基于双黑体的红外人体测温方法及装置与流程

1.本发明专利涉及红外测温技术领域，特别是涉及一种基于双黑体的红外人体测温技术，实现非接触式人体准确测温。


背景技术：

2.任何物体都会向外辐射红外线释放能量。红外热像仪是一种利用红外辐射的能量，经过红外焦平面阵列采集，再经过一系列的信号处理电路进行成像、测温的仪器。红外测温一直是红外成像系统的应用热点。
3.红外热像仪是利用场景中物体本身的热辐射，将热目标红外辐射采集后经过相应读出电路处理转换为可见光图像的。红外测温也是根据这个原理来达到测温目的。物体在不断发出红外辐射时，红外热像仪中的焦平面阵列探测器像元将探测到的物体红外辐射量转换为电信号，物体辐射的能量越强，电信号也就越大，电信号经进一步的电路处理后，将每一个像元的电信号转换为灰度图像中的每一个像素送显示器成像，对成像后的红外图像进行分析，借助黑体求得图像的温度
‑
灰度模型。当红外热像仪获得一个被测物体灰度值时，根据温度
‑
灰度模型，就可以获得相应的温度，从而实现温度分析测量的功能。
4.现有的红外测温仪，有基于单一黑体的红外测温系统或者无参考黑体的红外测温系统两种，两种测温仪的测量精度都相对较低。使用红热像仪进行人体温度测量首先要获得人体的体表温度，然后除以人体皮肤发射率再乘以体表/体内温度系数得到人体温度，系统的测温精度取决于获取到的人体体表温度。单一黑体的红外测温系统或者无参考黑体的红外测温系统精度低是由于测温热像仪使用的测温曲线与真实的测温曲线有偏差造成的。
5.在人体体表温度测量的范围内，热像仪对于人体的体表温度的热辐射响应即辐射量(表现为热图像的灰度值)和人体体表温度近似为线性关系，即t
a
= k
×
d
m
t
o
（t
a
人体体表温度，d
m
被测人体辐射量）。对于双黑体测温系统，k=k，t
o
= 32℃
‑
k
×
d
l
，为实时计算得出。对于单黑体测温系统来说，k由生产时标定的黑体与环境温度的函数关系，及实际工作时的环境温度得到。当参考黑体温度的工作温度设置为t
b
时，t
o
=t
b
‑ꢀ
k
×
d
b
, d
b
为参考黑体对应的热像仪热辐射响应，t
o
通过实时计算得到。无参考黑体的红外测温系统，则k、t
o
均通过生产时标定的与环境温度的函数关系，及实际工作时的环境温度得到。
6.单黑体或者无黑体的测温系统在生产时测温曲线的系数一经确定就固定不变，实际上该函数关系会随环境温度的改变而变化，所以这两种测温系统的准确性在实际应用中比双黑体测温系统的精度要低。


技术实现要素：

7.本发明针对单一黑体或无黑体的红外测温仪设定的测温曲线不具有不同温度环境的适应性，测量精度低的问题，提供一种基于双黑体的红外人体测温方法，该方法操作方便、生产效率高，而且测温精度高。
8.基于双黑体的红外人体测温方法，其特征在于：
该方法首先通过测温热像仪先获取两个黑体表面温度对应的灰度值，再根据黑体所设置的温度及其对应的灰度值得到一条灰度与温度的拟合曲线；其次测温热像仪测得的人体表面温度对应的灰度值，并将该灰度值代入测温计算公式或得到人体的表面温度；最后，根据人体皮肤发射率及体表与体内温度系数得到人体温度；所述的两个黑体表面温度分别是低温面源黑体的温度为32℃，高温面源黑体的温度为36℃；所述的温度和灰度值计算公式如下：t
a
＝32℃ (d
m
－d
l
)
×
4℃/(d
h
－d
l
)；t
a
人体体表温度；d
m
被测人体辐射量；d
l
低温面源黑体辐射量；d
h
为高温面源黑体辐射量。
9.双黑体人体测温系统，使用两个设置在不同温度的面源黑体进行实时温度标定，减小环境温度对测量结果的影响，可以实时校准系统温度与灰度的函数关系，一般为线性关系，从而提高系统的测温精度，并且在生产制造时无需进行温度标定，因此减少热像仪生产调试时间，提高了生产效率，从而减少了生产成本；同时由于测温曲线实时生成提高了测温精度。
10.本发明能够有效地消除环境温度因素对测温热像仪的影响，从而较好地提高了红外检测温的精度，能较准确地测出被测物的绝对温度值。
附图说明
11.图1为不同环境温度下热像仪测得的灰度的与黑体工作温度的响应曲线。
12.图2为测温系统的原理图。
13.具体实施方式：实施例1：基于双黑体的红外人体测温方法，具体步骤如下：步骤1，采用计算机设定两个面源黑体的不同工作温度。
14.步骤2，使用红外热像仪采集被测物和两个面源黑体的红外辐射量信号，并转变成数字信号输入到计算机。
15.步骤3，用计算机将被测物和两个面源黑体的红外辐射量信号进行数据处理，根据信号的大小赋以一定的色彩或灰度后转换成热图图像。
16.步骤4，由计算机对两个面源黑体的工作温度及其由热像仪采集到的灰度值进行曲线拟合得到温度/灰度曲线方程，将由热像仪采集到的人体体表温度对应的灰度值代入该方程得到人体体表温度。
17.步骤5，得到人体表面温度后，除以人体皮肤发射率，再乘以体表与体内温度系数得到人体温度。
18.具体计算公式为：t
p
＝t
a
/ε
×
η；ta= k
×
dm t
l
－k
×
dl ；
k＝(t
h
‑
t
l
)/(d
h
－d
l
) ；其中：t
p
为人体体温；t
a
人体体表温度；ε为人体皮肤发射率；η为体表与体内温度系数；t
l
为低温面源黑体设置温度；t
h
为高温面源黑体设置温度；d
m
被测人体辐射量；d
l
低温面源黑体辐射量；d
h
为高温面源黑体辐射量。
19.在实际测温时，测温热像仪先获取两个黑体表面温度对应的灰度值，根据黑体的设置温度及对应的灰度值可以得到一条温度/灰度的拟合曲线。当被测人员进入测温热像仪视场后，测温热像仪将捕获到的人体表面温度转换为灰度值，将该灰度值代入测温计算公式即可得到人体的表面温度。
20.据数据统计表明，人体体表的温度为33.5
±
0.5℃，而人体皮肤的发射率接近1，所以低温面源黑体设置温度t
l 取32℃,高温面源黑体设置温度t
h 取36℃。当人体皮肤的发射率ε取为0.98，体表/体内温度系数η取为1.07，此时人体温度计算公式为：t
p
＝[32℃ (d
m
－d
l
)
×
4℃/(d
h
－d
l
)]
÷
0.98
×
1.07；其中，d
m
、d
h
、d
l
为测温系统实时获取的热辐射响应。
[0021]
下表1为双黑体测温热像仪实际工作时获取的灰度值。
[0022]
表1单一黑体的红外测温系统或者无参考黑体的红外测温系统，假设只在环境温度10℃、20℃、30℃、40℃时进行标定，且k、to与环境温度的函数关系设为线性，则在各环境温度下，灰度/体表温度函数关系如下表2。
[0023]
表2
使用上表2中10℃、 20℃、 30℃、 40℃及0.01594、 0.01852、 0.01923 、0.02162值得到k与环境温度的函数关系为：k=0.0001775
×
t
e
0.01439。
[0024]
使用上表2中10℃、 20℃、 30℃、 40℃及
‑
104.3347、
ꢀ‑
117.4259、
ꢀ‑
114.5000 、
‑
124.3027得到t
o
与环境温度的函数关系为：t
o
=
‑
0.5698
×
t
e
‑
100.9。
[0025]
t
e
为环境温度值。
[0026]
据此，在环境温度为20℃时，使用双黑体的红外人体测温系统的得到的人体体表温度为：t
a
＝32℃ (d
m
－d
l
)
×
4℃/(d
h
－d
l
)=32℃ (8150
‑
8069)
ꢀ×
4℃/(8285
‑
8069)=33.50℃。
[0027]
在单黑体的红外人体测温系统中设置参考黑体的工作温度为32℃，则人体体表温度计算如下： k=0.0001775
×
t
e
0.01439=0.0001775
×
20 0.01439=0.01794。
[0028]
t
o
= t
b
ꢀ‑ꢀ
k
×
d
b
=32
‑
0.01794
×
8069=
‑
112.76。
[0029]
t
a = k
×
d
m
t
o
=0.01794
×
8150
‑
112.76=33.45℃。
[0030]
在无黑体的红外人体测温系统人体体表温度计算如下：k=0.0001775
×
t
e
0.01439=0.0001775
×
20 0.01439=0.01794。
[0031]
t
o
=
‑
0.5698
×
t
e
‑
100.9=
‑
0.5698
×
20
‑
100.9=
‑
112.296。
[0032]
t
a = k
×
d
m
t
o
=0.01794
×
8150
‑
112.296=33.92℃。
[0033]
三种方式下人体体表测温误差为：
双黑体模式：33.5
‑
33.5=0℃；单黑体模式：33.45
‑
33.5=
‑
0.05℃；无黑体模式：33.92
‑
33.5=0.42℃。
[0034]
可见，相对单黑体的红外人体测温系统及无黑体的红外人体测温系统，本发明的方法测温精度更高。
[0035]
本发明的方法采用的测试系统由显示屏，测温计算机，热像仪，低温面源黑体，高温面源黑体组成。测温计算机采用串口通信，控制低温面源黑体和高温面源黑体的温度，热像仪采集到与黑体平行的待测目标的红外热图，测温计算机接收热像仪产生的红外热图，并依据双黑体的温度与红外热图的灰度的响应关系计算待测目标的实际温度，最后通过显示屏显示红外热图和待测目标的实际温度。所述面源黑体由黑体扩展面源和温度控制电路组成，温度控制电路带有位模数转换电路，可以对黑体实现较高的控温精度。所述红外热像仪由光学系统、红外探测器、信号放大器及信号处理电路等部分组成。
[0036]
所述测温计算机主要具有实时温度计算分析功能，用于实时测温曲线的拟合，视场内各目标点的温度计算；显示当前温度场内温度的最高、最低、平均值；实现对温度场内最高、最低值进行监控，一旦超过设定的阈值就会发生报警。
[0037]
人体与两个面源黑体在同一数据采集面上，红外热像仪将采集到的人体和两个面源黑体的红外辐射能量信号转换成数字信号输入到计算机，计算机对其信号的大小赋以一定的色彩或灰度后转换成热图图像在显示屏上进行显示。同时计算机根据两个面源黑体的温度及对应的灰度数据实时拟合测温曲线。最后把被测人体的灰度值代入测温计算公式得到被人体体表的绝对温度值。