红外热像仪测量切削温度的误差来源分析与实验研究

陶 媛，王中任，胡玉琴，游浩浩

（湖北文理学院 机械与汽车工程学院，襄阳 441053）

0 引言

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，精确测量和控制切削温度，对于降低生产成本、提高加工质量和生产率具有重要的意义。在用红外热像仪对切削温度进行测量时，会受很多因素的影响。比如前面所说的拍摄角度、距离、发射率等可以改变的因素，还有一些很难改变的因素，比如，环境辐射、大气温度、大气衰减等，这些因素的不确定都会带来测温误差。

对于切削温度的测量，国内外比较常用的是自然热电偶法和人工热电偶法，它们分别测的是切削区的平均温度和某点的温度[1]。虽然红外热像仪在测量切削温度时存在一些误差来源，但相对于其他的测温方法还是有很多优点的。它不仅能测目标范围内任一区域的平均温度，还可获得最高温度，最低温度与任一点温度，其次它灵敏度高，可远距离非接触实时监测，能很直观简便的获得红外图像。为了更好地运用热像仪的这些优点，首先就要了解其测温原理，然后才能找出并避免人为因素带来的测温误差。

1 FLIR红外热像仪测温原理及公式

从原理上讲，热像仪包括两部分：光学部件和探测器。光学部件使被测物体的红外辐射集中到探测器上，然后探测器将接受到的辐射以电信号的方式输出，并在显示器上显示目标图像，图像上每一点的灰度值都对应着目标物体表面上每一点的温度。红外线热像仪在进行标定时，就是用图像灰度值与黑体温度之间的对应关系得到拟合公式的，当我们使用热像仪时，就利用各种拟合公式来得出不同温度的物体的辐射温度[2]。

在研究红外辐射的历史过程中，最基础的公式是普朗克公式，它描述了黑体辐射的光谱分布：

式（1）中：W为在任何波长λ时，黑体的光谱辐射率；C为光速=3×108m/s；h为普朗克常量=6.6×10-23J/s；K为玻尔兹曼常量=1.4×10-23J/K；T为黑体的绝对温度(K)，λ为波长（微米）。在普朗克定律的基础上相继出现了维恩位移定律和玻尔兹曼定律，为红外热像仪奠定了坚实的理论基础。FLIR热像仪的工作波长范围很小，所以物体表面发射率ε和吸收率α，还有大气透射率τ都是定值，即与λ无关。所以作用于热像仪的辐射照度为：

其中，Ao为热像仪最小空间张角所对应的目标物体可视面积，d为热像仪与目标物体的距离，Tobj为目标物体的表面温度，Trefl为环境温度，Tatm温度，L(T,λ)表示温度为T的黑体的辐射亮度。 由文献[2]：

式（3）中ρ为目标辐射率。同样因为热像仪的工作范围很小，W(T,λ)与λ无关，则L(T,λ)也与λ无关。如果测量条件不变，即不变，并且ε、α、τ为定值。虽然Ao与d一般条件下是定值，但在测量切削温度时，会改变拍摄角度与距离，那么d会改变，Ao也会因为所测范围被部分遮挡而间接变小，所以这些数据的变动，就会带来一定的测温误差[3～5]。当目标物体表面发射率不确定时，错误的发射率也会带来测温误差[6]。下面通过实验来研究这些因素对切削温度的影响情况，并依此来指导热像仪参数的设置。

2 实验及结果分析

如图1所示为实验现场，机床为CA6140车床，热像仪型号为FLIR A315，工件材料为45号钢棒料，刀具为YT15，主偏角为90o。首先，在车床上安装好工件与刀具；然后，通过千兆网线连接电脑与热像仪，并根据所测要求摆放好热像仪；最后，采用FLIR/Tools工具获取图像，并实施实时采集切削区域的红外图像并分析切削温度。切削用量分别为：n=800r/min，f=0.24mm/r，ap=0.5mm，并且每次实验时保持三要素的取值不变，则可知每次切削时的最高温度不变。另外，每次实验都是在相同环境中实施，即相对湿度、大气温度，环境温度都相同。

在使用FLIR/Tools采集时候，要填写发射率、距离、大气温度等参数，图2为拍摄所得图像。实验中所测的温度可以通过FLIR/Tools界面，通过点、线、面，来确定测量点温、线温和区域温度。下面计算时为软件上显示的切削区的最高温度。

2.1 拍摄角度对切削温度的影响

此次实验在车床上切削工件时，刀具与工件垂直，拍摄角度与工件和刀具在同一平面内。因为拍摄角度有限，只能从车床左侧拍摄。设与工件垂直的拍摄角度为0°，从此角度往左来实测拍摄角度。本次实验拍摄角度分别为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°。需要注意的是，改变平面拍摄角度时，热像仪的视场角为定值。图表3为不同角度时温度的波动图。

图1 实验环境

图2 拍摄所得图像

图3 不同角度时温度的波动图

由图3知，此折线图两边的温度显示较高，中间的温度显示较低。在实验环境中，角度较小或较大时，热像仪视场角虽然一定，但车床的车身都会在一定程度上遮挡住视场角所测范围，这就间接的减小了视场角。因为视场角越大，相对信号差值越大，测量的温度误差越大[2]。那么则是视场角越大，温度则相对较低。在15°、20°、25°时，视场角所测范围几乎没被遮挡，所以视作视场角较大，温度也就相对较低，测温误差也相对较大。而5°、10°、30°、35°时，视场角所测范围有一部分被遮挡，所以视作视场角较小，温度则相对较高，测温误差也相对较小。

2.2 测量距离对切削温度的影响

本实验中，拍摄距离依次为：0.8m、0.9m、1m、1.1m、1.2m、1.3m和1.4m。图4为不同距离时温度的波动图。

图4 不同距离时温度的波动图

如图4经过计算后知，在1.1m～1.2m的范围内，温度方差S1最小，其值为S1=0.9，即温度较稳定。而在0.8m～1.1m或1.2m～1.4m这两个范围内，温度方差分别为58.3和48.6，都比S1大很多，即温度的变化很大。如果热像仪只在某距离d下进行标定时，不同距离测温，则温度绝对误差平均值在d距离时相对较小，距离小于d或大于d时,其温度绝对误差平均值相对较大。所以要想减小测量误差，每次改变距离时，重新进行热像仪标定，可以减小测量距离的变化对热像仪测量精度的影响。如果不重新标定，计算温度相对误差，并以此值作为修正值，对标定方程得到的温度值进行修正，也可减小测温误差。所以从此实验数据看，如果不做任何措施，拍摄距离应该控制在1.1m～1.2m之间，而且此款热像仪的标定距离也在这个范围内。如果选取热像仪的标定距离为1.15m，则拍摄距离与其差值应不大于0.05m。

2.3 发射率对切削温度的影响

本实验中，发射率依次设为：0.4、0.44、0.46、0.48、0.5、0.52、0.54、0.56和0.58。图5为不同发射率时温度的波动图。

图5 不同发射率时温度的波动图

如图5经过计算后知，发射率在0.48～0.5范围内，温度方差S2=0.45，而发射率在0.4～0.48和0.5～0.58这两个范围内时，温度方差分别为20.7和24.6，都比S2大很多。所以发射率在0.48～0.5范围内，温度最稳定。此规律与实验二相似。

目标物体表面会因为物质的成分改变和氧化程度不同，从而导致表面发射率不确定，但钢材料的发射率的基本范围在0.52～0.57之间。所以先在0.52和0.57左右假设出物体不同的发射率，则可知，越接近真实发射率时，测温误差越小，所测温度越稳定；越远离真实发射率，测温误差越大，所测温度越不稳定。从图5中数据看，本实验物体表面发射率可定在0.48～0.5范围内。

3 结束语

通过实验研究可知，虽然热像仪的拍摄角度有限，但角度上的变化会对所测温度带来误差。视场角一定时，在能测到目标物体的前提下，所拍摄角度应尽量在对视场角所测范围起到遮挡作用的范围内；选择测量距离时，所选距离会带来测量误差，另外，还要根据切削现场情况合理安装热像仪，必要时可以采取倒置悬挂的方式。对于同一种碳钢而言，不同加工表面光洁度，表面的发射率会不同，可以预先设定材料的参考发射率，然后通过大量的试验，把发射率确定在测量温度较稳定的范围内，这样可以减少测温误差。

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。

[1]全燕鸣,赵婧,何振威,林金萍 ,乐有树.切削温度测量信号的获取与处理[J].中国机械工程,2009,20(5):573-576.

[2]郭帮辉,黄剑波,王志,吴宏圣.目标距离和视场角变化对红外热像仪测温精度影响的理论分析[J].长春理工大学学报,2011,34(1):17-19.

[3]苏佳伟,石俊生,汪炜穑.距离对红外热像仪测温精度影响及提高精度的实验研究[J].红外技术,2013,35(9):587-590.

[4]杨桢, 杨立.反射温度补偿法对红外测温的补偿计算与误差分析[J].光学技术,2008,34:154-159.

[5]李云红,孙晓刚,原桂彬.红外热像仪精确测温技术[J].光学精密工程,2007,15(9):1337-1341.

[6]白敬晨,于庆波,胡贤忠,王浩.基于红外热像仪的物体表面发射率测量方法[J].东北大学学报,2013,34(12):1748-1750.