紅外輻射測(cè)溫

1、紅外輻射測(cè)溫u概要u原理u分類(lèi)u應(yīng)用孟令剛孟令要 在自然界中在自然界中,當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí),由于它內(nèi)部熱由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在運(yùn)動(dòng)的存在,就會(huì)不斷地向四周輻射電磁波就會(huì)不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了其中就包含了波段位于波段位于0.75100m的紅外線(xiàn)的紅外線(xiàn).紅外輻射測(cè)溫就是利用紅外輻射測(cè)溫就是利用這一原理這一原理,溫度是度量物體冷熱程度的一個(gè)物理量，是工溫度是度量物體冷熱程度的一個(gè)物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過(guò)程均要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)

2、視和控制，特別是在化工、食品過(guò)程均要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制直接影響到產(chǎn)品的等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)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(cè)溫儀表如熱電偶、熱電阻等，質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后因要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在著測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)才能達(dá)到熱平衡，存在著測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)中存在一定的使用局限。目前，紅外溫度儀因具質(zhì)量檢驗(yàn)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(yīng)速

3、度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，可實(shí)有使用方便，反應(yīng)速度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步地得以推廣現(xiàn)在線(xiàn)非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步地得以推廣應(yīng)用。應(yīng)用。 表1列出了常用的測(cè)溫方法和特點(diǎn)，其中紅外測(cè)溫作為一種常用的測(cè)溫技術(shù)顯示出較明顯的優(yōu)勢(shì)。紅外輻射測(cè)溫的工作原理及特點(diǎn) 一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g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(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀(guān)基礎(chǔ)。 黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它

4、吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，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(chēng)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諧振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)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(chēng)黑體輻射定律。 在量子力學(xué)里，量子諧振子（英語(yǔ)：quantum harmonic oscillator）是經(jīng)典諧振子的延伸。其為量子力學(xué)中數(shù)個(gè)重要的模型系統(tǒng)中的一者，因?yàn)橐蝗我鈩?shì)在穩(wěn)定平衡點(diǎn)附近可以用諧振子勢(shì)來(lái)近似。此外，其也是少數(shù)幾個(gè)存在簡(jiǎn)單解析解的

5、量子系統(tǒng)。量子諧振子可用來(lái)近似描述分子振動(dòng)。紅外輻射測(cè)溫儀 一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。紅外輻射能量的大小按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過(guò)對(duì)物體自身發(fā)出的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)出它的表面溫度。紅外測(cè)溫儀能接收多種物體自身發(fā)射出的不可見(jiàn)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(jiàn)光和無(wú)線(xiàn)電波之間。當(dāng)儀器測(cè)溫時(shí),被測(cè)物體發(fā)射出的紅外輻射能量,通過(guò)測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè)器上轉(zhuǎn)為電信號(hào),并通過(guò)紅外測(cè)溫儀的顯示部分顯示出被測(cè)物體的表面溫度。 紅外測(cè)溫儀特點(diǎn):非接觸式測(cè)量,測(cè)溫范圍廣,響應(yīng)速度快,靈敏度高。但由于受被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率

6、影響,幾乎不可能測(cè)到被測(cè)對(duì)象的真實(shí)溫度,測(cè)量的是表面溫度。紅外測(cè)溫儀的系統(tǒng)組成 紅外測(cè)溫紅外測(cè)溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過(guò)已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。過(guò)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(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外測(cè)溫儀的外觀(guān)設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，紅外測(cè)溫儀的外觀(guān)設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)、光但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、

7、顯示輸出電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。所示。輻射輻射體發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器體發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)入光學(xué)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(cè)器轉(zhuǎn)變成把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測(cè)器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處為相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。紅外測(cè)溫誤差分析 由于紅外測(cè)溫是非接觸式的，這樣會(huì)存在著各種誤差，影響誤差的因素很多，除了儀器本身的因

8、素外，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 輻射率 距離系數(shù) 目標(biāo)尺寸 響應(yīng)時(shí)間 環(huán)境因素輻射率 輻射率是一個(gè)物體相對(duì)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(cè)試的方向有關(guān)。若物體為光潔表面時(shí)，其方向性更為敏感。不同物質(zhì)的輻射率是不同的，紅外測(cè)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(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(duì)于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可視=0，

9、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(huì)越小，測(cè)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(duì)測(cè)試的影響就越大。由此可以看出，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中必須注意不同物體和測(cè)溫儀相對(duì)應(yīng)的輻射率，對(duì)輻射率的設(shè)定要盡量準(zhǔn)確，以減小所測(cè)溫度的誤差。 （2） 測(cè)試角度 輻射率與測(cè)試方向有關(guān)，測(cè)試角度越大，測(cè)試誤差越大，在用紅外進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，這一點(diǎn)很容易被忽視。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)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(cè)試，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低輻射率進(jìn)行修正。如果兩個(gè)相同物體的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)要進(jìn)行判斷分析，那么在測(cè)試時(shí)測(cè)試角一定要相同，這樣才更具有可比性。

10、 距離系數(shù) 距離系數(shù)(K=S:D)是測(cè)溫儀到目標(biāo)的距離S 與測(cè)溫目標(biāo)直徑D 的比值，它對(duì)紅外測(cè)溫的精確度有很大影響，K 值越大，分辨率越高。因此，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，以減小測(cè)量誤差。在實(shí)際使用中，許多人忽略了測(cè)溫儀的光學(xué)分辨率。不管被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)直徑D 大小，打開(kāi)激光束對(duì)準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)就測(cè)試。實(shí)際上他們忽略了該測(cè)溫儀的S:D 值的要求，這樣測(cè)出的溫度會(huì)有一定的誤差。 比如，用測(cè)量距離與目標(biāo)直徑S:D=8:1 的測(cè)溫儀，測(cè)量距離應(yīng)滿(mǎn)足表2 的要求。目標(biāo)尺寸 被測(cè)物體和測(cè)溫儀視場(chǎng)決定了儀器測(cè)量的精度。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫時(shí)，一般

11、只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上確定面積的平均值。一般測(cè)試時(shí)有以下三種情況： (1)當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響，就能顯示被測(cè)物體位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實(shí)溫度，這時(shí)的測(cè)試效果最好。 (2)當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，背景溫度已受到影響，但還比較小，測(cè)試效果一般。 (3)當(dāng)被測(cè)目標(biāo)小于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，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。儀器僅顯示被測(cè)物體和背景溫度的加權(quán)平均值。因此建議在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好，具體情況如圖5 所示響應(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)最后讀數(shù)的95%能量所需要

12、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)速度很快或者測(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。但并不是所有應(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(guò)程存在熱慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間可放寬要求。因此，紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。環(huán)境因素 被測(cè)物體所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量的結(jié)果有很大的影響，它主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即環(huán)境的溫度和大氣吸收。環(huán)境溫度的影響由表中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，產(chǎn)生的附加輻射影響就越大，測(cè)溫的誤差也就越大。大氣吸收的影響 紅外線(xiàn)在輻射的傳輸過(guò)程中，由于大氣的吸收作用

13、，能量總要受到一定的衰減。大氣吸收是指在傳輸過(guò)程中使一部分紅外線(xiàn)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(cè)物體距離越遠(yuǎn)，大氣透射對(duì)溫度測(cè)量的影響就越大。所以，在室外進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)盡量在無(wú)雨、無(wú)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(cè)溫時(shí)，應(yīng)在沒(méi)有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行，這樣就可以在誤差最小的情況下測(cè)得較準(zhǔn)確的數(shù)值。紅外測(cè)溫的幾種方法 全輻射測(cè)溫法 亮度測(cè)溫法 雙波段測(cè)溫法 多波段測(cè)溫法 最大波長(zhǎng)測(cè)溫法全輻射測(cè)溫法 它是根據(jù)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)限大整個(gè)光譜范圍物體的總輻射功率用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系

14、是由斯蒂芬- 玻爾茲曼定律來(lái)描述。圖6 是一種典型的全輻射測(cè)溫儀。 亮度測(cè)溫法亮度測(cè)溫法 它是根據(jù)測(cè)量給定波長(zhǎng)K0 附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度, 適用于高溫測(cè)量。 雙波段測(cè)溫法雙波段測(cè)溫法 它是根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)給定波長(zhǎng)K1 和K2 的輻射功率之比, 用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度, 適合測(cè)量發(fā)射率變化或未知的物體, 但只適合于測(cè)量輻射能量密度大的高溫物體。這3 種方法均由普朗克定律來(lái)描述。 多波段測(cè)溫法多波段測(cè)溫法 依次取多個(gè)波段, 通過(guò)計(jì)算這些波段輻射功率之間的復(fù)雜關(guān)系來(lái)確定物體的溫度。 最大波長(zhǎng)測(cè)溫法最大波長(zhǎng)測(cè)溫法 由維恩位移定律, 黑體輻射峰值波長(zhǎng)Kmax與絕對(duì)

15、溫度T 之積為一常數(shù), 通過(guò)測(cè)量峰值波長(zhǎng)Kmax來(lái)計(jì)算溫度T。此法常用測(cè)量極高溫(大于2 000 C)。由此可見(jiàn), 非接觸紅外測(cè)溫有以下的缺點(diǎn)：測(cè)得的溫度值是測(cè)量對(duì)象的表面溫度, 且必須用發(fā)射率進(jìn)行修正, 增加了測(cè)量的復(fù)雜性; 周?chē)橘|(zhì)的影響引起測(cè)量誤差。紅外輻射測(cè)溫器種類(lèi) 紅外測(cè)溫儀器主要有3種類(lèi)型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀（點(diǎn)溫儀）。應(yīng)用 紅外測(cè)溫儀具有非接觸和快速測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)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(lèi)首先是測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的表面溫度其次是利用測(cè)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(cè)量。舉例如下： 1鋼鐵工業(yè)中使用

16、的紅外測(cè)溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時(shí)測(cè)量控制溫度對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。對(duì)爐壁和機(jī)械設(shè)備熱故障的監(jiān)測(cè)為延長(zhǎng)使用壽命和安全保障提供依據(jù)。 2在機(jī)械加工中, 測(cè)量控制熱處理部件的溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。 3在化學(xué)工業(yè)中, 化工設(shè)備都在高溫高壓下工作, 監(jiān)測(cè)設(shè)備的熱分布狀況, 判斷設(shè)備工作情況, 檢測(cè)熱篙道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。 4在動(dòng)力、電力業(yè)方面, 在運(yùn)行及帶電條件下檢測(cè)動(dòng)力設(shè)備、配電設(shè)備、電纜、電器接頭等溫度的異常, 為設(shè)備的安全運(yùn)行提供一定的保障。 5在建筑業(yè)中, 通過(guò)對(duì)建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測(cè)確定它的絕熱、裂漏隱患及缺陷的位置。確定工廠(chǎng)、建筑物熱耗的管理。 6在農(nóng)