魏紹亮，韓連偉，程奉玉

〈測(cè)量技術(shù)〉

改善環(huán)境光照對(duì)強(qiáng)反光體表面紅外測(cè)溫精度影響的補(bǔ)償算法研究

魏紹亮，韓連偉，程奉玉

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

針對(duì)鋁業(yè)加工中的軋輥表面光滑，具有強(qiáng)反光特性，紅外測(cè)溫傳感器測(cè)溫易受環(huán)境光照影響，致使軋輥表面測(cè)溫精度低，影響冷卻控制系統(tǒng)對(duì)軋輥表面降溫處理精度，進(jìn)而造成產(chǎn)品質(zhì)量差的現(xiàn)象，本文提出并構(gòu)建了一種基于光照強(qiáng)度的紅外測(cè)量溫度補(bǔ)償算法，以提高環(huán)境光照對(duì)強(qiáng)反光體表面溫度測(cè)量的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本方法能較好地彌補(bǔ)光照強(qiáng)度變化對(duì)紅外溫度測(cè)量產(chǎn)生的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。該補(bǔ)償算法運(yùn)算簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，為改善光照強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量精度的影響提供了新的方法。

強(qiáng)反光體；紅外溫度傳感器；測(cè)溫精度；光照強(qiáng)度；補(bǔ)償算法

0 引言

精確測(cè)量溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中重要的基本數(shù)據(jù)之一，有利于安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等。由于工業(yè)生產(chǎn)所處的環(huán)境以及空間的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)溫要求，對(duì)非接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)溫技術(shù)的需求越來(lái)越大。紅外測(cè)溫傳感器具有測(cè)溫范圍大、無(wú)熱慣性、響應(yīng)速度較快的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足眾多場(chǎng)合對(duì)溫度測(cè)量范圍和精度的要求，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。

鋁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的基礎(chǔ)原材料，廣泛用于建筑、包裝、交通運(yùn)輸、電力等領(lǐng)域。鋁制品生產(chǎn)離不開(kāi)軋輥的作用，鋁業(yè)加工中的軋輥表面光滑，具有強(qiáng)反光特性，屬于直線光軸類(lèi)的輥狀體。在帶材軋制過(guò)程中，軋件的熱量以及軋件受到擠壓變形所釋放的熱量都將使軋輥的溫度升高，并沿其軸向方向產(chǎn)生熱凸度，進(jìn)而影響帶材的加工質(zhì)量。軋輥由于表面反復(fù)受到來(lái)自帶材的急熱和冷卻液造成的急冷，極易產(chǎn)生疲勞破壞，從而發(fā)生生產(chǎn)事故[4-5]。因此，在鋁板材軋制過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軋輥表面溫度分布情況是對(duì)軋輥表面溫度精確控制的重要先決條件。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)表明[5-11]，目前研究者主要集中在研究紅外溫度傳感器對(duì)物體表面進(jìn)行溫度測(cè)量的方法及物體表面發(fā)射率、測(cè)量距離等因素對(duì)測(cè)溫精度的影響原因，而關(guān)于環(huán)境光照對(duì)強(qiáng)反光體表面溫度測(cè)量精度影響的研究文獻(xiàn)較少。本文從紅外測(cè)溫原理出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了不同光照強(qiáng)度對(duì)強(qiáng)反光體表面溫度測(cè)量精度產(chǎn)生的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而建立強(qiáng)反光體基于不同光照強(qiáng)度的紅外測(cè)溫補(bǔ)償算法，提高強(qiáng)反光體表面測(cè)溫精度。

1 紅外測(cè)溫原理

自然界中，任何物質(zhì)內(nèi)部的帶電粒子都是處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)物體溫度高于熱力學(xué)溫度0K（攝氏溫度－273.15℃）時(shí)，物體就會(huì)不停地向外輻射紅外能量[6]。物體向外輻射的紅外能量大小與波長(zhǎng)和物體溫度有關(guān)，因此可以通過(guò)測(cè)量物體向外輻射的紅外能量，進(jìn)而得到物體表面溫度的精確值，這就是紅外測(cè)溫的基本原理[7-8]。

黑體輻射理論指出理想狀態(tài)下可以把輻射物體看作一個(gè)黑體。它吸收的能量不能反射、折射等，全部輻射出來(lái)。普朗克定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度條件下按其波長(zhǎng)分布的規(guī)律[9]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：bb(,)為黑體輻射能量密度，W/(mm×m2)；1為第一輻射常數(shù)，1＝2p2＝(3.7415±0.0003)×10－16W×m2；2為第二輻射常數(shù)；2＝/＝(1.43879±0.00019)×10－2m×K；為光波的輻射波長(zhǎng)，mm。

在任何溫度下，能全部吸收投射到其表面上的任意波長(zhǎng)輻射能的物體稱(chēng)為絕對(duì)黑體。絕對(duì)黑體的吸收系數(shù)為1，而反射系數(shù)為0，除按一定要求設(shè)計(jì)的腔體近似為黑體外，絕對(duì)黑體在自然界是不存在的。所有物體的表面反射系數(shù)都小于1，稱(chēng)之為灰體?；殷w的紅外輻射度一般都不直接測(cè)量，而是通過(guò)與同溫度下的黑體輻射度的比值來(lái)表示[10]。比較實(shí)測(cè)物體與黑體在各個(gè)溫度、波長(zhǎng)的法向輻射度的關(guān)系，可以得到如下關(guān)系式：

＝(,)×bb(2)

式中：是實(shí)際接收到的輻射度；為發(fā)射率，是關(guān)于溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，絕大多數(shù)熱輻射物體發(fā)射率是隨著波長(zhǎng)的變化而緩慢變化的，具有較強(qiáng)的魯棒性，因此一般可以把發(fā)射率看作常數(shù)。

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律：

bb＝×4(3)

式中：為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，＝5.67032×10－8(W×m－2×K－4)；為物體的熱力學(xué)溫度。

該定律指出，黑體的輻射度正比于它的熱力學(xué)溫度的四次方。這一結(jié)論不僅對(duì)黑體是正確的，而且對(duì)于任何實(shí)際物體也是成立的。實(shí)測(cè)熱輻射物體的輻射度為：

＝()4(4)

式中：()為溫度為時(shí)全波長(zhǎng)范圍的材料發(fā)射率，也稱(chēng)之為黑度系數(shù)。式(4)為輻射式溫度計(jì)測(cè)溫提供了理論依據(jù)。

由紅外測(cè)溫原理及實(shí)際情況可知，在實(shí)際環(huán)境中實(shí)測(cè)物體除了自身紅外能量輻射外，還有其他形式的輻射能量，不同溫度的物體之間不斷進(jìn)行輻射能量交換，即處在輻射熱平衡狀態(tài)[11-12]。對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行表面溫度測(cè)量時(shí)，物體輻射的能量不僅僅來(lái)自于物體自身，同時(shí)也會(huì)包括來(lái)自環(huán)境光照射溫度的能量，這部分能量照射在物體表面再經(jīng)過(guò)反射也會(huì)被紅外測(cè)溫系統(tǒng)接收，影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此以外還會(huì)有某些能量通過(guò)被測(cè)物體透射進(jìn)入紅外測(cè)溫系統(tǒng)并被接收，進(jìn)一步影響測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性[13-14]。本實(shí)驗(yàn)中使用的樣品光軸具有良好的無(wú)透射紋理，在實(shí)驗(yàn)中忽略透射能量影響。

本文主要探討環(huán)境光照強(qiáng)度對(duì)紅外測(cè)溫傳感器測(cè)量精度的影響規(guī)律，建立光照強(qiáng)度變化與溫度之間的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建補(bǔ)償算法補(bǔ)償環(huán)境光照產(chǎn)生的測(cè)溫誤差。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

鋁板材加工設(shè)備中的軋輥具有表面光滑、強(qiáng)反光等特性，而且質(zhì)地細(xì)密、無(wú)透射性，本實(shí)驗(yàn)選擇反光性能較好的鋁合金棒材作為測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)紅外傳感器工作參數(shù)和鋁板材實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工況搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，合金棒材通過(guò)軸承固定在一定高度的固定支架上，紅外傳感器安裝在距離棒材500mm的另一支架上。為了保證實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)可靠，不受其他環(huán)境光照因素的影響，本研究測(cè)試實(shí)驗(yàn)均在河南理工大學(xué)精密工程研究所進(jìn)行，在研究所內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立密閉空間，周邊做了消除反光處理，并設(shè)計(jì)了光源安裝支架，通過(guò)改變光源，探尋紅外傳感器測(cè)溫精度隨光源光強(qiáng)變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持紅外入射角度為0，改變環(huán)境光照強(qiáng)度開(kāi)展測(cè)試實(shí)驗(yàn)。具體測(cè)試環(huán)境如圖1所示，圖中(a)圖是弱光源實(shí)驗(yàn)，圖(b)是強(qiáng)光源實(shí)驗(yàn)。

2.1 黑暗無(wú)光（光照強(qiáng)度為2lx）條件下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

選用帶有IS（infrared scanner）激光瞄準(zhǔn)的紅外傳感器，鋁合金棒材的發(fā)射率為0.02～0.1。通過(guò)對(duì)固定點(diǎn)的反復(fù)測(cè)量，確定測(cè)量對(duì)象鋁合金棒材的發(fā)射率為0.058，此時(shí)的誤差在1℃以?xún)?nèi)，具體測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

圖2中軸代表實(shí)際溫度，軸代表紅外傳感器的測(cè)量溫度。由圖2可知測(cè)量曲線相對(duì)比較平滑，無(wú)極端值，與＝曲線（即實(shí)際溫度與測(cè)量溫度相等）基本吻合，紅外溫度傳感器測(cè)得的溫度數(shù)值與實(shí)際溫度值之差不超過(guò)1℃，且大部分誤差都在0.6℃以下，滿(mǎn)足了測(cè)溫誤差的要求。

圖2 光照強(qiáng)度為2lx時(shí)的紅外測(cè)溫結(jié)果

2.2 不同光照強(qiáng)度下紅外傳感器的溫度測(cè)量

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以確定所選用的鋁合金棒，其發(fā)射率為0.058。在實(shí)驗(yàn)中固定其發(fā)射率并保證測(cè)量對(duì)象溫度恒定，通過(guò)改變鋁合金棒材表面的光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中選取棒材的固定溫度分別為：130℃、140℃、150℃、160℃、170℃和180℃，同時(shí)選擇的光照強(qiáng)度分別為：50lx、60lx、70lx、80lx、90lx、100lx、110lx、120lx、130lx，測(cè)量結(jié)果如圖3(a)～(f)所示。

圖中紅色曲線代表棒材的實(shí)際溫度，綠色曲線代表紅外溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色曲線是誤差曲線。通過(guò)觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)棒材表面溫度分別為130℃、140℃、150℃、160℃、170℃和180℃時(shí)，在9個(gè)不同光照強(qiáng)度情況下，紅外溫度傳感器所測(cè)量的棒材樣本的溫度數(shù)據(jù)也是不同的。當(dāng)棒材表面的光照強(qiáng)度不同時(shí)，其測(cè)量結(jié)果均高于實(shí)際溫度，且隨著光照強(qiáng)度的增大，測(cè)量誤差越來(lái)越大。因此，在用紅外溫度傳感器對(duì)具有強(qiáng)反光特性的棒材進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果總是正向偏離真實(shí)值，且隨著光照強(qiáng)度的增大，正向偏離程度逐漸增大。

圖3 不同溫度下不同光照強(qiáng)度時(shí)的測(cè)量結(jié)果與誤差

3 不同光照強(qiáng)度下的紅外測(cè)量補(bǔ)償算法

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，假設(shè)變量為待測(cè)物體表面光照強(qiáng)度的函數(shù)，記為()。函數(shù)()定義為光照強(qiáng)度的補(bǔ)償因子，則斯特藩-玻爾茲曼公式可表示為：

M＝()×()4(5)

式中：M是被測(cè)物體在光照強(qiáng)度為時(shí)的輻射量，紅外溫度傳感器所接收的紅外波長(zhǎng)為1.6mm，且()為常數(shù)，公式(5)可轉(zhuǎn)化為：

M＝()×4(6)

式中：是一個(gè)常量，它是在特定條件下獲得的特定值，其值由()和確定，＝()×將函數(shù)關(guān)系與溫度變化結(jié)合可以得到公式(7)：

M＝×(L()×)4(7)

式中：L()是溫度與光照強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)。將輻射量的變化通過(guò)溫度來(lái)反映，則不同光照強(qiáng)度條件下紅外溫度傳感器測(cè)得的溫度T為：

T＝L()×(8)

由圖3可知，紅外溫度傳感器測(cè)得的溫度值隨被測(cè)物體表面光照強(qiáng)度的變化而變化，分析同一溫度下不同光照強(qiáng)度條件下的測(cè)量結(jié)果，確定L()，并初步證實(shí)了L()的變化。為了進(jìn)一步揭示L()的變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)連續(xù)變化的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，具體測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4中，10條曲線分別對(duì)應(yīng)10種不同光照強(qiáng)度條件下的測(cè)量結(jié)果，即2lx、50lx、60lx、70lx、80lx、90lx、100lx、110lx、120lx、130lx。橫坐標(biāo)表示被測(cè)量物體的真實(shí)溫度，縱坐標(biāo)表示紅外溫度傳感器的實(shí)際測(cè)量溫度。圖中的紅色曲線是參考曲線，它是被測(cè)對(duì)象在黑暗中（即光照強(qiáng)度為2lx）的標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線，而其他曲線均分布在紅色曲線上方，因此，可以得知系數(shù)L()的取值大于1。通過(guò)比較參考曲線與另外9條溫度曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著光照強(qiáng)度的不斷提高溫度曲線在緩慢地向上移動(dòng)，說(shuō)明隨著光照強(qiáng)度的增大實(shí)際測(cè)量值在不斷地變大，誤差在逐漸地增大。絕對(duì)誤差分布如圖5所示。

觀察圖5可知，絕對(duì)誤差隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，而且每組數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，但也出現(xiàn)了個(gè)別突變情況，分析可得，產(chǎn)生突變的原因主要由以下因素造成：

1）表面熱電偶在對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致熱平衡被打破；

2）測(cè)試過(guò)程中熱電偶和紅外溫度傳感器對(duì)溫度變化的反應(yīng)時(shí)間不同，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不同。

考慮到工程測(cè)試的精度要求，選擇采用構(gòu)造補(bǔ)償公式的方法來(lái)減小測(cè)量誤差。通過(guò)觀察圖4的數(shù)據(jù)分布可以發(fā)現(xiàn)，不同光照強(qiáng)度條件下的紅外溫度測(cè)量結(jié)果之間存在線性關(guān)系，所以可以通過(guò)最小二乘法擬合出補(bǔ)償算法。

圖4 不同光照強(qiáng)度條件下實(shí)際溫度與測(cè)量溫度比較

圖5 不同光照強(qiáng)度下測(cè)量溫度的絕對(duì)誤差

由圖4和圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出幾組不同光照強(qiáng)度下紅外溫度測(cè)量結(jié)果的補(bǔ)償公式：

50lx：E＝1.0029－2.746

60lx：E＝1.0042－3.6777

70lx：E＝1.0046－4.8873

80lx：E＝1.0047－5.6099

90lx：E＝1.0052－6.4880 (9)

100lx：E＝1.0065－7.7009

110lx：E＝1.0068－8.6374

120lx：E＝1.0071－9.8010

130lx：E＝1.0084－10.9972

由公式(9)可知，各個(gè)補(bǔ)償公式中的一次項(xiàng)系數(shù)的值均接近于1，故可構(gòu)建關(guān)于光照強(qiáng)度的通用補(bǔ)償公式：

b＝E＋() (10)

式中：b為補(bǔ)償后的溫度值；()是與被測(cè)對(duì)象表面光照強(qiáng)度有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式，分析公式(9)中的補(bǔ)償公式，做出補(bǔ)償系數(shù)散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)其呈線性關(guān)系。如圖6所示。

應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，構(gòu)建出不同光照強(qiáng)度情況下，紅外溫度傳感器測(cè)量結(jié)果的通用補(bǔ)償算法公式為：

b＝E＋(6.0838－5)×＋1.0001 (11)

為了驗(yàn)證補(bǔ)償公式的正確性，根據(jù)公式(11)對(duì)不同轉(zhuǎn)速的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償修正，修正結(jié)果如圖7所示。

圖7中，10條曲線分別代表10種不同光照強(qiáng)度情況下使用補(bǔ)償公式對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正曲線，橫坐標(biāo)代表被測(cè)樣本的實(shí)際溫度，縱坐標(biāo)代表補(bǔ)償后的溫度。比較圖7與圖4可知，補(bǔ)償算法修正后的測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度基本一致，表明本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的補(bǔ)償算法可以有效地提高強(qiáng)反光體在不同光照強(qiáng)度下的紅外測(cè)溫精度與穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文基于斯特藩-玻爾茲曼定律和普朗克定律，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，深入分析了紅外測(cè)溫的原理，同時(shí)改變環(huán)境光照強(qiáng)度對(duì)強(qiáng)反光物體的表面溫度進(jìn)行測(cè)量，并系統(tǒng)分析了測(cè)量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于斯特藩-玻爾茲曼定律的紅外補(bǔ)償算法，并得出如下結(jié)論：

圖6 補(bǔ)償系數(shù)與光照強(qiáng)度的關(guān)系圖

圖7 補(bǔ)償算法修正后的溫度分布曲線

1）當(dāng)被測(cè)物體表面光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，其表面紅外溫度測(cè)量值會(huì)隨之發(fā)生變化，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，測(cè)量誤差越大，測(cè)量值向上偏離真實(shí)值。

2）基于光照強(qiáng)度所構(gòu)建的紅外溫度測(cè)量補(bǔ)償公式降低了強(qiáng)反光體表面光照強(qiáng)度變化對(duì)紅外測(cè)量精度的影響，提高了強(qiáng)反光體表面溫度測(cè)量的精度。

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Compensation Algorithm to Improve the Influence of Ambient Light on the Infrared Temperature Measurement Accuracy of a Strong Reflector Surface

WEI Shaoliang，HAN Lianwei，CHENG Fengyu

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

A roll surface in aluminum processing is smooth, has strong reflective characteristics, and is easily affected by ambient light when using an infrared temperature sensor to measure the temperature, resulting in low temperature measurement accuracy on the roll surface. The cooling control system affects the precision of cooling treatment on the roll surface, resulting in poor product quality. In this study, an infrared temperature compensation algorithm based on light intensity is proposed and constructed to improve the accuracy of ambient light measurement of the surface temperature of a strong reflector. Experimental results show that this method can compensate for measurement errors caused by changes in illumination intensity, thereby improving the measurement accuracy. The algorithm is simple and adaptable and provides a new approach to strengthening the accuracy of temperature measurement given speed change.

strong reflector, infrared temperature sensor, accuracy of temperature measurement, illumination intensity, compensation algorithm

TH701

A

1001-8891(2020)12-1179-06

2020-02-20；

2020-03-17.

魏紹亮（1969-），男，博士，教授。主要研究方向：機(jī)電測(cè)試與控制、智能儀表設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸與處理。E-mail：wsl_ify@163.com。

河南理工大學(xué)博士基金（B2016-29）。