CN111579086A - 一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法 - Google Patents

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杨晓宇
卢青
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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Abstract

本发明公开了一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，包括设置传感器作为坐标原点，建立空间直角坐标系；将待测物体按照水平方向从近至远依次增加10cm放置；测量空间中待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；在软件上画出空间中待测物体的直线距离和测量温度值的关系曲线；在空间中随机变动待测物体的位置，并记录随机点位；测量空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；测量空间中随机点位处待测物体的测量温度值和真实温度值；设定待拟合的分段多项公式，并根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式；具有处理方法简便快捷，不需要大量的数据，成本低等特点。

Description

一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法
技术领域
本发明涉及红外测温技术等领域，具体的说，是一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法。
背景技术
红外传感器凭借高精度的特点在生产和生活方面有着重要的应用。红外热传感器的测温原理是黑体辐射定律，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度的变化升高，进而使传感器中一栏与温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射，从而测量出目标的温度。
虽然红外传感器具有高精度和高灵敏度等优点，但红外传感器的精度容易受到传感器自身特性(如角度)、空气浓度、空气湿度、环境温度和探测距离等因素的影响，且不同因素的影响程度不同，因此，对传感器测量的温度数据进行校正就尤为重要。在均匀介质中，由于空气浓度、湿度等各处相同，探测距离便成为影响红外传感器测温精度的最大影响因素。目前现有的温度校正方法大多只针对环境温度的影响而忽略距离因素，而基于距离校正的方法应为范围非常局限，距离的补偿为单一补偿，拟合的校正公式为线性公式，但由于温度传感器的非线性特性，使用线性校正公式得到的结果误差较大。
专利I613426发明专利提出一种非接触式医学温度计装置以及温度补偿的方法，包括IR传感器、距离传感器和红外测温仪和微处理器组件。这种方法只针对于医学场景，不具有通用性。专利CN104568157A提出了一种提高红外测温精度的装置，包括深度相机、红外热像仪、分数器和数据处理单元。数据处理单元用于深度相机获得的深度图像和热图像匹配，对每个测温点进行距离补偿。装置中的深度相机对太阳光等光照因素敏感，此外，深度图像和热成像的分辨率不相匹配，导致测温点补偿的值会有误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，采用分段式多项式拟合方式，利用高精度距离传感器获取距离，红外传感器获取温度，对温度进行距离补偿，以达到精确测量温度的目的。
本发明通过下述技术方案实现：一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，包括下述步骤：
1)设置传感器作为坐标原点，建立空间直角坐标系；
2)将待测物体按照水平方向从近至远依次增加5～30cm放置，优选的依次增加10cm放置；
3)测量空间中待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；
4)在软件上画出空间中待测物体的直线距离和测量温度值的关系曲线；
5)在空间中随机变动待测物体的位置，并记录随机点位；
6)测量空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；
7)测量空间中随机点位处待测物体的测量温度值和真实温度值；
8)设定待拟合的分段多项公式，并根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤1)中将包含红外传感器和激光测距传感器在内的传感器固定在一起作为空间直角坐标系的坐标原点。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤3)具体为利用激光测距传感器测得步骤2)空间中待测物体到红外传感器的水平距离和垂直距离，并计算出空间中待测物体到红外传感器的直线距离。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤4)具体为：在MTLAB软件上画出空间中待测物体到红外传感器的直线距离和红外传感器测量温度值的关系曲线，寻找关系曲线大幅衰减的位置，确定拟合的分段点dist1。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤5)具体为：在空间中随机变动待测目标的位置，记录随机点位为A0,A1,A2,A3,…,An点。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤6)具体为：利用激光测距传感器测得空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离，并计算出空间中随机点位处待测物体到红外传感器的直线距离，记为d0,d1,d2,d3,…dn。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述空间中随机点位处待测物体的测量温度值记为M0,M1,M2,M3,M4,…Mn，所述空间中随机点位处待测物体的真实温度值通过高精度测温仪近点测量并记为T0,T1,T2,T3,T4,…Tn。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述待拟合的分段多项公式，若d0<dist1,则为:
Figure BDA0002497000920000031
若d0>dist1,则为：
Figure BDA0002497000920000041
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式具体为；
8.1)将空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值分别代入到待拟合的多项式公式中，利用Matlab软件，运用最小二乘法，当均方误差和最小时：
Figure BDA0002497000920000042
确定多项式系数k0,k1,k2,k3的值；
8.2)将多项式系数k0,k1,k2,k3的值代入，得到最终温度校正公式
Figure BDA0002497000920000043
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用高精度激光测距离传感器，避免了因使用普通距离传感器而产生的的二次误差；由于红外传感器在超出一定距离范围后，温度衰减值大幅增加，温度特性曲线为非线性，所以为了提高拟合的精确度，使用分段多项式拟合去拟合温度随距离衰减的非线性曲线，确定测量温度与待测目标实际温度值的关系，达到对距离变化的温度补偿目的。
(2)本发明采用在多项式拟合的基础上进行了分段，避免了单一线性拟合和多项式拟合的缺点，使得拟合效果更好，温度校正后的误差减小。
(3)本发明的处理方法简便快键，不需要大量的数据，成本低。
附图说明
图1为使用MLX90640传感器获取的温度和距离的温度表示意图。
图2为在图1的基础上直线距离和红外测温值关系曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
本发明设计出一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，采用分段式多项式拟合方式，利用高精度距离传感器获取距离，红外传感器获取温度，对温度进行距离补偿，以达到精确测量温度的目的，特别采用下述设置方式：包括下述步骤：
1)设置传感器作为坐标原点，建立空间直角坐标系；
2)将待测物体按照水平方向从近至远依次增加5～30cm放置，优选的依次增加10cm放置；
3)测量空间中待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；
4)在软件上画出空间中待测物体的直线距离和测量温度值的关系曲线；
5)在空间中随机变动待测物体的位置，并记录随机点位；
6)测量空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；
7)测量空间中随机点位处待测物体的测量温度值和真实温度值；
8)设定待拟合的分段多项公式，并根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式。
实施例2：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤1)中将包含红外传感器和激光测距传感器在内的传感器固定在一起作为空间直角坐标系的坐标原点。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤3)具体为利用激光测距传感器测得步骤2)空间中待测物体到红外传感器的水平距离和垂直距离，并计算出空间中待测物体到红外传感器的直线距离。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤4)具体为：在MTLAB软件上画出空间中待测物体到红外传感器的直线距离和红外传感器测量温度值的关系曲线，寻找关系曲线大幅衰减的位置，如图1所示，设定0～300cm区间内，间隔10cm的各点位处，采用MLX90640传感器获取的温度和距离的温度值，确定拟合的分段点dist1，如图2所示,在距离为110cm的位置图像出现明显衰减。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤5)具体为：在空间中随机变动待测目标的位置，记录随机点位为A0,A1,A2,A3,…,An点，在移动时，移动的位置不能够重复。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述步骤6)具体为：利用激光测距传感器测得空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离，并计算出空间中随机点位处待测物体到红外传感器的直线距离，记为d0,d1,d2,d3,…dn。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述空间中随机点位处(A0,A1,A2,A3,…,An点)待测物体的测量温度值记为M0,M1,M2,M3,M4,…Mn，所述空间中随机点位处待测物体的真实温度值通过高精度测温仪近点测量并记为T0,T1,T2,T3,T4,…Tn。
实施例8：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述待拟合的分段多项公式，若d0<dist1,则为:
Figure BDA0002497000920000091
若d0>dist1,则为：
Figure BDA0002497000920000092
其中，k0,k1,k2,k3为多项式系数，Ti为第i次高精度测温仪的显示值，Mi为第i次红外传感器的显示值，di为红外传感器和待测目标的直线距离。设定多项式的最高次幂为三次的原因是距离、环境气体浓度、湿度等因素的影响都是以线、面、体积为单位的变化量，且避免了幂次高于三次时会出现严重的龙格现象，从而导致公式温度预测值与温度实际值出现较大的偏差。
实施例9：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式具体为；
8.1)将空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值分别代入到待拟合的多项式公式中，利用Matlab软件，运用最小二乘法，当均方误差和最小时：
Figure BDA0002497000920000093
确定多项式系数k0,k1,k2,k3的值；
8.2)将多项式系数k0,k1,k2,k3的值代入，得到最终温度校正公式
Figure BDA0002497000920000094
其中，Tpre为红外传感器校正值，M为红外传感器测量值，d为空间中待测物体与红外传感器的直线距离。
实施例10：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，包括下述方法：
1、固定红外传感器和激光测距传感器，将其放置在一起作为原点O，建立空间直角坐标系。
2、将待测物体按照水平方向从近至远依次增加10cm放置。
3、利用激光测距传感器测得上述步骤空间中待测物体到红外传感器的水平距离和垂直距离，并计算出空间中待测物体到红外传感器的直线距离。
4、在MTLAB软件上画出空间中待测物体到红外传感器的直线距离和红外传感器测量温度值的关系曲线。寻找曲线大幅衰减的位置，图1为使用MLX90640传感器获取的温度和距离的温度表。确定拟合的分段点dist1。如图2所示,在距离为110cm的位置图像出现明显衰减。
5、在空间中随机变动待测目标的位置，记录其移动的位置为A0,A1,A2,A3,…,An点。注意，移动的位置不能够重复。
6、利用激光测距传感器测得上述步骤空间中待测物体到红外传感器的水平距离和垂直距离，并计算出空间中待测物体到红外传感器的直线距离，记为d0,d1,d2,d3,…dn。
7、利用红外传感器测得并记录待测点A0,A1,A2,A3,…,An的温度值为M0,M1,M2,M3,M4,…Mn,用高精度测温仪近点测量待测物体的真实温度，记为T0,T1,T2,T3,T4,…Tn
8、设定待拟合的分段多项式公式：
若d0<dist1,有:
Figure BDA0002497000920000101
若d0>dist1,有：
Figure BDA0002497000920000111
其中，k0,k1,k2,k3为多项式系数，Ti为第i次高精度测温仪的显示值，Mi为第i次红外传感器的显示值，di为红外传感器和待测目标的直线距离。设定多项式的最高次幂为三次的原因是距离、环境气体浓度、湿度等因素的影响都是以线、面、体积为单位的变化量，且避免了幂次高于三次时会出现严重的龙格现象，从而导致公式温度预测值与温度实际值出现较大的偏差。
9、将激光测距传感器测量的距离数据(d0,d1,d2,d3,…dn)、红外传感器的温度测量数据(M0,M1,M2,M3,M4,…Mn)、高精度测温仪的近点实测温度数据(T0,T1,T2,T3,T4,…Tn)分别代入到待拟合的多项式公式中，利用Matlab软件，运用最小二乘法，当均方误差和最小时：
Figure BDA0002497000920000112
确定系数k0,k1,k2,k3的值。
10、将系数k0,k1,k2,k3的值代入，得到最终温度校正公式
Figure BDA0002497000920000113
Tpre为红外传感器校正值，M为红外传感器测量值，d为空间中待测物体与红外传感器的直线距离。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：包括下述步骤：
1)设置传感器作为坐标原点，建立空间直角坐标系；
2)将待测物体按照水平方向从近至远依次增加5～30cm放置；
3)测量空间中待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；
4)在软件上画出空间中待测物体的直线距离和测量温度值的关系曲线；
5)在空间中随机变动待测物体的位置，并记录随机点位；
6)测量空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离及直线距离；
7)测量空间中随机点位处待测物体的测量温度值和真实温度值；
8)设定待拟合的分段多项公式，并根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式。
2.根据权利要求1所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述步骤1)中将包含红外传感器和激光测距传感器在内的传感器固定在一起作为空间直角坐标系的坐标原点。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述步骤3)具体为利用激光测距传感器测得步骤2)空间中待测物体到红外传感器的水平距离和垂直距离，并计算出空间中待测物体到红外传感器的直线距离。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：在MTLAB软件上画出空间中待测物体到红外传感器的直线距离和红外传感器测量温度值的关系曲线，寻找关系曲线大幅衰减的位置，确定拟合的分段点dist1。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述步骤5)具体为：在空间中随机变动待测目标的位置，记录随机点位为A0,A1,A2,A3,…,An点。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述步骤6)具体为：利用激光测距传感器测得空间中随机点位处待测物体的水平距离、垂直距离，并计算出空间中随机点位处待测物体到红外传感器的直线距离，记为d0,d1,d2,d3,…dn。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述空间中随机点位处待测物体的测量温度值记为M0,M1,M2,M3,M4,…Mn，所述空间中随机点位处待测物体的真实温度值通过高精度测温仪近点测量并记为T0,T1,T2,T3,T4,…Tn。
8.根据权利要求4所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述待拟合的分段多项公式，若d0<dist1,则为:
Figure FDA0002497000910000021
若d0>dist1,则为：
Figure FDA0002497000910000022
9.根据权利要求1或2或8所述的一种基于距离补偿的远距离红外测温精度校正方法，其特征在于：所述根据空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值构建最终温度校正公式具体为；
8.1)将空间中随机点位处待测物体的直线距离、测量温度值和真实温度值分别代入到待拟合的多项式公式中，利用Matlab软件，运用最小二乘法，当均方误差和最小时：
Figure FDA0002497000910000023
确定多项式系数k0,k1,k2,k3的值；
8.2)将多项式系数k0,k1,k2,k3的值代入，得到最终温度校正公式
Figure FDA0002497000910000031
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