红外热像仪测量切削温度的误差来源分析与实验研究

用红外热像仪测量切削温度时,拍摄角度、距离以及物体表面发射率都是导致测温误差的来源。在红外热像仪测温理论分析的基础上,对这些因素用控制变量法进行实验。结果结果表明,拍摄角度在5o~10o和30o~35o这两个范围内,测温误差较小。热像仪与切削区之间的距离在1.1m~1.2m的范围内,测量温度比较稳定。对于粗加工45号钢而言,表面发射率设在0.48~0.45之间,温度波动较小,此区间的发射率为较好。研究结果对于红外热像仪现场监测切削温度,具有实际的指导意义。     

大型空间反射镜发射率测量及误差分析

为了准确测定空间相机主镜毛坯件的表面发射率以便定量分析相机热控效果,本文在分析热像仪测温原理的基础上,利用现有测量条件,提出一种利用两种已知发射率材料作为参考的发射率测量方法.根据测量试验,得到主镜表面发射率为0.565.为定量反映各因素对测量精度的影响,对测量公式进行了误差分析.分析结果表明,与被测件表面发射率接近的材料的热像仪测温误差及发射率标称误差对测量精度有较大影响,同时得到本次试验因热像仪测温误差及参考材料发射率标称误差带来的测量误差为±0.028.最后,结合相机热平衡试验的数据对测量结果进行了验证,结果表明测量得到的主反射镜的发射率基本反映了热平衡试验的主镜表面状态,证明本文的方法对主反射镜发射率的测量是适用有效的.     

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切削温度是影响切削加工过程中刀具状况和工件表面质量的重要物理量，但切削温度信号的获取与处理存在一些实际问题。针对切削温度测量中的自然热电偶法、人工热电偶法以及红外热图像法，介绍了热电偶的固定、从旋转体上引出测量信号、自然热电偶的标定、工件和刀具表面发射率的标定，以及应用红外热像仪进行测温时切削实验的设计等一些实践做法。实践证明，开槽嵌夹绞丝热电偶方法的测量结果比较可靠；采用集流器引出旋转体热电势信号时所产生的摩擦附加电势可被定量测定并可将其从测温信号中减除；应用红外热像仪测量切削温度时应标定被测材料在各温度段的表面发射率并量化标定环境的影响。     

金属反光表面的发射率的测定实验研究

在加工过程中,金属表面的发射率的准确设定,对于采用红外热像仪精确测量金属加工温度有重要影响。采用不同的切削用量,用铣削方法制备了5个具有不同反光程度的样件,并用白光干涉仪测量了各自的粗糙度。利用恒温加热炉加热样件到设定温度,调节FLIR红外热像仪Tools软件上的发射率,让测量温度等于设定温度,所设定的发射率就是对应的表面的发射率。利用这种方法,分别测量了不同反光表面的发射率。实验结果表明,金属反光件的发射率和表面粗糙度存在一定的对应关系。金属反光件的表面粗糙度越大,表面反光程度越小,金属的发射率就越大。对于金属反光表面的测温有实际应用重要的意义。     

工业现场环境下提高红外测温精度的方法探究

通过分析红外热像仪测温的基本原理,得出了计算被测物体表面真实温度的通用计算公式;对影响该系统测温精度的因素进行了分析,并提出了提高测温精度的相应措施。     

红外热像仪外场测温的大气透过率二次标定

为了实现测温红外热像仪的外场精确测温,研究了大气透过率的二次标定。建立了红外热像仪的外场远距离测温标定模型,采用一个标准面源黑体和红外热像仪对大气透过率进行了二次标定。首先,用标准面源黑体的设置温度标定大气透过率的二次修正系数;然后,在已知目标感兴趣区域发射率的情况下,用二次修正系数对未知辐射源测量值进行修正,实现未知辐射源目标辐射温度的准确测量。实验显示,随黑体设置温度从50℃不断升高(二次大气透过率近似为1),大气二次透过率修正系数在50～100℃内迅速下降,在100～200℃内下降趋势减缓,逐渐接近于约为0.7的常数。实验结果为测温红外热像仪外场精确测温提供了保证。     

基于方向发射率校正的红外测温补偿方法

红外热成像仪具有实时在线、非接触获取被测对象二维温度分布等优点,在钢铁、农业、电力电子等众多领域应用广泛。但是,红外测温结果容易受到干扰因素的影响。针对方向发射率变化引起的红外测温误差,本文提出了基于方向发射率校正的红外测温补偿方法。首先,基于红外测温原理,构建了针对方向发射率变化的红外测温补偿模型。其次,为确定补偿模型中的方向发射率,利用红外热像仪和激光扫描仪构建的三维热成像系统,提出了基于参考体的方向发射率校正方法。然后,通过多项式拟合确定方向发射率随视角变化的规律。实验结果表明所提红外测温补偿方法可以有效降低方向发射率变化造成的红外测温误差,经过补偿温度后,红外测温最大误差由9.64℃降低为2.97℃,标准差由3.57℃降低为0.71℃。     

高精度红外热成像测温技术研究

红外热成像测温系统由于其远距离、非接触、多目标、高精度的特点,发展非常迅速。在当前新型冠状病毒流行的时期,为快速、高效地筛查出高温人群,及时防控、隔离疫情,红外热成像测温技术凸显了其重要性。测量过程中被测物体温度、环境温度、大气温度、镜头温度、探测器温度等因素,对测温精度都有一定影响,尤其是测温曲线的高精度标定对于红外热像仪测温精度影响最为关键。对红外测温原理进行了研究,建立了红外测温系统输出灰度值与被测物体测量温度的匹配模型,找到一种精确标定测温曲线的方法,提出了应用于高精度测温的V-T_r~4曲线,以及应用于温漂补偿的V-T_(FPA)、V-T_(镜筒)和V-T_(快门)曲线。经过实验验证,达到了理想的效果,使得测温精度显著提升,测温精度可以达到0.15 K以内。     

弹流润滑点接触Hertz区温度分布及其变化规律的实验研究

为实现对点接触赫兹接触区温度的测量,根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理,利用红外热像仪测量被测物体表面真实温度以及分布情况,得到点接触区的温度分布规律,并与摩擦力进行对比分析.结果表明:在弹流润滑下,接触区温升与压力分布相对应,最大温升一般发生在Hertz接触区中心的附近;最大温升随载荷的增加而增大,与速度也有一定的关系.     

金属切削刀具和工件的波段发射率标定

使用红外热像仪对切削加工中常见的工件材料碳钢和模具钢、常用的刀具材料硬质合金和涂层硬质合金在300～900 ℃进行表面发射率的标定,并考虑加热箱内环境热辐射对试样的作用,分析温度、表面结构、几何形状对试样表面发射率的影响。结果表明钢材表面发射率随温度升高而增大,但模具钢在较宽的温度范围内保持较小的表面发射率;试样表面平整性影响表面发射率;涂层刀具的表面发射率在比较宽的温度范围内一直稳定在相当低的值。     

复杂背景下三维弯曲表面红外测温修正

航空发动机涡轮叶片的断裂脱落与叶片温度密切相关,准确测量涡轮叶片温度对航空发动机的安全运行具有重要意义。针对涡轮叶片材料发射率不均匀、周围高温物体反射严重以及探测角度变化等因素导致传统红外辐射测温方法精度难以保证的问题,基于辐射传输理论与红外热成像测温原理,分析了对红外测温结果影响的主要因素,提出了复杂背景下三维弯曲表面红外辐射测温的修正模型。通过设计实验测量获得弯曲表面的发射率、双向反射分布函数、角系数等重要参数,根据提出的温度修正模型,得到弯曲表面红外修正温度。通过与典型位置上热电偶的测温结果对比,测温误差由修正前的4%左右下降到1%以内,证明了所提的修正模型具有较高的精度和适应性,可为涡轮叶片气动传热试验技术的提升和航空发动机等重大装备的研制提供支撑。     

低温状态下的材料法向发射率测量

研究了在-60~50℃条件下准确测量材料法向发射率的方法。基于发射率定义建立了材料法向发射率测量模型。为屏蔽环境杂散辐射与大气吸收的影响,利用真空液氮背景通道搭建了低温状态下材料发射率测量装置。测量了氧化铜与高发射率陶瓷两种样品的法向发射率随温度、波长的变化情况。结果表明:两种样品的法向光谱发射率均随波长增加而降低;随温度的升高,氧化铜样品法向积分发射率稳定为0.850±0.012,陶瓷样品的法向积分发射率降低了0.124。最后,实现了低温状态下红外光谱辐射的高精度采集,对低温状态下材料法向光谱发射率测量结果的不确定度进行了评定,得到的结果显示其相对扩展不确定度小于6.0%。     

端面滑动摩擦副接触界面波段发射率研究

为研究滑动摩擦过程中接触界面波段发射率的变化规律,设计并开展了一系列实验。以端面滑动摩擦副的接触界面为研究对象,在含二硫化钼的脂润滑条件下,开展定载荷、定转速实验,利用热像仪和自制装置测量了不同摩擦时间后的波段发射率,并根据发射率变化规律对红外测温仪测得的接触界面辐射亮温进行了修正。结果表明：测量装置能够较准确地实现摩擦接触界面波段发射率的测量;含有润滑脂和磨屑的接触界面发射率总体上在一定范围内波动,在摩擦过程中,具有先下降后上升的趋势;在稳定摩擦阶段,对辐射亮温的修正精度较高。     

Irradiance-based emissivity correction in infrared thermography for electronic applications

This work analyzes, discusses, and proposes a solution to the problem of the emissivity correction present in infrared thermography when coatings with known emissivity cannot be deposited on the inspected surface. It is shown that the conventional technique based on two reference thermal images and the linearization of the blackbody radiation dependence on temperature is not a reliable and accurate solution when compared with the coating procedure. In this scenario, a new approach based on the direct processing of the output signal of the infrared camera (which is proportional to the detected irradiance) is proposed to obtain an accurate emissivity and surrounding reflections map, perfectly compensating the thermal maps. The results obtained have been validated using a module as a test vehicle containing two thermal test chips which incorporate embedded temperature sensors.     

Measurement technology for material emissivity under high temperature dynamic heating conditions

The thermal dissipation of radiation is main heat shield mechanism for non-ablative thermal protection materials on hypersonic vehicles withstanding high temperature dynamic heating cycle during endo-atmospheric ascent, cruise and reentry. Therefore, it is necessary to know the thermal radiative properties of the material under the simulated high temperature dynamic heating conditions on the ground. The emissivity depends on the surface state and its temperature. A new simultaneous measurement technology of emissivity and varying surface temperature is proposed under high temperature dynamic heating conditions. This new technology solved synchronous measurement problems by utilizing spectral signal of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. The calibration of different temperature ranges, the background disturbances, the influences on temperature measurement by wavelength range and its corresponding fluctuations of measurement signal, were thoroughly investigated. The measured results of steel and graphite as reference materials proved the effectiveness of this simultaneous measurement technology and showed great potential in engineering applications under high temperature dynamic heating conditions.     

发射率在线测试仪的研制

为了长时在线测量物体表面发射率,设计了一种基于反射率法的发射率在线测试仪,由探测器、硬件电路、上位机和电源4个部分组成。基于反射率法的测量原理,考虑到现场发热和振动等恶劣环境,对测试仪的探测器、硬件电路进行了特殊的设计,并推导了消除热敏电阻红外传感器非线性误差后的发射率求解公式。最后通过试验表明:该测试仪能满足发射率长时在线测量的要求,测量精度达到±0.03。