1、自动校准红外测温仪低温测量摘要 本文介绍了自校准技术消除热梯度引起的测量误差在热电堆红测温，特别是当测量低温。这种自我校准中的应用方法包括在食品工业中低温测量远程温度监测的红外测温仪在寒冷的气候。报告中的自校准技术本文所示，以减少测量误差内，1C 范围内极端热冲击 5 秒，比不收回，直到无偿温度计热梯度被删除。根均方的温度热冲击试验期间的噪音小于 0.2C。这种技术是专利申请的主体和可以适用于任何利用热电堆红外测温仪，无论热电堆的大小和几何形状。指数校准，红外探测器，红外辐射的影响，温度测量，热电装置。一 导言事实上，红外（IR）温度测量所有温度高于绝对零度的问题（-273.15三）辐射能量的
2、基础上。发射的能量分布在给定温度的电磁频谱马克斯普朗克在 1901 年描述1。他的黑体辐射在每一个非接触式红外测温仪中心法（1）L(,，T)，=2hc25 e，hckT，1 (1)其中大括号是（，T） ，光谱辐射亮度（WM-3SR-1）;T 是对象温度（开尔文）; 是波长（米）的;普朗克常数 h=，6.626110-34JS;C 的光速=2.9979108MS-1;k 玻尔兹曼常数=1.380710-23JK-1。测量使用低温红外测温是困难的红外能量的少量最后，2010 年 9 月 6 日修订，2010 年 10 月 29日;接受 2010 年 12 月 1 日。2011 年 3 月 3 日出
3、版日期;当前版本的日期 2011年 5 月 11 日。这项工作是支持的，一部分由工业奖学金从 1851 年的展览和部分皇家委员会的 ERA 基金会。副主编，乔治肖博士。T.巴里和 G。富勒 Calex电子有限公司，LU7 4TZ 贝德福德英国。K.HayatlehJ.Lidgey 与技术学院，牛津布鲁克斯大学，英国牛津 OX33 1HX。数字对象标识符 10.1109/TIM.2011.2113123 目标 8-14 微米波段，否则被称为长波长的红外（长波） ，由于通常选择峰值发射温度范围为-50C 至+50彗星发生在这个波段。探测器类型的选择长波测量是非常有限的。对于军事和实验室使用，碲镉汞
4、光子探测器是首选因其高的比探测相比，感温探测器2。然而，其成本更高数量级的几个订单比传统的热探测器，如热电。它是这个原因，他们在室温下操作的能力工业应用的首选探测器是热电， 。当测量低能量热排放温度计的光学组件，以及内热探测器内设立的梯度时，如果没有适当的补偿，可引起显著的测量误差。在食品工业中，监测冷冻食品在运输过程中的产品的保质期温度是关键的要求，并需要有能力的非科学的人才进行测量，要求无论在环境变化的都能重复测量温度。传统的接触式温度探针测量没有温度的对象，但平均气温有其对象和探头。因此，如果有足够的时间不允许探针接触热平衡与样品，测量将不准确。接触式探头同时进行红外测温仪会有不交叉污染
5、的风险。红外温度测量环境温度在零下也就是镜头上的一个挑战，因为冰的形成，可以阻断红外能量。这是可以克服的加热光大会，但诱导热休克显着降低测量精度。在本文中，我们提出了一个自校准能力的方法消除红外错误，由于热梯度温度计，使它们能够适合精确测量低气温在零度以下的环境操作温度。二 严格审查，热电堆基红外测温其中最显著的来源错误是 lowtemperature 使用热电堆探测器的红外测量热偏移电压。这些都是造成环境温度传感器和其相关的光学组件交换能源与热电吸收剂。自热电差分器件，电动势每当有一个热电减震器和对象之间的差，在其视野内产生。在这方面的领域，不管是不是光场仪器，但是只要是半球领域，这热电减震
6、器就可以接收辐射能量。如图。1，在一个典型的红外测温仪，这一领域的的观点，将包括热电住房，光学过滤器窗口，光管，包括任何光圈，镜头，并任何外部的小孔。图 1。显示查看总场光学大会的横截面热电减震器。这表明，能源热电减震器交流镜头，光管，过滤器窗口以及热电住房。整个光学组件的热梯度可以暂时性的稳定。瞬态梯度时，会出现仪器还没有落户在它的周围的情况。幅度这些错误会有从不同传感器稳定状态的方法。有时可能发生在上电电子元件内的传感器热由于功耗或当温度计之间移动两个不同的环境温度，如地点温暖的厨房和冰箱里的散步这种情况的例子。在稳定状态，热梯度也可发生，例如，当功耗在传感器的电子元件，导致内部温度要保持
7、在较高的温度传感器比外界的空气温度，或者如果一个热的物体，如热水器是在不断接近传感器造成辐射或进行加热。如果对象测量接近仪器，稳态热梯度往往会存在因加热或冷却影响的对象。为了量化的温度测量由于热梯度而产生的误差，设计了一个测试，一个可重复的源热量可应用于光学大会，引起了热梯度。光学大会的一个截面所示图 2，由光学住房，镜头聚焦红外能量，承运人可以有选择性地定位的热电相对的镜头，以及热电堆探测器。灵活的热垫后方的光学组件，所以缠重复剂量的热能可以注入房屋，导致发生瞬态热梯度。热通过光学大会前进行到散热器，造成旋转不对称的热梯度如图 2，一旦一个稳定的状态已经达成。供电隔热垫，在指定的时间比较之间
8、的热电测试是可能的。对于本文中所描述的测试，加热器通电 5 分钟内，从测试开始 1 分钟。总测试时间为 20 分钟。这模拟了一个未来的热量来源用温度计到接近，造成显著光学大会在其短暂的热梯度。整个光学组件的热梯度随时间变化，从而在不同的热偏移电压。在实际应用中温度计须在环境温度低于 0 摄氏度进行测量。在这一个方面没有什么不同，加热器测试可以用来加热的镜头，以防止阻塞霜视野。这个测试的结果，因此直接相媲美的，可预期的结果时，加热器在这样的应用程序循环。在手持式红外测温仪用于温度测量的冷冻食品，热梯度引起的仪器被移动从温暖的环境温度，如办公室在 25C，进入寒冷的环境温度低于 0C 的 Walk
9、in 被冷冻。在这种情况下，所提供的一些绝缘房屋的温度计，但由此产生的热梯度仍然会导致显著的测量误差。因此，此测试直接的一个热冲击性能指标红外测温仪。图 2 稳态热梯度跨越光学测试夹具。图 3 热电堆的热休克反应的比较。样品 1 有领域的 90和热冲击性能进行了优化。样品 2 是来自同一制造商的标准热电和有视野 110。图 3 显示了一个响应之间的比较热休克优化热电描述6和测量时从同一制造商的标准热电 0彗星黑体源。图 4。热电样品 3，4 热休克反应的比较，5。样品 3 与 TO-，18 房屋的 120 视野，样品 4 有一个70，和样品 5 领域的 TO-，5 房有一个 TO-，5 住房与
10、 100领域。根均方根（RMS）噪声温度 TN 在测试期间是 6.3C 的样品 1 比 21.0C 的样品 2。优化是通过增加热电住房的热质量，从而减少热梯度的大小，并安装过滤器窗口外部删除领域的高发射率的胶水鉴于热电减震器。这些解决方案是针对热电是不作为的一部分使用的应用程序精密光学组件，例如，汽车气候控制7或耳温枪8。对于这些应用，增加的热电堆的热质量产生显著改进，8可以证明。然而，当用于一个比较大的光学系统，将改善在图的结果显示，少显著。3。此外，如果使用低传输镜片材料9，所排放的废气从镜头将进一步降低的准确性。一些改善看出是由于高发射率的胶粘剂，用于举行的地方过滤器窗口，从外地被删除由
11、于其外部安装位置所吸收。然而，改善很大一部分可以归因于光圈大小的两个样本之间的差异。虽然样品 2 有限制的领域的开放，热电吸收角度为 110限制，样品 1 至 90。这减少了半球的一小部分被占领高发射率的光管。这个结论是进一步证明图 4 三个热休克反应在他们的房屋形状，只有不同的热电显示。尽管在规格相同的热电基板，对 TN 的最高值是出现在热电最广泛的领域的观点，即样品 3 场角 120其中 TN=20.6C。对 TN 的最低值取得样品 4，最窄的视场角查看 70，造成 8.1C.，RMS 温度噪音 5 样品，其中有 100 场角，结果在 17.5C， TN 此外，减少视野热电提高产量，提供，
12、光圈镜头没有限制。然而，光温度计的性能将受到影响因在内部反射，低辐射热电住房，错误仍然不能降低到可接受的水平。7中提出的第二个解决方案涉及的使用热模型探测器或光学住房用于预测的尺寸误差率的基础上冷端温度的变化。同样，在独立其中几何形状简单，热电应用探测器是小，这是一种可行的选择，但是当提出图的光学组件。2，复杂性实在太大了。热模型将是多方面的，需要不仅冷端温度的变化率而且多点温度测量大会所提出的建议10热漂移补偿在热成像摄像机。数量越多销售依靠的温度测量计算后。 ，更大的公差累积误差。此外这个缺点，整个形状的热梯度大会是有着不可预测的性质。在一侧的热源光学大会，会导致旋转不对称温度曲线。因此，
13、要准确预测幅度热误差，必须分为光学大会 段的总热偏移电压。VTO=n=Nn=1FA nAnA(L(Tn) L(TA)+Rn+Tn (2)其中 VTO 热偏移电压（毫伏）; 响应（伏在每瓦）;FA，-，N 段 n 和热电堆因素吸收剂;热电堆吸收面积（平方米）;N 段 的发射率;A 吸热电减震器;L（田纳西州）段的温度的黑体辐射率 （W，M，-，2，SR，-，1）;L（TA）在热电堆的温度的黑体辐射率吸收器（W，M，-，2，SR，-，1）;R，N 段 n 从段反映的辐射功率 1 到 n;T，N 辐射功率通过段 n 从传播段 1 到 N 根据这个方程，精度误差电压预测将成为更大的增加值 N，但是这会
14、导致一个所需的温度较高测量，这反过来，会增加更大的数目测量的不确定性。其他寻求克服了热梯度问题内部功耗引起的减少流热量可以达到热电堆探测器的背面。 “最有效的解决这个问题提出 Calex 电子有限公司，英国，11提出类似的解决方案12。此方法可减少通过利用热梯度挠性印制电路板电气连接电子电路之间的温暖和热电堆。 “薄轨道具有导热系数低，从而降低了热电堆的热流。他们还安排等由电子所产生的热量被转移到前面的光学组件，然后均匀地消散它的长度。虽然这成功减少的幅度内部的热量来源所造成的热梯度，未能解决由外部来源所造成的。上述分析表明，改进可以通过热流阻碍光大会和精心设计的热电光圈限制高发射率表面可见的
15、热电减震器。然而，一个理想的解决方案，将制定一个动态校准方法能够减少热偏移到可接受的水平，而不需要任何先前的错误整个热梯度的大小或形状的知识光学组件。理想的情况下，接触温度测量应保持在最低限度，以减少测量的不确定性。下一节介绍这样的解决方案。三 解决方案为基础的自校准为了解决这个问题，我们必须思考的时间仪器给予正确的阅读，即是肯定的，当它在一个稳定的环境温度校准。对于一个标准红外温度传感器，可用于两点校准适合普朗克的黑体曲线的测量热电在两个已知的温度下的电压。之间的关系热电电压和物体的温度显示在（3） ，其中 k 是由光学系统中定义的常量和热电堆的响应， 为对象的发射率，VO 是同一个对象时的
16、热电电压温度和TCJ 是冷端温度热电堆。偏移量（VOS）的总和模拟部件，如运算放大器的失调电压 S（运算放大器）和模拟，-，数字转换器（ADC） 。增益（G）是用来弥补在响应的差异热电和运算放大器电路的增益和 ADC 的 VO，=K/，G（l（针对）-L（TCJ） ）+VOS 的（3）对于二点校准（3）可写为每个校准温度，然后，这两个方程可以合并，并重新安排的形式（4） （5）这是用来计算 G 和 VOS 的G=KL（您好）-L（TO 劳）/旁白嗨-旁白，劳（4）VOS=VO 劳-K/G（L（LO）-L（TCJ） ） （5）请注意，增益校准需要两个来源，但偏移校准，只需要一个。一旦获得已校准有
17、两个来源，只有一个来源是需要为了校正偏移。至于（2）表明，在热失调电压是直流偏移是独立的对象温度测量。这意味着，热偏移电压将有相同幅度不分对象温度。如果单点校准是使用当热梯度存在一个已知的温度源整个光学组件，热偏移电压被吸收到偏移的长期（VOS） （5） ，并将于随后的读数中删除。因此，通过提供一个内置的校准源的仪器，热偏移电压可以校准前一个测量，从而增加了仪器的精度，在实验室条件下观察。图 5 光学镜头组成的大会的建议，光学截面住房，热电，可以有选择性地定位和快门叶片（一）要么完全填充或（B）完全从光路中删除。视野是 100 摄氏度。图 5 显示了光学大会提出的截面13作者。光学组件包括热电
18、堆探测器，镜头聚焦到红外能量探测器，光学住房热电和镜头安装电可操作的快门叶片可以选择性地定位，要么完全占据光学路径或完全从光路中删除。在图 5，左视图显示位置（A）在快门完全占据了仪器领域。 “右视图显示位置（B）在快门叶片完全从视野。高的发射率快门叶片有一个接触温度传感器，一个热敏电阻，如，安装光轴精确地测量其温度。至关重要的是，温度计内的所有表面这是可见的位置热电（二）也可见的位置（一） 。这将确保所有热元件偏移电压贡献都将被删除。快门叶片开始占据光路，快门温度测量，后跟一个热电电压和冷端温度的测量。使用这些测量和（5） ，偏移电压计算。在这种情况下，快门叶片温度销售使用接触式温度传感器测
19、量， 是。快门叶片的发射率。快门叶片，然后完全从光路，使一个明确的视线之间的镜头，要测量的对象。测量热电电压和冷端温度，物体的温度的计算方法（3） 。因此，由此产生的温度计算失调电压热梯度被删除。虽然已采用机械快门热成像相机使用微测阵列删除漂移造成不同的环境温度14，-，16在这些设备中，快门叶片通常用作一个黑暗参考产生一个框架，这是随后减去从图像帧。由于快门是没有黑暗的，但排放到探测器的能量，这种方法只准确测量时快门排放短波可以忽略不计。在相机快门叶片是作为温度参考使用，它是内部的光学大会，因此不删除热偏移电压光学元件，外部孔径，或捐款光学住房。例如，在14，快门叶片是定位背后的光学过滤器，
20、限制了波段进入仪器的红外能量。由于探测器敏感的红外能量，光学系统的宽带宽成为一个“封闭的盒子”在阻塞的波段，所以检测器检测到的辐射增加。在不同的环境温度，这将进一步减少漂移校准的准确性。图 6 顶部：快门温度（TS）和冷端温度（TCJ）mperature，measuremenover 测试时间。底部：职位快门叶片的热电电压（A）和（B）和 VOS 的计算结果。四 溶液测试本文第三节所述的测试重复建议的光学组件。在此之前的测试中，增益（G）和初始失调电压（VOS）在校准热稳定的环境中使用黑体 0彗星和 100C。大会是定位，0彗星黑体完全占领其视野。对于在测试期间，快门温度，冷端在快门打开，温度
21、和热电电压（二）和快门关闭（一）国家记录。从这些记录数据，失调电压 VOS 和温度补偿测量，计算每个样品的时间。图 6 显示了在测试期间记录的数据。冷端温度迅速上升时，加热器被激活，和快门的温度也上升由于进行，通过热光学组件。可以看出热电电压下降之间的冷端和温度差异对象，和冷端和快门的增加。该图还显示了测试期间的计算偏移的 VOS。这是电压加到电电压 VOTS（二）的结果如图补偿测试 7。图 7。热电样品 4 和无 selfcalibration 的测量误差表明成功删除的自标定方法测量误差。比较图中的样品之间的补偿和无偿的温度测量。图 7 显示了优秀的在热冲击性能的改善。样品 4，TNC 的温
22、度计读数下降至 0.2 在，1C 的精度在 5 小号的加热器接通。样品 5 恢复到一个，1彗星精度内测试期间的 1.0C.与TN，15，s 以上这些结果都取得了显著改善，显示决定性实施这一方法。关闭检查图的自校准数据。图 7 所示一个小的测量误差时发生的热水器是第一接通和先关掉。这可以归因于光学大会瞬息万变的温度，从而导致通过一段时间的变化在热偏移电压之间的热电堆的输出电压采样职位（A）和（二） 。通过使用热电和测量更快的响应时间，电路之间的时期可以减少测量。这将减少由此产生的测量误差范围内保持在一个时间的准确性热稳定性。使用这种技术的红外测温仪的响应时间插入光学快门所需的时间是有限的并采取必
23、要的测量。在原型测试，这个时间是 1 的顺序号在应用中这项技术是最有用的，例如，测量速冻食品项目，1 秒的反应时间是接受的，因为测量点测量，而不是连续的。对于应用场合的连续测量定期快门校准是必需的，是用来维护的准确性。今后的工作将涉及创建算法估计所需的校准频率经快门温度和冷端温度的变化率。这将使温度计执行一段时间内的最低数量的校准，而维护要求 accuracy.V。五 结论本文所提出的结果显示， ，采用自校准方法，测量在热电基于红外热梯度引起的错误温度计可以显着降低内测量在热稳定条件下预期的准确性。虽然标准的红外测温仪存在将保持温度测量稳态热视野内的光学元件之间的梯度热电堆的偏差，但是红外测温
24、仪可以利用的建议方法是将测量误差保持在，1C.，这种方法的精确测量是允许环境温度变化的，并也可以用于经营的内部加热器温度计的温度范围内低至-40C。这项技术是目前被纳入新的 IR。并且专为这些应用程序所设计的温度计。参考文献1 M.普朗克 “论正常光谱的能量分布法” 安 物理学 （德国） 第一卷 4 第 553 1901 2 A. Rogalski “红外探测器：概述 ”红外物理 TECHNOL 卷 43 没有 3-5 页 187-210 2002 年 6 月 3; Tsironi E. Dermesonlouoglou M. Giannakourou P. Taoukis“冷冻虾的货架寿命建
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