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紅外線測(cè)溫儀的原理及應(yīng)用
摘要：
測(cè)量溫度的方法有很多種，
溫度計(jì)大致可以分為接觸式測(cè)溫儀表和非接觸
式測(cè)溫儀表兩類。
其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計(jì)，
熱電偶式溫度計(jì)和
熱電阻式溫度計(jì)等等。
關(guān)鍵詞：紅外線
測(cè)溫
輻射
光纖
*，溫度是供熱，供燃?xì)?，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中zui重要的參數(shù)之一。尤其在
熱工測(cè)量過程中，
溫度的程度往往是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。
因此，
一個(gè)
度高的測(cè)溫儀器在工程中是*的。
因此本文就溫度測(cè)量工具中的紅外線測(cè)
溫儀的原理及應(yīng)用進(jìn)行一些介紹。
一，紅外測(cè)溫的理論原理
在自然界中，
當(dāng)物體的溫度高于零度時(shí)，
由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在，
就會(huì)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zui
大的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長(zhǎng)下，
物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)zui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(
λ
Ｔ
)
與溫度
T
之間滿足普朗克定。說明在
溫度
T
下，波長(zhǎng)
λ
處單位面積上黑體的輻射功率為
P(
λ
Ｔ
)
。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可
以得到圖
1
的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：
（
1)
隨著溫度的升高，
物體的輻射能量越強(qiáng)。
這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，
也是
單波段紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。
（
2)
隨著溫度升高，
輻射峰值向短波方向移動(dòng)
（向左
)
，
并且滿足維恩位移定理
，
峰值處的波長(zhǎng)
與溫度
T
成反比，
虛線為
處峰值連線。
這個(gè)公式告訴我們?yōu)?/p>
什么高溫測(cè)溫儀多工作在短波處，低溫測(cè)溫儀多工作在長(zhǎng)波處。
（
3)
輻射能量隨溫度的變化率，
短波處比長(zhǎng)波處大，
即短波處工作的測(cè)溫儀相對(duì)
信噪比高（靈敏度高），抗干擾性強(qiáng)，測(cè)溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長(zhǎng)處，特
別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。
二，紅外線測(cè)溫儀的原理
紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、
光電探測(cè)器、
信號(hào)放大器及信號(hào)處理、
顯示輸出等
部分組成。
被測(cè)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(cè)器。
兩信
號(hào)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(cè)物體的亮度溫度
三，紅外線測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用
測(cè)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(duì)濕度，響應(yīng)時(shí)
間，電源
響應(yīng)光譜，尺寸，zui大值顯示，重量，發(fā)射率等
1
，確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀zui重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫
儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。
因此，
用戶的被測(cè)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(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀
（輻射比
色測(cè)溫儀）
。
對(duì)于單色測(cè)溫儀，
在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，
被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。
建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過視場(chǎng)大小的
50%
為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射
能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，
造成誤差。
相反，
如果目標(biāo)大于
測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，
其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很
小，不充滿視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都
不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。
對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，
雙色測(cè)
溫儀是*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(cè)溫儀探頭到
目標(biāo)之間的距離
D
與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。
如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝
在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，
而又要測(cè)量小的目標(biāo)，
就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。
光學(xué)
分辨率越高，即增大
D
：
S
比值，測(cè)溫儀的成本也越高。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，
而目標(biāo)又小，
就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。
對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀，
在光學(xué)系
統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑zui小位置，
近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。
存在兩個(gè)距離系
數(shù)。
4
，
確定波長(zhǎng)范圍
：
目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)
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(cè)量金屬材料的*
波長(zhǎng)是近紅外，
可選用
0.8
～
1.0
μ
m
。
其他溫區(qū)可選用
1.6
μ
m,2.2
μ
m
和
3.9
μ
m
。
由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的，
紅外能量會(huì)穿透這些材料，
對(duì)這種材料應(yīng)
選擇特殊的波長(zhǎng)。
5
，確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義
為到達(dá)zui后讀數(shù)的
95%
能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示
系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。
如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，
要選
用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)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(cè)溫儀。
對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱
慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。
6
，信號(hào)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(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如
測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。
否則測(cè)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(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間
稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。
7
，環(huán)境條件考慮：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并
適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)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(hù)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(hù)測(cè)溫儀，
實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。
在確
定附件時(shí)，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(cè)溫儀的標(biāo)定：紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被
測(cè)目標(biāo)的溫度。
如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，
則需退回廠家或維修
中心重新標(biāo)定。
四，影響紅外測(cè)溫儀的主要因素
1
、測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測(cè)的目標(biāo)的有效直徑
D
是不同的，
因而在測(cè)量小目標(biāo)時(shí)要注意目標(biāo)距離。
紅外測(cè)溫儀距離系數(shù)
K
的定義
為：被測(cè)目標(biāo)的距離
L
與被測(cè)目標(biāo)的直徑
D
之比，即
K=L/D
2
、選擇被測(cè)物質(zhì)發(fā)射率：紅外測(cè)溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率
ε
=1.00
）分度
的，而實(shí)際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于
1.00
。因此，在需要測(cè)量目標(biāo)的真實(shí)溫度
時(shí)，須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從《輻射測(cè)溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)》中
查得。
3
、強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量：若被測(cè)目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽光或強(qiáng)燈
直射）
，
則測(cè)量的準(zhǔn)確性將受到影響，
因此可用物遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背
景光干擾。
4
、小目標(biāo)的測(cè)量
⑴ 應(yīng)將測(cè)溫儀固定在三角架（可選附件）上
⑵ 需要調(diào)焦，即：用目鏡中小黑點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)（目標(biāo)應(yīng)充滿小黑點(diǎn)），將鏡
頭前后調(diào)整，
眼睛稍微晃動(dòng)，
如果被測(cè)小黑圓點(diǎn)之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，
則調(diào)焦就已
完成
5.
溫度輸出功能
（
1
）數(shù)字信號(hào)輸出——
RS232
、
RS485
，溫度信號(hào)遠(yuǎn)傳
（
2
）模擬信號(hào)輸出——
0
～
5V
，
1
～
5V
，
0
～
10V
，
0/4
～
20
毫安，可以加入閉環(huán)
控制中。
（
3
）高報(bào)警、低報(bào)警─生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個(gè)范圍里
,
可設(shè)置高
,
低報(bào)
警值。高報(bào)警：在高報(bào)警設(shè)置打開的情況下，當(dāng)溫度高于高報(bào)警值，相應(yīng)的
LED
燈閃爍，蜂鳴器響，并有
AH
常開繼電器接通。
五，紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)
1.
非接觸測(cè)量：
它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，
因此，
不會(huì)干擾被測(cè)
溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也
不受溫度場(chǎng)的損傷。
2.
測(cè)量范圍廣：
因其是非接觸測(cè)溫，
所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，
而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下。
一般情況下可測(cè)量負(fù)幾十度到三
千
多度。
3.
測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)問快。只要接收到目標(biāo)的紅
外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。
4.
準(zhǔn)確度高：
紅外測(cè)溫不會(huì)與接觸式測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布，
因此測(cè)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(cè)出。可
進(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量和
6.
溫度分布測(cè)量，
以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。
使用安全及使用壽命長(zhǎng)。
六，紅外線測(cè)溫儀的缺點(diǎn)
1.
易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）
2.
對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大
3.
只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度
七，紅外測(cè)溫儀的使用注意事項(xiàng)
（
1
）必須準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率
;
（
2
）避免周圍環(huán)境高溫物體的影響
;
(3
）對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體溫度
;
(4
）測(cè)溫儀要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)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(cè)溫，不能透過玻璃進(jìn)行測(cè)溫
;
(6
）正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場(chǎng)
;
(7
）如果紅外測(cè)溫儀突然處于環(huán)境溫度差為
20℃ 或更高的情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)將
不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測(cè)量的溫度值。
.
八，改進(jìn)方案
由于普通紅外測(cè)溫儀只限于測(cè)量物體外部溫度，
不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙
物時(shí)的溫度，
所以可以在其檢測(cè)頭部加一段光導(dǎo)纖維，
并在其前端裝一個(gè)小視角
的透鏡，
這樣被測(cè)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(cè)器。
因?yàn)楣饫w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(cè)量問題，可以測(cè)量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。
例如，
在塑料擠壓機(jī)內(nèi)測(cè)量塑料溫度，
渦輪機(jī)內(nèi)通過靜葉片的空隙來測(cè)量動(dòng)葉片
的zui高溫度和平均溫度，并可以帶有多個(gè)探頭進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。
1
，光纖紅外測(cè)溫的原理