紅外線測溫儀的理論原理與應(yīng)用

測量溫度的方法有很多種，溫度計大致可以分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表兩類。其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計，熱電偶式溫度計和熱電阻式溫度計等等.眾所周知，溫度是供熱，供燃?xì)?，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一。尤其在熱工測量過程中，溫度的精準(zhǔn)程度往往是決定實驗成敗的關(guān)鍵。因此，一個精確度高的測溫儀器在工程中是必不可少的。因此本文就溫度測量工具中的紅外線測溫儀的原理及應(yīng)用進行一些介紹。

一、紅外測溫的理論原理

在自然界中，當(dāng)物體的溫度高于絕對零度時，由于它內(nèi)部熱運動的存在，就會不斷的向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75μm~100μm的紅外線。他最大的特點是在給定的溫度和波長下，物體發(fā)射的輻射能有一個最大值，這種物質(zhì)稱為黑體，并設(shè)定他的反射系數(shù)為1，其他的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體，由于黑體的光譜輻射功率P(λT)與絕對溫度T之間滿足普朗克定。說明在絕對溫度T下，波長λ處單位面積上黑體的輻射功率為P(λT)。根據(jù)這個關(guān)系可以得到圖1的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：

隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強。這是紅外輻射理論的出發(fā)點，也是單波段紅外測溫儀的設(shè)計依據(jù)。

隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(向左)，并且滿足維恩位移定理，峰值處的波長與絕對溫度T成反比，虛線為處峰值連線。這個公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。

輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的測溫儀相對信噪比高(靈敏度高)，抗干擾性強，測溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長處，特別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點顯得尤為重要。

二、紅外線測溫儀的原理

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。被測物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測器。兩信號的差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣。顯示器指出被測物體的亮度溫度。

三、紅外線測溫儀的性能指標(biāo)及選型

紅外測溫儀的性能指標(biāo)有：測溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性，相對濕度，響應(yīng)時間，電源，響應(yīng)光譜，尺寸，最大值顯示，重量，發(fā)射率等選型時要注意：

1 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。

2 確定目標(biāo)尺寸:紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀(輻射比色測溫儀)。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對于細(xì)小而又處于運動或震動之中的目標(biāo)，雙色測溫儀是最佳選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量。

3 確定距離系數(shù)(光學(xué)分辨率)：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀遠離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點處為光斑最小位置，近于和遠于焦點位置光斑都會增大。存在兩個距離系數(shù)。

4 確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。

5 確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。如果目標(biāo)的運動速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。

6 信號處理功能：鑒于離散過程(如零件生產(chǎn))和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內(nèi)。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設(shè)置測溫儀響應(yīng)時間稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。

7 環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護測溫儀，實現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。在確定附件時，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。

8 紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。

四、紅外測溫儀的特點

1.非接觸測量：它不需要接觸到被測溫度場的內(nèi)部或表面，因此，不會干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不受溫度場的損傷。

2.測量范圍廣：因其是非接觸測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。一般情況下可測量負(fù)幾十度到三千多度。

3.測溫速度快：即響應(yīng)時問快。只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可在短時間內(nèi)定溫。

4.準(zhǔn)確度高：紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測量精度高。

5.靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出?？蛇M行微小溫度場的溫度測量和

6.溫度分布測量，以及運動物體或轉(zhuǎn)動物體的溫度測量。使用安全及使用壽命長。

五、紅外線測溫儀的缺點：

1.易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等)

2.對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數(shù)影響較大

3.只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度

六紅外測溫儀的使用注意事項：

(1)必須準(zhǔn)確確定被測物體的發(fā)射率;

(2)避免周圍環(huán)境高溫物體的影響;

(3)對于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測物體溫度;

(4)測溫儀要垂直對準(zhǔn)被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過30℃

(5)不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進行測溫;

(6)正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場;

(7)如果紅外測溫儀突然處于環(huán)境溫度差為20℃或更高的情況下，測量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。

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七、改進方案：

由于普通紅外測溫儀只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度，所以可以在其檢測頭部加一段光導(dǎo)纖維，并在其前端裝一個小視角的透鏡，這樣被測物體的輻射能經(jīng)過透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過多次反射傳至檢測器。因為光纖可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)向，這就解決了物體內(nèi)部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。

例如，在塑料擠壓機內(nèi)測量塑料溫度，渦輪機內(nèi)通過靜葉片的空隙來測量動葉片的最高溫度和平均溫度，并可以帶有多個探頭進行循環(huán)檢測。

1 光纖紅外測溫的原理：

光纖傳光原理是光在不同介質(zhì)中的全反射現(xiàn)象。光從光密介質(zhì)像光疏介質(zhì)傳播時，光會在邊界全部折回光密介質(zhì)。光在纖心中就會曲折前進，而不會泄露。

2 結(jié)構(gòu)圖：

被測物體的紅外輻射經(jīng)紅外探頭透鏡匯聚到光纖前端，通過光纖傳輸及紅外濾光片過濾后的紅外能量，被紅外探測器接收并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此電信號經(jīng)電子線路的放大、線性化處理后以標(biāo)準(zhǔn)的信號輸出方式采光纖測溫的優(yōu)點、

(1)光纖測頭耐溫高，可以安裝在環(huán)境溫度較高的場合

(2)通過光纖傳輸紅外能量，使紅外探頭與電子處理模塊隔離，使信號處理單元受環(huán)境影響降至最小。

(3)光纖測頭傳送紅外輻射熱能信號完全不受電磁場干擾，特別適合在中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等強電磁場環(huán)境下使用

(4)可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)化，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度