鮑小鋒　張貴鵬　朱君悅　黨軍朋　袁絨

摘要：溫度是代表物體表面冷熱程度的一種物理量，目前權(quán)衡科技是否進(jìn)步的一大重要標(biāo)準(zhǔn)就是測量物體溫度的技術(shù)手段。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的紅外熱成像測溫系統(tǒng)的平臺多數(shù)都存在價(jià)格偏高、體積偏大等缺點(diǎn)。智能手機(jī)的出現(xiàn)，其有著快速的運(yùn)行速度、可控的操作性、性價(jià)比高等特點(diǎn)，為人們帶來了便捷的消費(fèi)習(xí)慣，從而改善了人們的生活方式。目前，Android 系統(tǒng)是智能手里的主要流通的操作系統(tǒng)，它的開源性更加容易被用到除智能手機(jī)以外的其他應(yīng)用中去，在真正實(shí)現(xiàn)資源共享的基礎(chǔ)上，大大縮減了使用的成本。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī);紅外熱成像;紅外測溫;測溫系

項(xiàng)目基金：

項(xiàng)目名稱：基于穿戴式智能終端的紅外熱成像測溫技術(shù)研究;

基金編號：050400KK52190015

0引言

現(xiàn)如今，各行各業(yè)的發(fā)展中都能看到紅外熱成像的身影，已經(jīng)是數(shù)見不鮮。比如，在軍事的領(lǐng)域中，被用于識別目標(biāo)，夜市、紅外導(dǎo)航等;在工業(yè)生產(chǎn)中，被用來檢測無損零件、節(jié)能減排、監(jiān)控環(huán)境等;在醫(yī)學(xué)中，被用于發(fā)現(xiàn)疾病、對復(fù)雜區(qū)域研究等;在農(nóng)業(yè)食品中，被用于水利灌溉、檢測產(chǎn)量、檢測肉質(zhì)、保護(hù)動植物等。與國內(nèi)外的研究相結(jié)合來看，顯而易見，紅外熱成像技術(shù)最核心的一個(gè)應(yīng)用就是用來對一個(gè)物體進(jìn)行體溫測量。紅外熱成像作為一種新型的測溫技術(shù)，相比較于溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶等一些傳統(tǒng)的測溫方式而言，它具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)，比如，它的準(zhǔn)確性更高、可以不用接觸、反應(yīng)速度較快可以瞬間有結(jié)果等，基于這些獨(dú)有的特點(diǎn)，紅外熱成像很快就成為了主要的測溫手段。目前來看，紅外測溫儀也在向著低成本、微型化、智能化的趨向在發(fā)展。

1智能手機(jī)紅外熱成像測溫概括

在自然界中，任何物體的溫度只要超過-273.15℃（絕對零度），自己就會向四周發(fā)出紅外輻射。紅外線最早是由英國的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨后，其他的科學(xué)家就對紅外輻射進(jìn)行了定義?？茖W(xué)家們根據(jù)紅外輻射的物理定律對紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行了深度的探究，探究的進(jìn)程相對較慢，直至1956美國空軍誕生了第一臺實(shí)時(shí)顯示的前視紅外熱成像系統(tǒng)，他們把在夜視巡航的時(shí)候使用這一系統(tǒng)，它能夠完成在黑暗中對目標(biāo)活動的實(shí)時(shí)探測，這也是紅外熱成像技術(shù)的一大重要里程碑。技術(shù)的應(yīng)用都應(yīng)該有其對應(yīng)的設(shè)備支持，紅外熱成像技術(shù)也不例外，所以就定義實(shí)現(xiàn)紅外熱成像技術(shù)的設(shè)備為紅外熱成像體系，也叫作紅外熱像儀。[1]

2智能手機(jī)紅外測溫技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

2.1測量溫度的必要性

溫度是物體表面冷熱程度的物理量，從微觀來講，它是物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動的表現(xiàn)程度。不論是在科學(xué)研究的領(lǐng)域還是我們的生產(chǎn)生活中，無論溫度的大小，都有著至關(guān)重要的作用，比如：所有的恒溫動物體溫上升時(shí)，往往是要生病的跡象，機(jī)器在生產(chǎn)運(yùn)作時(shí)溫度過高會導(dǎo)致機(jī)器故障，眾所周知的全球變暖就是地表溫度升高而導(dǎo)致的。在眾多的表現(xiàn)中我們可以發(fā)現(xiàn)，只有準(zhǔn)確的知道被測物體的溫度，才能了解它因溫度變化發(fā)生而反應(yīng)背后的原因。

2.2紅外熱成像測溫方法

不同的測量對象所選擇的測溫設(shè)備不同，所以我們大致將它們分為了三種。第一種方式是直接將測溫設(shè)備放入被測目標(biāo)種，我們稱其為入侵時(shí)測溫。最常見的就是用溫度計(jì)測量室內(nèi)的溫度;第二種方式是將測量設(shè)備盒被測物品的表面進(jìn)行貼合，我們稱其為半入侵式測溫。電熱阻、電熱偶都是通過這種方式進(jìn)行測溫的。第三種就是完全非入侵式，比如，遠(yuǎn)程的無接觸方式的測溫就是其最好的體現(xiàn)。入侵式和半入侵方式都是依據(jù)熱傳導(dǎo)來進(jìn)行測量溫度，在測量中也會出現(xiàn)一定的缺陷，比如：熱傳導(dǎo)的耗費(fèi)時(shí)間較長，影響測量時(shí)間;被測目標(biāo)比較單一;不能對高溫的材料進(jìn)行測溫。

2.3紅外熱成像測溫技術(shù)的應(yīng)用

紅外熱成像已經(jīng)在軍事的應(yīng)用上驗(yàn)證了它的可靠性，然而，這并不是它被應(yīng)用的根本所以，它最主要的應(yīng)用還是被用來測量目標(biāo)的溫度。紅外熱成像一種即沒有傷害、也不用接觸的測溫手段，它的設(shè)備性能較高以及使用成本較低，已被廣泛的運(yùn)用的各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。國外一些科學(xué)家闡述了紅外熱成像測溫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的運(yùn)用;國內(nèi)的一些科學(xué)家介紹了紅外熱成像測溫技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的運(yùn)用，對生物體發(fā)燒診斷、體表復(fù)雜的區(qū)域溫度進(jìn)行了探討;還有一些科學(xué)家總結(jié)了紅外熱成像測溫技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品安全領(lǐng)域的運(yùn)用，比如：灌溉調(diào)度計(jì)劃、水果總產(chǎn)量預(yù)測、植物病原體疾病監(jiān)測等[2]。綜上所述，紅外熱成像測溫技術(shù)作為一種不用接觸的測溫方法，已經(jīng)被大量的運(yùn)用到一些因溫度而產(chǎn)生歧義的科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中。

3基于智能手機(jī)的紅外熱成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1紅外熱成像測溫依據(jù)

從理論上講，只要物體溫度只要比熱力學(xué)零度高，物體就會向外輻射電磁波，這些電磁波都攜帶一些能量，其中紅外光波的波長范圍在O.76pm～1000pm之間，紅外光波的一大特點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，并且?guī)в袦囟刃畔ⅲ椛錅y溫技術(shù)探究的起點(diǎn)就在于此。普朗克定律是紅外測溫技術(shù)的物理學(xué)理論基礎(chǔ)，普朗克定律展示了在不同的溫度下不同波段的黑體輻射能量分布規(guī)律。黑體最突出的一個(gè)特點(diǎn)就是它所發(fā)射的輻射能和所吸收的輻射能一樣，換句話說，就是物體的吸收能力和輻射能力成正比，吸收能力強(qiáng)則輻射能力強(qiáng)，反之就會變?nèi)?。在紅外測溫的理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接納被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形折射到紅外探測器的光敏元件上，進(jìn)而就獲得了熱成像的紅外熱像圖，這種熱像圖和物體表面的熱分布幾乎相應(yīng)，為下一步計(jì)算出溫度值提供有利的依據(jù)。

3.2紅外熱成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在變電站測量溫度時(shí)需要考慮一些影響因素，比如：通電設(shè)備的溫度范圍、對應(yīng)尺寸、測溫儀和目標(biāo)設(shè)備的距離、環(huán)境等，才能正確的選擇紅外熱成像測溫儀。剖析用電設(shè)備的溫度范圍，確定測溫儀的芯片。從黑體輻射定律中可以得出，在測溫時(shí)應(yīng)該盡量選擇波長較短的，更有利于測量溫度。變電站母線的選擇材質(zhì)不同，導(dǎo)致其發(fā)熱的范圍也不同，可以確定基本上都在-10℃～+210℃之間，范圍比較小，精準(zhǔn)度要求上下超過5℃，所以現(xiàn)場測溫儀CPU的功能要求比較簡單，利用普通的測溫芯片就可以全部滿足;依據(jù)用電設(shè)備的相應(yīng)尺寸來確定測溫的方式。變電站會出現(xiàn)一些塵埃和煙霧阻礙測量，而恰巧比色測溫的方式對輻射能量有減弱是，對測量的結(jié)果都沒有太大的影響，所以首先選擇的就是比色測溫;依據(jù)測溫的距離，確定測溫儀光學(xué)的分辨率。因?yàn)闇y溫儀的安裝不僅要遠(yuǎn)離目標(biāo)，還要測量小的目標(biāo)，所以為了能靠近和遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離上精準(zhǔn)測溫，被測目標(biāo)的尺寸要大于焦點(diǎn)處光斑尺寸，就需要選擇可以變焦的測溫儀進(jìn)行近距離和遠(yuǎn)距離的精準(zhǔn)測溫。如果考慮到環(huán)境的因素，那就要重新調(diào)整算法。大風(fēng)大雨和強(qiáng)烈的光線都對測量存在影響因素，這些都是測溫儀無法進(jìn)行辨別的處理的，所以在使用前，需要通過后臺的軟件調(diào)整差值，算的調(diào)整主要是進(jìn)行非均勻糾正、偽彩色圖像的處理和面源黑體的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定。所以在選擇紅外線熱成像測溫儀時(shí)應(yīng)選擇帶有普通單CPU、能夠?qū)崿F(xiàn)比色測溫的技術(shù)、具有變焦功能紅外成像測溫儀，通過后臺算法對數(shù)據(jù)的矯正調(diào)整測量誤差[3]。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測提出的可移動自動紅外熱成像測溫?zé)o線測量的準(zhǔn)確度和可行性，通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行探究。利用一臺紅外熱成像測溫儀，對發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行測溫后利用無線傳輸?shù)姆绞絺魉偷街悄苁謾C(jī)當(dāng)中，同時(shí)在現(xiàn)場也進(jìn)行人力對發(fā)熱設(shè)備的測溫，通過兩組的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對考證。移動式紅外熱成像可以完成遠(yuǎn)距離的區(qū)域測溫，我們采取一個(gè)5分鐘的周期，為了能夠更好的展示溫度的變化，特別選在了夏季晚上八點(diǎn)開始，維持60分鐘的測量時(shí)間，測量結(jié)果如下表格。通過對無線測溫結(jié)果與在現(xiàn)場手持測溫儀點(diǎn)測的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，溫度的區(qū)間變化比較大，但波動的范圍沒有超出實(shí)際變壓器運(yùn)行的溫度范圍，利用實(shí)地測量的數(shù)據(jù)可以對變壓器的運(yùn)行狀況作出判斷[4]。

4結(jié)語

綜合紅外測溫平臺是由智能移動終端和紅外熱成像設(shè)備組成的，它可以完成對紅外測溫功能的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備的可見光圖像和熱狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、在線綜合管理控制，同時(shí)經(jīng)過對紅外熱成像信息數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析和探究，為檢修設(shè)備、更換設(shè)備、運(yùn)營維護(hù)、測溫等提供重要參考憑證，具備和應(yīng)有較高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。在變電設(shè)備和通電設(shè)備的檢查與維護(hù)方面需要加大人力的投入，智能手機(jī)咋紅外線成像溫度檢測軟件可以更加有效的完成對變電、通電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)將得到的信息傳送到工作人員的手機(jī)上面，大大的化簡了電力系統(tǒng)的工作人員對電力設(shè)備的實(shí)行維修保護(hù)的工作程序。

參考文獻(xiàn)：

[1]周衛(wèi)兵.基于智能手機(jī)系統(tǒng)的紅外測溫儀[J].益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，17（02）：82-85.

[2]張文，楊兵，鄭祥，湯建偉.紅外測溫過程中測試距離對測溫精度的影響分析[J].自動化與儀器儀表，2018（07）：45-47.

[3]錢琳琳，劉婷.基于Android系統(tǒng)的人體智能體溫計(jì)設(shè)計(jì)與研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2018，33（10）：96-99.

[8]楊全會，劉麗軍.基于智能手機(jī)終端的非接觸測溫儀的研制[J].儀表技術(shù)，2015（02）：5-8