (您好)-L (TO勞)/旁白嗨-旁白，勞(4)V0S=V0勞- K/G(L(L0)-L(TCJ)(5)請注意，增益校準(zhǔn)需要兩個來源，但偏移校準(zhǔn)，只需要一 個。一旦獲得已校準(zhǔn)有兩個來源，只有一個來源是需要為了校正偏移。至于(2)表 明，在熱失調(diào)電壓是直流偏移是獨(dú)立的對象溫度測量。這意味著，熱偏移電壓將有 相同幅度不分對象溫度。如果

18、單點(diǎn)校準(zhǔn)是使用當(dāng)熱梯度存在一個已知的溫度源整個 光學(xué)組件，熱偏移電壓被吸收到偏移的長期(VOS) (5),并將于隨后的讀數(shù)中刪除。因此，通過提供一個內(nèi)置的校準(zhǔn)源的儀器，熱偏移電壓可以校準(zhǔn)前一個測量，從而 增加了儀器的精度，在實(shí)驗室條件下觀察。圖5光學(xué)鏡頭組成的大會的建議，光學(xué)截面住房，熱電，可以有選擇性地定位 和快門葉片(一)要么完全填充或(B)完全從光路中刪除。視野是100攝氏度。圖5顯示了光學(xué)大會提出的截面13作者。光學(xué)組件包括熱電堆探測器，鏡頭 聚焦到紅外能量探測器，光學(xué)住房熱電和鏡頭安裝電可操作的快門葉片可以選擇性 地定位，要么完全占據(jù)光學(xué)路徑或完全從光路中刪除。在圖5,左視圖顯示位置

19、(A)在快門完全占據(jù)了儀器領(lǐng)域。“右視圖顯示位置(B) 在快門葉片完全從視野。高的發(fā)射率快門葉片有一個接觸溫度傳感器，一個熱敬電 阻，如，安裝光軸精確地測量其溫度。至關(guān)重要的是，溫度計內(nèi)的所有表面這是 可見的位置熱電(二)也可見的位置(一)。這將確保所有熱元件偏移電壓貢獻(xiàn)都將被 刪除。快門葉片開始占據(jù)光路，快門溫度測量，后跟一個熱電電壓和冷端溫度的測 量。使用這些測量和(5),偏移電壓訃算。在這種情況下，快門葉片溫度銷售使用 接觸式溫度傳感器測量，是。快門葉片的發(fā)射率。快門葉片，然后完全從光 路，使一個明確的視線之間的鏡頭，要測量的對象。測量熱電電壓和冷端溫度，物體的溫度的訃算方法(3)。因此

20、，山此產(chǎn)生的溫度訃算失調(diào)電壓熱梯度被刪除。 雖然已采用機(jī)械快門熱成像相機(jī)使用微測陣列刪除漂移造成不同的環(huán)境溫度14, -，16在這些設(shè)備中，快門葉片通常用作一個黑暗參考產(chǎn)生一個框架，這是隨后 減去從圖像幀。山于快門是沒有黑暗的，但排放到探測器的能量，這種方法只準(zhǔn)確 測量時快門排放短波可以忽略不計。在相機(jī)快門葉片是作為溫度參考使用，它是內(nèi) 部的光學(xué)大會，因此不刪除熱偏移電壓光學(xué)元件，外部孔徑，或捐款光學(xué)住房。例 如，在14,快門葉片是定位背后的光學(xué)過濾器，限制了波段進(jìn)入儀器的紅外能 量。山于探測器敬感的紅外能量，光學(xué)系統(tǒng)的寬帶寬成為一個“封閉的盒子”在阻 塞的波段，所以檢測器檢測到的輻射增加。在

21、不同的環(huán)境溫度，這將進(jìn)一步減少漂移校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。OJ dme.lwol4141618 2D20-100o6 8 10 12Time (mm)68101214161820Time (mins):-60-8003VVOTSLA)V2圖6頂部：快門溫度（TS）和冷端溫度（TCJ）mperature, measuremenover測試時間。底部:職位快門葉片的熱電電壓和和VOS的計算結(jié)果。四溶液測試本文笫三節(jié)所述的測試重復(fù)建議的光學(xué)組件。在此之前的測試中，增益（G）和 初始失調(diào)電壓（VOS）在校準(zhǔn)熱穩(wěn)定的環(huán)境中使用黑體0?彗星和100?Co大會是定 位，0?彗星黑體完全占領(lǐng)其視野。對于在測試期間，快門

22、溫度，冷端在快門打開， 溫度和熱電電壓（二）和快門關(guān)閉（一）國家記錄。從這些記錄數(shù)據(jù)，失調(diào)電壓VOS和 溫度補(bǔ)償測量，計算每個樣品的時間。圖6顯示了在測試期間記錄的數(shù)據(jù)。冷端溫 度迅速上升時，加熱器被激活，和快門的溫度也上升由于進(jìn)行，通過熱光學(xué)組件。 可以看岀熱電電壓下降之間的冷端和溫度差異對象，和冷端和快門的增加。該圖還 顯示了測試期間的計算偏移的VOS。這是電壓加到電電壓VOTS（二）的結(jié)果如圖補(bǔ)償測試7。-2510 12Time (mtns.)16 18 20Without self-calibration With self-calibrationoujjuolUJeJJnsews圖7

23、o熱電樣品4和無selfcalibration的測量誤差表明成功刪除的自標(biāo)定方 法測量誤差。比較圖中的樣品之間的補(bǔ)償和無償?shù)臏囟葴y量。圖7顯示了優(yōu)秀的在熱沖擊性能的改善。樣品4, T?C的溫度計讀數(shù)下降至0.2在？，1?C的精度在5小號的加熱器接通。樣品5恢復(fù)到一個？，1?彗星精度內(nèi)測試期間的1. 0?C.與TN, 15, s以上這些結(jié)果都取得了顯著改善，顯示決定性實(shí)施這一方法。關(guān)閉檢查圖的自校準(zhǔn)數(shù) 據(jù)。圖7所示一個小的測量誤差時發(fā)生的熱水器是笫一接通和先關(guān)掉。這可以歸因 于光學(xué)大會瞬息萬變的溫度，從而導(dǎo)致通過一段時間的變化在熱偏移電壓之間的熱 電堆的輸出電壓采樣職位（A）和（二）。通過使用熱電和測量更快的響應(yīng)時間，電路 之間的時期可以減少測量。這將減少山此產(chǎn)生的測量誤差范圉內(nèi)保持在一個時間的 準(zhǔn)確性熱穩(wěn)定性。使用這種技術(shù)的紅外測溫儀的響應(yīng)時間插入光學(xué)快門所需的時間 是有限的并采取必要的測量。在原型測試，這個時