紅外測溫方法的工作原理及測溫

1、紅外測溫方法的工作原理及測溫儀(北京化工大學信息科學與技術(shù)學院) 摘要：本文從黑體輻射原理出發(fā)分析了紅外測溫的工作原理，從發(fā)射率、距離系數(shù)、環(huán)境等幾個方面，探討和分析了測溫誤差的原因，以及基于紅外測溫技術(shù)的測溫儀的簡單的概述,并對紅外測溫儀的分類、性能、選擇及應用簡要的說明。 關(guān)鍵詞：黑體輻射、紅外測溫儀、溫度測量Infrared Thermometer and the working principle of Infrared Temperature measurement (College of Science and Technology，Beijing University of Ch

2、emical Technology)Abstract: In this paper, the theory of infra-red temperature measurement was analyzed according to the principle of blackbody radiation. We discussed the main factors for measurement accuracy, such as reflectance, distance coefficient and environment. Based on infrared temperature

3、measurement technology, we make a simple overview of infrared thermometer, and a brief description of its classification, performance, selection and application.Key words: Blackbody radiation; infrared thermometer; temperature measurement0 引言在自然界中,當物體的溫度高于絕對零度時,由于它內(nèi)部熱運動的存在,就會不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位于0.

4、 75100m 的紅外線.紅外測溫儀就是利用這一原理制作而成的,溫度是度量物體冷熱程度的一個物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過程均要求對溫度進行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的接觸式測溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測物質(zhì)進行充分的熱交換，需經(jīng)過一定的時間后才能達到熱平衡，存在著測溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗中存在一定的使用局限。目前，紅外溫度儀因具有使用方便，反應速度快，靈敏度高，測溫范圍廣，可實現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測量等眾多優(yōu)點，正在逐步地得以推廣應用。表1列出了常用的測溫方法和特點，其中紅

5、外測溫作為一種常用的測溫技術(shù)顯示出較明顯的優(yōu)勢。表1 常用測溫方法對比測溫方法溫度傳感器測溫范圍（C）精度（%）接觸式熱電偶-20018000.21.0熱電阻-503000.10.5非接觸式紅外測溫-5033001其它示溫材料-35200011 紅外測溫儀的工作原理及特點 1.1 黑體輻射與紅外測溫原理一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波

6、長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1，其它的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體。應該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱黑體輻射定律。由于黑體的光譜輻射功率Pb()與絕對溫度 之間滿足普朗克定理： （1）其中，Pb()黑體的輻射出射度；波長；T絕對溫度；c1、c2輻射常數(shù)。式（1）說明在絕對溫度 下，波長處單位面積上黑體的輻射功率為Pb()。根據(jù)這個關(guān)系可以得到下圖1的關(guān)系曲線：

7、圖1 黑體輻射的光譜分析從圖1中可以看出：(1)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計依據(jù)。(2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(向左)，并滿足維恩位移定理T *m = 2897.8 m*K，峰值處的波長m與絕對溫度 成反比，虛線為m 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。(3)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，測溫儀應盡量選擇工作在峰值波長處，特別是低溫小目標的情況下，這一點顯得尤為重要。根據(jù)斯特藩玻耳茲曼定理黑體的輻出度

8、Pb()與溫度 的四次方成正比， 即： (2)式中，Pb(T)溫度為T 時，單位時間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度；斯特藩玻耳茲曼常量；T物體溫度。式（2）中黑體的熱輻射定律正是紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。如果在條件相同情況下，物體在同一波長范圍內(nèi)輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻出度 Pb()小于黑體的單色黑度()，即實際物體接近黑體的程度。()= P(T)/ Pb(T) (3)考慮到物體的單色黑度()是不隨波長變化的常數(shù)，即 ()=，稱此物體為灰體。它是隨不同物質(zhì)而值不同，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也不同，只有黑體=1，而一般灰體01，由式(2)可得：所測物體的溫

9、度為： (4)式(4)正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學描述。1.2 紅外測溫儀特點 一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。紅外輻射能量的大小按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過對物體自身發(fā)出的紅外能量的測量,便能準確地測出它的表面溫度。紅外測溫儀能接收多種物體自身發(fā)射出的不可見紅外輻射能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分,紅外位于可見光和無線電波之間。當儀器測溫時,被測物體發(fā)射出的紅外輻射能量,通過測溫儀的光學系統(tǒng)在探測器上轉(zhuǎn)為電信號,并通過紅外測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度。紅外測溫儀特點:非接觸式測量,測溫范圍廣,響應速度快,靈敏度高。但由于受

10、被測對象的發(fā)射率影響,幾乎不可能測到被測對象的真實溫度,測量的是表面溫度。2 紅外測溫儀的系統(tǒng)組成紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學系統(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，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。輻射體發(fā)出的紅外輻射，進入光學系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉(zhuǎn)變成為相應的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標

11、的溫度值。光學系統(tǒng)熱輻射體顯示器紅外探測器 調(diào)制盤 電子放大器 調(diào)制盤圖2 紅外測溫儀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示紅外測溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性,依靠其內(nèi)部光學系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器(傳感器) ,并轉(zhuǎn)換成電信號,再通過放大電路、補償電路及線性處理后,在顯示終端顯示被測物體的溫度。系統(tǒng)由光學系統(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,其核心是紅外探測器,將入射輻射能轉(zhuǎn)換成可測量的電信號(見3圖) 。顯示器補償電路信號處理電路調(diào)制電機探測器光學系統(tǒng)被測目標 圖3 紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 紅外測溫誤差分析由于紅外測溫是非接觸式的，這樣會存在著各種誤差，影響誤差的因素很多，除了儀器本

12、身的因素外，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1、 輻射率輻射率是一個物體相對于黑體輻射能力大小的物理量，它除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸度等有關(guān)，還與測試的方向有關(guān)。若物體為光潔表面時，其方向性更為敏感。不同物質(zhì)的輻射率是不同的，紅外測溫儀從物體上接收到輻射能量大小正比于它的輻射率。（1） 輻射率的設定根據(jù)基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發(fā)射率()等于它的半球單色吸收率()，=。在熱平衡條件下，物體輻射功率等于它的吸收功率，即吸收率()、反射率()、透射率()總和為1，即+=1，圖4 解釋了上述規(guī)律。對于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可視=0，只有輻射和反射(+=1)，當物體的輻射率越

13、高，反射率就越小，背景和反射的影響就會越小，測試的準確性也就越高；反之，背景溫度越高或反射率越高，對測試的影響就越大。由此可以看出，在實際的檢測過程中必須注意不同物體和測溫儀相對應的輻射率，對輻射率的設定要盡量準確，以減小所測溫度的誤差。圖4 目標的紅外輻射（2） 測試角度輻射率與測試方向有關(guān)，測試角度越大，測試誤差越大，在用紅外進行測溫時，這一點很容易被忽視。一般來說，測試角最好在30C 之內(nèi)，一般不宜大于45C，如果不得不大于45C 進行測試，可以適當?shù)卣{(diào)低輻射率進行修正。如果兩個相同物體的測溫數(shù)據(jù)要進行判斷分析，那么在測試時測試角一定要相同，這樣才更具有可比性。2、 距離系數(shù)距離系數(shù)(K

14、=S:D)是測溫儀到目標的距離S 與測溫目標直徑D 的比值，它對紅外測溫的精確度有很大影響，K 值越大，分辨率越高。因此，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，就應選擇高光學分辨率的測溫儀，以減小測量誤差。在實際使用中，許多人忽略了測溫儀的光學分辨率。不管被測目標點直徑D 大小，打開激光束對準測量目標就測試。實際上他們忽略了該測溫儀的S:D 值的要求，這樣測出的溫度會有一定的誤差。比如，用測量距離與目標直徑S:D=8:1 的測溫儀，測量距離應滿足表2 的要求。表2 S 值應滿足的要求目標大小D(mm)1550100200測量距離S(mm)120400800 確定

15、溫度范圍2 確定目標尺寸3 確定光學分辨率4 確定波長范圍5 確定響應時間6 信號處理功能7 考慮環(huán)境條件8 紅外輻射測溫儀的標定9 操作使用6 紅外測微儀的應用紅外測溫儀具有非接觸和快速測溫的優(yōu)點, 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學研究方面都有著廣泛的用途。按其使用的途徑可分為兩大類首先是測量被測目標的表面溫度其次是利用測量物體的熱分布狀況判斷物體與熱分布有關(guān)的其他性質(zhì)的間接測量。舉例如下：1鋼鐵工業(yè)中使用的紅外測溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時測量控制溫度對提高產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。對爐壁和機械設備熱故障的監(jiān)測為延長使用壽命和安全保障提供依據(jù)。2在機械加工中, 測量控制熱處理部件

16、的溫度對產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。3在化學工業(yè)中, 化工設備都在高溫高壓下工作, 監(jiān)測設備的熱分布狀況, 判斷設備工作情況, 檢測熱篙道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。4在動力、電力業(yè)方面, 在運行及帶電條件下檢測動力設備、配電設備、電纜、電器接頭等溫度的異常, 為設備的安全運行提供一定的保障。5在建筑業(yè)中, 通過對建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測確定它的絕熱、裂漏隱患及缺陷的位置。確定工廠、建筑物熱耗的管理。6在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測量, 農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測, 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測。7在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫

17、度的測量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測量, 農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測, 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測。8在科學研究方面, 由于紅外測溫儀的突出優(yōu)點, 使得在特殊試驗條件要求一能提供測溫手段, 應用范圍較廣。總之，其應用范圍很廣，在就不一一列舉，由此可見紅外測溫儀的用途很大，對工業(yè)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。7 結(jié)語紅外測溫技術(shù)隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展日趨完善, 用途逐漸滲透到各個領(lǐng)域。開發(fā)更新型的紅外測溫技術(shù)，完善紅外測溫儀的性能是時代發(fā)展的要求?；诤隗w輻射原理的紅外測溫技術(shù)在現(xiàn)代化的發(fā)展起著越來越重要的作用，它的非接觸測量，實現(xiàn)了遙測技術(shù)；不破壞被測溫度場的均衡性； 光子作為信息

18、載體，響應速度快；靈敏度高，比傳統(tǒng)的傳感器高1-4個數(shù)量級；頻帶寬，動態(tài)范圍大；方便的和計算機連接，容易實現(xiàn)數(shù)字化，智能化； 安裝方便，使用附件少，維護簡單，提高了勞動生產(chǎn)力；非接觸測量極大的提高了本產(chǎn)品的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本；體積小、重量輕、價格不斷低遞降等優(yōu)點使得它在其他的測溫儀器中有越來越大的優(yōu)勢。參考文獻1 李軍，劉梅冬，曾亦可等.非接觸式紅外測溫的研究J，2001.LI J，LIU M D，ZENG Y K，Research on Non-contact Infrared Temperature Measurement J， 2001.2 袁繼俊供稿.紅外測溫儀J.YUAN J J，Infrared Thermometer J.3 曾強，舒芳譽，李清華.紅外測溫儀工作原理及誤差分析J，2007.ZENG Q，SHU F Y，LI Q H，Principle And Error Analysis Of Infra-Red Temperature Measurement J,2007.4 張欽.紅外測溫儀的