紅外測溫的理論依據(jù)

1、第1章 人體紅外線測溫儀的理論依據(jù)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(zhǔn)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(yīng)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，

2、從而導(dǎo)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(diǎn)，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：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(qiáng)。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(shè)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

3、*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(qiáng)，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(diǎn)顯得尤為重要。根據(jù)斯特藩玻耳茲曼定理黑體的輻出度 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

4、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(shí)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：所測物體的溫度為： (4)式(4)正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學(xué)描述。1.2人體紅外線測溫儀的理論依據(jù)自然界一切溫度高于絕對零度(-273.15)的物體，由于分子的熱運(yùn)動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符

5、合輻射定律。紅外輻射原理 輻射定律： （2.1）式中：為輻射出射度數(shù)，；為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，；為物體的輻射率；為物體的溫度，單位；為物體周圍的環(huán)境溫度，單位。測量出所發(fā)射的，就可得出溫度。利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0100）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設(shè)計也不同。根據(jù)式（2.1）的原理，儀表所測得的紅外輻射為： （2.2）式中：為光學(xué)常數(shù)，與儀表的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)；為被測對象的輻射率；為紅外溫度計的

6、輻射率；為被測對象的溫度（K）；為紅外溫度計的溫度（K）；它由一個內(nèi)置的溫度檢測元件測出。輻射率是一個用以表達(dá)物體發(fā)射電磁波能力的系數(shù)，數(shù)值由0至1.0。所有真實(shí)的物體，包括人體各部位的表面，其值都是某個低于1.0的數(shù)值。人體主要輻射波長在910的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測試速度快，1秒以內(nèi)可測試完畢。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

7、分組成。第二章 人體紅外線測溫儀的性能指標(biāo)及作用總的來說，測溫范圍、顯示分辨率、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)射率等都是紅外線測溫儀的性能指標(biāo)。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。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(jìn)行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。否則背景會干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨(dú)立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。 3、確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由D：S

8、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(yuǎn)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，測溫儀的成本也越高。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。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(dá)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)。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

9、值）。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。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。 第三章 影響溫度測量的主要因素及修正方法3.1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

10、射能量大小正比于它的輻射率。（1） 輻射率的設(shè)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(dāng)物體的輻射率越高，反射率就越小，背景和反射的影響就會越小，測試的準(zhǔn)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(shí)際的檢測過程中必須注意不同物體和測溫儀相對應(yīng)的輻射率，對輻射率的設(shè)定要盡量準(zhǔn)確，以減小所測溫度的誤差。圖4 目標(biāo)的紅外輻

11、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(jìn)行測溫時，這一點(diǎn)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(jìn)行測試，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低輻射率進(jìn)行修正。如果兩個相同物體的測溫數(shù)據(jù)要進(jìn)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=S:D)是測溫儀到目標(biāo)的距離S 與測溫目標(biāo)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(yuǎn)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，以減小測量誤差。在實(shí)際使用中，許多

12、人忽略了測溫儀的光學(xué)分辨率。不管被測目標(biāo)點(diǎn)直徑D 大小，打開激光束對準(zhǔn)測量目標(biāo)就測試。實(shí)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(biāo)直徑S:D=8:1 的測溫儀，測量距離應(yīng)滿足表2 的要求。表2 S 值應(yīng)滿足的要求目標(biāo)大小D(mm)1550100200測量距離S(mm)12040080016003、 目標(biāo)尺寸被測物體和測溫儀視場決定了儀器測量的精度。使用紅外測溫儀測溫時，一般只能測定被測目標(biāo)表面上確定面積的平均值。一般測試時有以下三種情況：(1)當(dāng)被測目標(biāo)大于測試視場時，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響，就能顯示被測物體位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定

13、面積的真實(shí)溫度，這時的測試效果最好。(2)當(dāng)被測目標(biāo)等于測試視場時，背景溫度已受到影響，但還比較小，測試效果一般。(3)當(dāng)被測目標(biāo)小于測試視場時，背景輻射能量就會進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。儀器僅顯示被測物體和背景溫度的加權(quán)平均值。因此建議在實(shí)際測溫時，被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好，具體情況如圖5 所示。圖5 目標(biāo)與視場示意圖4、 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(dá)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(yùn)動速度很快或者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(dá)不到足夠的

14、信號響應(yīng)，會降低測量精度。但并不是所有應(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)時間可放寬要求。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。5、 環(huán)境因素 被測物體所處的環(huán)境條件對測量的結(jié)果有很大的影響，它主要體現(xiàn)在兩個方面，即環(huán)境的溫度和精晰度。(1) 環(huán)境溫度的影響設(shè)被測目標(biāo)的溫度為T1，環(huán)境溫度為T2 時，該目標(biāo)單位面積表面發(fā)射的輻射能為，而相應(yīng)地被它所吸收輻射能為，則該物體發(fā)出的凈輻射能Q 為: Q=- （5）式中，A單位面積；物體的輻射率；吸收率。設(shè)被測物體的 和兩者相等，由式(5)可得： (6)表3 提供了感受波長在(912m)的測

15、溫儀在環(huán)境溫度為270K330K 范圍，對從300K1000K 目標(biāo)溫度進(jìn)行測量時產(chǎn)生的能量誤差(%)。由表中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，產(chǎn)生的附加輻射影響就越大，測溫的誤差也就越大。表 3 能量誤差隨目標(biāo)溫度計環(huán)境溫度的變化曲線目標(biāo)溫度環(huán)境溫度27028029030031032033030020.3723.5026.7430.0033.2336.4539.594007.298.6310.0911.6513.2815.0016.775003.644.355.125.956.867.828.836002.232663.153.684.254.865.527001.531.842172.542.

16、943.373.848001.141.371.621.902.202.532.889000.931.121.331.551.802.072.3510000.750.901.071.251.451.661.90(2) 大氣吸收的影響紅外線在輻射的傳輸過程中，由于大氣的吸收作用，能量總要受到一定的衰減。大氣吸收是指在傳輸過程中使一部分紅外線輻射能量變成其它形式的能量，或以另一種光譜分布。大氣吸收程度隨空氣溫溫變化而變化，被測物體距離越遠(yuǎn)，大氣透射對溫度測量的影響就越大。所以，在室外進(jìn)行紅外測溫時，應(yīng)盡量在無雨、無霧、空氣比較清晰的環(huán)境下進(jìn)行。在室內(nèi)進(jìn)行紅外測溫時，應(yīng)在沒有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行，這樣就

17、可以在誤差最小的情況下測得較準(zhǔn)確的數(shù)值。3.2影響紅外人體測溫儀的因素有：1、測溫目標(biāo)大小與測溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測的目標(biāo)的有效直徑D是不同的，因而在測量小目標(biāo)時要注意目標(biāo)距離。人體紅外測溫儀距離系數(shù)K的定義為：被測目標(biāo)的距離L與被測目標(biāo)的直徑D之比，即K=L/D。 2、選擇被測物質(zhì)發(fā)射率：人體紅外測溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率=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，在需要測量目標(biāo)的真實(shí)溫度時，必須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從輻射測溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)中查得。3、測量溫度時的環(huán)境因素：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大的影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會影響

18、測溫精度。本設(shè)計中正是利用了PM611熱釋電紅外線傳感器可以補(bǔ)償溫度起伏的作用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。 4、強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測量：若被測目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽光或強(qiáng)燈直射），則測量的準(zhǔn)確性將受到影響，因此可用物體遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背景光干擾。 5、溫度輸出功能：首先模擬信號輸出05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入閉環(huán)控制中。其次高報警、低報警生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個范圍里，可設(shè)置高，低報警值。高報警：在高報警設(shè)置打開的情況下，當(dāng)溫度高于高報警值，相應(yīng)的LED燈閃爍，蜂鳴器響，并有AH常開繼電器接通。由于在溫度測量時是在不確定的環(huán)境中進(jìn)行的，所以外界環(huán)境會對測溫造成一定的影響，對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以要對環(huán)境溫度有一個修正。 由2.1節(jié)輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應(yīng)公式為： (2.3)式中：為與熱釋電響應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)，為物體表面溫度，為環(huán)境溫度。根據(jù)表達(dá)式（2.3）可以得到不同的標(biāo)定公式： （1）簡單關(guān)系式，即 （2.4）式中：，應(yīng)用此公式所作的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，表中數(shù)據(jù)表明， 不僅與