紅外測溫工作原理優(yōu)秀課件

紅外測溫原理與選型,上海皇龍自動化工程有限公司021-5216028113482297687呂江明,1,紅外測溫發(fā)展過程,1800年赫胥爾發(fā)現(xiàn)紅外線1828年MSweeny第一個輻射溫度計19世紀(jì)末消隱光學(xué)高溫計1901年全輻射測溫儀專利(Fery)1931年商用全輻射測溫儀問世(Leeds&Northrupcompany)60年代后迅猛發(fā)展近二十年雙色、光纖、掃描等,2,紅外測溫的原理紅外測溫儀可捕捉從所有物體輻射出的紅外能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分，電磁頻譜中包括無線電波、微波、可見光、紫外線、伽瑪射線和X光。,可見光,紫外光,紅外光,X-射線,Gamma,Rays,無線電波,EHFSHFUHFVHFHFMFLFVLF,0.1A,1A,1UA,100A,0.1,1,10,100,1cm,0.1cm,10cm,1m,100m,1km,10km,100km,波長,10m,30,20,15,10,8,6,4,3,2,1.5,1,0.8,0.6,0.4,波長(um),常用紅外光譜范圍,3,紅外測溫技術(shù)的基礎(chǔ)絕對零度(-273)以上的物體都輻射紅外能量,4,紅外測溫的幾個重要概念,波長發(fā)射率距離系數(shù),5,溫度與輻射能量的關(guān)系黑體輻射光譜曲線的特性,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1500C,1000C,542C,260C,20C,不同溫度的輻射曲線永不會相交隨溫度增加，輻射能量增大而峰值波長減小波長與溫度成反比,紅外能量（溫度/熱像）,波長（微米）,0,6,物體發(fā)射率,隨發(fā)射率變化(非灰體),=0.9(灰體),相對能量,波長(微米),=1.0(黑體),發(fā)射率為物體的輻射度與和與該物體具有相同溫度的黑體的輻射度之比,7,物體紅外能量的傳播發(fā)射率決定了實際物體的紅外輻射特性,“理想黑體”,“實際物體”,既是完全吸收體也是完全發(fā)射體,部分能量被反射部分能量透過,發(fā)射率=1,發(fā)射率1,I,I,I,I,R,A,T,E,E,E,E,8,影響發(fā)射率的主要因素,材料種類表面狀況(拋光,粗糙,氧化,噴砂)表面幾何形狀(平面,凹面,凸面)表面理化結(jié)構(gòu)狀態(tài)（如沉積物，氧化膜，油膜等）,透過率(例如塑料薄膜)測量溫度測量角度,9,距離系數(shù),探頭到目標(biāo)的距離,測量斑直徑大小,2.50.1,7.50.3,140.6,210.8,331.3,mm英寸,00,251,502,763,1305,mm英寸,測斑直徑,測量距離,=D:S,10,黑體輻射定率,普朗克定律：式中：第一輻射常數(shù)：第二輻射常數(shù)：,11,黑體輻射定律,斯藩-玻耳茲曼定率：維恩位移定率：A=2897.3從此可看出波長與溫度成反比,12,大氣傳輸,環(huán)境,453,SP1470,EMS?85,13,大氣傳輸,部分波長可以避開大氣的吸收,波長(微米),相對透過率,14,實際物體的測溫示意圖,目標(biāo),探頭,R,T,E,反射率,透射率,發(fā)射率,環(huán)境溫度,I,I=入射能量R=反射能量T=透射能量E=發(fā)射能量,15,背景能量的影響,當(dāng)背景溫度高于目標(biāo)溫度時應(yīng)進(jìn)行背景溫度補(bǔ)償(T-Ambient),背景溫度,目標(biāo),16,目標(biāo)與視場,要確保目標(biāo)大于儀器所測圓點(diǎn)的大小。目標(biāo)越小，則應(yīng)離得越近。如果精度非常重要，則要確保目標(biāo)至少是測量圓點(diǎn)大小的兩倍,最好一般差,探頭,目標(biāo)大于測量視場,目標(biāo)等于測量視場,目標(biāo)小于測量視場,17,與“真實值”比較當(dāng)測量位置不同或使用不同儀器測同一物體時，精度非常重要指相同條件下輸出比較(距離、發(fā)射率、精度）建立當(dāng)?shù)亍盎鶞?zhǔn)”，測量與基準(zhǔn)的偏差工藝監(jiān)控中實際起作用，“工藝精度”,需要精度還是重復(fù)性?,精度,重復(fù)性,18,響應(yīng)速度分析,對于運(yùn)動的目標(biāo)和快速加熱的目標(biāo)響應(yīng)速度快是必需的當(dāng)溫度變化緩慢時，響應(yīng)速度快通常是不必要的,19,發(fā)射率設(shè)定誤差造成的測量溫度誤差,10,8,6,4,2,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,8-14微米,1.0微米,使用盡可能短的測量波長,%誤差,目標(biāo)溫度(度)發(fā)射率誤差假定為10%,5.0微米,3.9微米,2.2微米,20,特殊類型波長的選用,測量聚乙烯時，選用位于透過率近似為零處的波長，波長為：3.43。因為測得是他們的表面溫度,波長（微米）,透過率%,1009080706050403020100,234567891011121314,聚乙烯,1009080706050403020100,透過率%,波長（微米）,火焰,234567891011121314,透過火焰測量物體時，需要選擇透過率高的波長，能夠透過火焰的紅外波長為3.9。因為物體發(fā)出3.9的紅外波長不受火焰的干擾,21,指導(dǎo)方針測玻璃后面物體溫度用1-3微米測玻璃表面溫度250以上用5微米測低溫時用8-14微米,玻璃的紅外測量,22,如何選擇響應(yīng)波長?,近可能選擇短的波長選擇將反射，透射能量降到最低的波長特殊物體（塑料薄膜，玻璃，火焰等）采用特殊波長(被測物體不透明的波長）根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的問題（如觀察窗口）當(dāng)視場被部分遮擋時，應(yīng)選擇雙色儀器,23,測溫范圍/響應(yīng)波長距離系數(shù)（測量距離與目標(biāo)大小）發(fā)射率設(shè)定測量精度/重復(fù)性響應(yīng)時間瞄準(zhǔn)方式（激光、透鏡、視頻、目視、瞄準(zhǔn)燈/鏡）現(xiàn)場環(huán)境要求/輸出方式,測溫儀的選型參數(shù),24,紅外測溫儀工作原理,窗口和光學(xué)系統(tǒng),目標(biāo),環(huán)境,探測器,顯示及輸出,453,SP1470,EMS?85,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。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚集在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。,25,雙色測溫儀,理論公式：T：目標(biāo)溫度A，B：常數(shù)：第一波段內(nèi)發(fā)射率：第一波段內(nèi)發(fā)射率：第一波段內(nèi)目標(biāo)能量：第一波段內(nèi)目標(biāo)能量：坡度（雙色測溫儀要調(diào)的是坡度而不是發(fā)射率）,26,如何利用雙色測溫?,當(dāng)測量視場被遮擋時，或物體快速運(yùn)動,目標(biāo)比較小,單色測溫儀將產(chǎn)生測量誤差雙色測溫的原理:通過計算探測到的兩個波長上的能量的比值，可以消除這種誤差比值隨目標(biāo)溫度變化而變化,波長(m),1.0,2.0,比值(El2/El1)T,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,相對輻射能量(E),l,l,1,2,27,雙色與單色測量比較,讀數(shù)誤差(%)與能量衰減,讀數(shù)誤差(%),目標(biāo)溫度(度),100-10-20-30-40-50,100-10-20-30-40-50,500,1000,1500*,2000,2500,3000,+0.75%,-0.75%,單色:50%能量衰減,單色:80%能量衰減,單色:90%能量衰減,單色:95%能量衰減,雙色:0%-95%能量衰減,從右圖可見,雙色測量的誤差很小,幾乎不變化。而且雙色只需要吸收物體5%的能量就可以測量到。不象單色紅外測溫儀需要吸收到物體95%的能量才能測量準(zhǔn)確。,28,雙色測溫儀,測量視場部分被遮擋煙霧，水汽，灰塵不潔窗口目標(biāo)比較小,小于測量紅外測溫儀的視場運(yùn)動目標(biāo),尤其是快速運(yùn)動的物體目標(biāo)發(fā)射率低或變化,何種情況下采用雙色測量,29,煙塵,雙色測溫儀解決的問題,不潔鏡頭,不潔窗口,部分視場被遮擋,小于視場的目標(biāo),30,輸出選擇,熱偶輸出電流輸出0-20mA4-20mA電壓輸出0-5伏標(biāo)準(zhǔn)1mV/度R