紅外線(xiàn)測溫儀的理論原理與應用

測量溫度的方法有多種，溫度計可以分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表兩類(lèi)。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，供燃氣，通風(fēng)及空調系統中*重要的參數之一。尤其在熱工測量過(guò)程中，溫度的精準程度往往是決定實(shí)驗成敗的關(guān)鍵。因此，一個(gè)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(xiàn)測溫儀的原理及應用進(jìn)行一些介紹。 

一紅外測溫的理論原理： 

在自然界中，當物體的溫度高于零度時(shí)，由于內部熱運動(dòng)的存在，會(huì )不斷的向四周輻射電磁波，其中包含了波段位于0.75μm~100μm的紅外線(xiàn)。他的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長(cháng)下，物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)值，這種物質(zhì)稱(chēng)為黑體，并設定他的反射系數為1，其他的物質(zhì)反射系數小于1，稱(chēng)為灰體，由于黑體的光譜輻射功率P(λT)與溫度T之間滿(mǎn)足普朗克定。說(shuō)明在溫度T下，波長(cháng)λ處單位面積上黑體的輻射功率為P(λT)。
隨著(zhù)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(diǎn)，也是單波段紅外測溫儀的設計依據。 

隨著(zhù)溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)(向左)，并且滿(mǎn)足維恩位移定理，峰值處的波長(cháng)與溫度T成反比，虛線(xiàn)為處峰值連線(xiàn)。這個(gè)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(cháng)波處。 

輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長(cháng)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，測溫儀應盡量選擇工作在峰值波長(cháng)處，特別是低溫小目標的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。 

二： 

紅外測溫儀由光學(xué)系統、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(xiàn)經(jīng)調制器調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(xiàn)測溫儀的性能指標及選型： 

紅外測溫儀的性能指標有：測溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復性，相對濕度，響應時(shí)間，電源，響應光譜，尺寸，值顯示，重量，發(fā)射率等選型時(shí)要注意： 

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

2 確定目標尺寸:紅外測溫儀根據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(jìn)行測溫時(shí)，被測目標面積應充滿(mǎn)測溫儀視場(chǎng)。建議被測目標尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì )進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數，造成誤差。相反，如果目標大于測溫儀的視場(chǎng)，測溫儀就不會(huì )受到測量區域外面的背景影響。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨立的波長(cháng)帶內輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當被測目標很小，不充滿(mǎn)視場(chǎng)，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時(shí)，都不對測量結果產(chǎn)生重大影響。對于細小而又處于運動(dòng)或震動(dòng)之中的目標，雙色測溫儀是*佳選擇。這是由于光線(xiàn)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(光學(xué)分辨率)：距離系數由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學(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，而目標又小，就應選擇高距離系數的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學(xué)系統焦點(diǎn)處為光斑*小位置，近于和遠于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì )增大。存在兩個(gè)距離系數。 

4 確定波長(cháng)范圍：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長(cháng)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，測量金屬材料的*佳波長(cháng)是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長(cháng)上是透明的，紅外能量會(huì )穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長(cháng)。 

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

6 信號處理功能：鑒于離散過(guò)程(如零件生產(chǎn))和連續過(guò)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(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設置測溫儀響應時(shí)間稍長(cháng)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)境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會(huì )影響測溫精度甚至引起損壞。當環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠(chǎng)商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、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(shí)現準確測溫。在確定附件時(shí)，應盡可能要求標準化服務(wù)，以降低安裝成本。 

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

四紅外測溫儀的特點(diǎn) 

1.非接觸測量：它不需要接觸到被測溫度場(chǎng)的內部或表面，因此，不會(huì )干擾被測溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測溫儀本身也不受溫度場(chǎng)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(chǎng)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幾十度到三千多度。 

3.測溫速度快：即響應時(shí)問(wèn)快。只要接收到目標的紅外輻射即可在短時(shí)間內定溫。 

4.準確度高：紅外測溫不會(huì )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(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測量和 

6.溫度分布測量，以及運動(dòng)物體或轉動(dòng)物體的溫度測量。使用**及使用壽命長(cháng)。 

五紅外線(xiàn)測溫儀的缺點(diǎn)： 

1.易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等) 

2.對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數影響較大 

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

六紅外測溫儀的使用注意事項： 

(1)必須準確確定被測物體的發(fā)射率; 

(2)避免周?chē)h(huán)境高溫物體的影響; 

(3)對于透明材料，環(huán)境溫度應低于被測物體溫度; 

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

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

(6)正確選擇跟離系數，目標直徑必須充滿(mǎn)視場(chǎng); 

(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，測量數據將不準確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。. 

七改進(jìn)方案： 

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

例如，在塑料擠壓機內測量塑料溫度，渦輪機內通過(guò)靜葉片的空隙來(lái)測量動(dòng)葉片的溫度和平均溫度，并可以帶有多個(gè)探頭進(jìn)行循環(huán)檢測。 

1 光纖紅外測溫的原理： 

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

2 結構圖： 

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(guò)光纖傳輸及 紅外濾光片 過(guò)濾后的紅外能量，被紅外探測器接收并轉換成相應的電信號，此電信號經(jīng)電子線(xiàn)路的放大、線(xiàn)性化處理后以標準的信號輸出方式采光纖測溫的優(yōu)點(diǎn) 

(1)光纖測頭耐溫高，可以安裝在環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合 

(2)通過(guò)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*小。 

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

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

紅外線(xiàn)測溫儀的理論原理與應用紅外線(xiàn)測溫儀的理論原理與應用紅外線(xiàn)測溫儀的理論原理與應用紅外線(xiàn)測溫儀的理論原理與應用紅外線(xiàn)測溫儀的理論原理與應用