紅外線測溫法原理

1、紅外線測溫法原理供稿：OMEGA工業(yè)測量關(guān)鍵詞：OMEGA，溫度傳感器，紅外測溫W. R. Barron, Williamson Corporation紅外線測溫法的原理是對精確監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明的重要前提。遺憾的是，許多用戶沒有花時間來了解基本原理，因此他們會認(rèn)為非接觸式溫度測量是不精確的。精確的。溫度測量可以分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式熱電偶、RTD和溫度計在溫度測量應(yīng)用中最為普遍。由于測量的是它們自身的溫度因此它們必須接觸目標(biāo)，它們的響應(yīng)相對較慢，但它們比較便宜。非接觸式溫度傳感器測量目標(biāo)發(fā)射的紅外線能量，它們響應(yīng)快，通常用來測量移動目標(biāo)或間歇性目標(biāo)，真空中的目標(biāo)，以及測量由于惡

2、劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)限制或安全隱患而無法接近的目標(biāo)。它們的成本較高，但在某些情況下，它們的成本與非接觸式設(shè)備相當(dāng)。紅外線輻射由艾薩克·牛頓爵士于1666年發(fā)現(xiàn)，他通過讓白色光透過玻璃棱鏡，將白色光束分解成彩虹的顏色，從陽光中分離出電磁能量。1800年，威廉·赫歇爾爵士進(jìn)一步測量了每種顏色的相對能量。他還發(fā)現(xiàn)了可見光以外的能量。20世紀(jì)初，普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫進(jìn)一步確定了電磁波譜的活動，并且發(fā)展了用來確定紅外線能量的定量數(shù)據(jù)和方程式。這項研究使人們有可能利用基本黑體輻射曲線（參見圖1）確定紅外線能量。從該圖中可以得出，溫度高于-273C的物體輻射出的能量數(shù)量與其溫

3、度的四次方成比例。黑體輻射概念是紅外線測量法的基礎(chǔ)。然而，術(shù)語"發(fā)射率"為這些基本物理定律增加了變數(shù)。發(fā)射率衡量灰體（非黑體）放射出的熱輻射量與相同溫度的黑體的熱輻射量之比。（灰體指在所有波長具有相同光譜發(fā)射率的物體；非灰體指發(fā)射率隨波長而改變的物體，例如鋁。）圖1：如在600F 1200F溫度范圍內(nèi)黑體發(fā)射的能量分布的曲線所示，主輻射位于0.5-14 m的紅外區(qū)，遠(yuǎn)離可見光區(qū)。能量守恒定律說明輻射（吸收）的透射、反射和發(fā)射的系數(shù)之和必須等于1：tl + r + a = 1并且發(fā)射率等于吸收E = a因此：E = 1 - t - r此發(fā)射率系數(shù)可以作為變量放入普朗克方程式中

4、，描述相對于波長的物體表面特征。大多數(shù)被測物體是不透明的，發(fā)射率系數(shù)可以簡化成：E = 1 - rl玻璃、塑料和硅等材料是例外，但是通過選擇適當(dāng)?shù)墓庾V濾光，可以在這些物體的不透明紅外線區(qū)測量它們。通常，對于發(fā)射率誤差會有很多混淆之處，但用戶只需記住下面四條：· - 紅外線傳感器不能辨別顏色，這是固有的。· - 如果目標(biāo)反光（例如鏡子），請注意，您不僅僅按照需要的那樣測量發(fā)射的輻射能量，而且還要測量反射的輻射能量。· - 如果可以看透目標(biāo)，需要選擇紅外線濾光（例如，在5m波長時玻璃是不透明的）。· - 10項應(yīng)用中有9項不需要絕對溫度測量。重復(fù)性和無漂移操

5、作提供了嚴(yán)密的溫度控制。如果表面閃光，可手動或者自動進(jìn)行發(fā)射率調(diào)整來校正發(fā)射率誤差。對于大多數(shù)應(yīng)用，這是一種簡單的辦法。在發(fā)射率變化并且造成處理問題時，請考慮使用雙波長或多波長輻射測量法解決發(fā)射率問題。設(shè)計元素紅外線溫度計有種類繁多的配置，包括光學(xué)器件、電子器件、技術(shù)、尺寸和保護(hù)性殼體。但它們都具有一系列紅外線能量接收組件和電子信號輸出組件。基本組件系列包括匯聚光學(xué)器件、鏡頭和/或光纖、光譜濾光以及探測器作為前端。動態(tài)處理有多種形式，但是可以總結(jié)為放大、熱穩(wěn)定性、線性化以及信號調(diào)節(jié)。普通窗戶玻璃在短波長范圍內(nèi)適紅外線測溫法原理（續(xù)）用，石英適用于中波范圍，鍺或硫化鋅適用于814 m波長范圍。光

6、纖可用于0.55.0 m波長區(qū)。從應(yīng)用的觀點看，光學(xué)器件的主要特征是視場(FOV)，即在指定距離處目標(biāo)尺寸是多少？ 例如，在一種普遍采用的透鏡系統(tǒng)中，15英寸工作距離處目標(biāo)直徑為1英寸。根據(jù)平方反比定律，通過將距離加倍（30英寸），目標(biāo)區(qū)域理論上也加倍（直徑為2英寸）。目標(biāo)尺寸（測量區(qū)域）的實際定義將因供應(yīng)商而異，并且取決于價格。其它光學(xué)配置從適用于近距離精密測量的小光斑器件（直徑0.030英寸）到適合遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離光學(xué)器件（距離30英尺時直徑為3英寸），不一而足。注意，如果目標(biāo)占滿視場(FOV)，工作距離就不應(yīng)影響精度，這一點很重要。在一種視場(FOV)測量技術(shù)中，可變因素是信號損失和直

7、徑。一條嚴(yán)格的規(guī)則是能量減少量為1%，但可以在一半功率或63.2%功率時提供一些數(shù)據(jù)。對準(zhǔn)（瞄準(zhǔn)）是另一個光學(xué)方面的因素。許多傳感器沒有這種功能；透鏡對準(zhǔn)表面，測量表面溫度。這種結(jié)構(gòu)可用于不需要高精度的大目標(biāo)，例如卷筒紙。對于使用小光斑光學(xué)器件的小目標(biāo)，以及對于在遠(yuǎn)距離監(jiān)測中使用的遠(yuǎn)距離光學(xué)器件，提供有目視瞄準(zhǔn)、瞄準(zhǔn)燈和激光瞄準(zhǔn)。選擇性光譜濾光通常將短波濾光片用于 高溫應(yīng)用（大于1000F），將長波濾光 片用于低溫測量（50F）。很明顯，這 與黑體能量分布曲線擬合，并且還有一 些技術(shù)方面的優(yōu)勢。例如，高溫/短波使 用熱穩(wěn)定性極強的硅探測器，而且短波 設(shè)計最大限度減小了發(fā)射率變動造成的 溫度誤差

8、。其它選擇性濾光用于塑料薄 膜（3.43 m和7.9 m）、玻璃（5.1 m）和火焰不敏感區(qū)（3.8 m）。多種多樣的探測器的選擇是為了來最大限度利用傳感器的靈敏度。如圖2中所示，PbS靈敏度最高，熱電堆靈敏度最低。大部分探測器是光伏型（在通電時輸出電壓）或光導(dǎo)型（在激勵時改變 電阻）。這些探測器響應(yīng)迅速、靈敏度高的代價就是熱漂移，可以通過多種方法解決熱漂移，包括溫度補償（熱敏電 阻）電路、溫度調(diào)節(jié)、自動校零電路、斬波（AC和DC輸出）以及等溫保護(hù)。可提供不同程度的無漂移操作，無漂移操作取決于設(shè)備價格。在紅外線溫度計的電子設(shè)備組件內(nèi)，探測器的大約100-1000 V的非線性輸出信號得到處理。信

9、號被放大1000倍，并經(jīng)過調(diào)節(jié)和線性化處理，最終輸出的是線性mV或mA信號。趨向于提供4 20 mA輸出，以便將環(huán)境電噪聲干擾降到最小。圖2：若要優(yōu)化紅外線感應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)，必須考慮探測器的光譜響應(yīng)和調(diào)制特征這種信號可以轉(zhuǎn)變成RS 232信號，或者提供給PID控制器、遠(yuǎn)程顯示屏或記錄器。其它信號調(diào)節(jié)選項包括通/斷報警、適用于間歇目標(biāo)的可調(diào)峰值保持功能、可調(diào)響應(yīng)時間和/或采樣保持電路。紅外線溫度計的平均響應(yīng)時間大約為300ms，但是可以使用硅探測器獲得大約10ms的信號輸出?，F(xiàn)實中，很多儀器都擁有可調(diào)節(jié)響應(yīng)功能，可對接收的噪聲信號進(jìn)行衰減，并且可對靈敏度進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)。并非總是必須提供最快的響應(yīng)。

10、但是有一些涉及感應(yīng)加熱以及其它類型的應(yīng)用，它們要求大約10-50 ms的響應(yīng)時間，可通過紅外線測溫法獲得。單波長測溫法基本單波長設(shè)計用于測量表面在規(guī)定波長所發(fā)射的總能量。配置包括帶簡單遠(yuǎn)程儀表的手持式探頭、可同時查看目標(biāo)和溫度的復(fù)雜便攜式設(shè)備，以及記憶和/或打印輸出功能，不一而足。在線固定安裝式傳感器從配備遠(yuǎn)程電子設(shè)備（OEM設(shè)計）的簡單小型探測器到擁有遠(yuǎn)程PID控制的堅固耐用設(shè)備不等。纖維光學(xué)器件、激光瞄準(zhǔn)、水冷、CRT顯示器和掃描系統(tǒng)也包括在用于過程監(jiān)控和控制應(yīng)用的選件中。在尺寸、性能、耐用差異。過程傳感器配置、紅外線光譜濾光、溫度范圍、光學(xué)器件、響應(yīng)時間和目標(biāo)發(fā)射率是重要的設(shè)計元素，它們

11、影響性能，必須在選型過程中仔細(xì)考慮。傳感器配置可以是簡單的便攜式，或兩線制變送器，還可以是復(fù)雜的加固型感應(yīng)裝置或掃描設(shè)備。目視瞄準(zhǔn)、激光瞄準(zhǔn)、無瞄準(zhǔn)、光纖、水冷、輸出信號及遠(yuǎn)程顯示可以籠統(tǒng)地代表各種不同可選功能。這在某種程度上存在主觀性，需要進(jìn)行設(shè)計審查。多數(shù)情況下，如果是簡單應(yīng)用，例如測量卷筒紙溫度，簡單的低成本傳感器就可以應(yīng)付了；如果是復(fù)雜應(yīng)用，例如在真空室內(nèi)測量或者測量小目標(biāo)，則更先進(jìn)的傳感器將是更好的選擇。紅外線光譜響應(yīng)和溫度范圍的選擇與具體應(yīng)用有關(guān)。短波適合高溫測量，長波適合低溫測量，這符合黑體能量分布曲線。如果涉及透明目標(biāo)，例如塑料和玻璃，則需要使用選擇性窄帶濾光。例如，聚乙烯塑料

12、的CH吸收光譜帶為3.43 m,，在此范圍內(nèi)聚乙烯塑料是不透明的。通過在該范圍內(nèi)濾光，發(fā)射率因素得以簡化。同樣，大多數(shù)玻璃類材料在4.6 m光譜帶時變得不透明，在5.1 m范圍內(nèi)進(jìn)行窄帶濾光就可以精確地測量玻璃表面溫度。另一方面，要透過玻璃窗觀察，在1-4 m區(qū)域被濾光的傳感器允許您透過玻璃窗測量真空室和壓力室溫度。在測量這類艙室溫度時，另一個選擇是使用帶有真空襯套或壓力襯套的光纖電纜。光學(xué)特征和響應(yīng)時間是兩個傳感器特征，在允許15英寸處標(biāo)準(zhǔn)視場約為1英寸以及響應(yīng)時間小于 <1秒就足夠了的多數(shù) 應(yīng)用中，它們都不是問題。然而，如果 應(yīng)用要求測量小目標(biāo)或者快速移動的間 歇性目標(biāo)，可以使用小光

13、斑（直徑0.125 英寸）和超小光斑（直徑0.030英寸）器 件，但價格昂貴。同樣，遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)（ 距離目標(biāo)101000英尺）時也需要進(jìn)行 光學(xué)調(diào)整，因為標(biāo)準(zhǔn)視場(FOV)將變得過 大。在一些情況下，雙波長輻射測量法 可用于這類應(yīng)用，例如，接線和遠(yuǎn)距離 瞄準(zhǔn)。采用光纖前端，可以不必再在惡 劣環(huán)境中使用電子元件、消除了電噪聲 并且解決了目標(biāo)接近問題，因而增加了 設(shè)計靈活性。它是一種吸引人的設(shè)計工 具，有助于解決一些特別的應(yīng)用問題。大多數(shù)傳感器具有可調(diào)響應(yīng)時間，范圍為0.2 5.0秒，一般設(shè)置在此范圍的中段?？焖夙憫?yīng)會受到應(yīng)用中噪聲的干擾，而慢速響應(yīng)則影響靈敏度。感應(yīng)加熱需要快速響應(yīng)，傳送帶或卷筒紙

14、監(jiān)測需要慢速響應(yīng)以減少應(yīng)用中的干擾。快速響應(yīng)型傳感器需要使用快速響應(yīng)型控制器、可控硅電源組件及其它調(diào)節(jié)器?？梢酝ㄟ^下面的方程式確定綜合系統(tǒng)其中：T = 總響應(yīng)時間 t1,t2 = 回路中的各個部分考慮到時間要素，有以下兩種過程動態(tài)：穩(wěn)態(tài)變化，其中涉及由于過程是動態(tài)的而需要嚴(yán)格溫度控制的快速運動產(chǎn)品，例如，電線的感應(yīng)加熱。階躍變化或斜坡響應(yīng)，與對分批式生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品進(jìn)行極快速加熱有關(guān)，例如硅片的加溫退火。在這些動態(tài)應(yīng)用中，系統(tǒng)響應(yīng)性和傳感器視場(FOV)是關(guān)鍵參數(shù)。很多情況下，被測目標(biāo)的發(fā)射率并不是重要因素。正確選擇窄帶光譜濾光后，大多數(shù)材料的發(fā)射率都恒定在0.90

15、7;0.05范圍內(nèi)。如果將發(fā)射率設(shè)定在0.9m，傳感器將傾向于在絕對溫度的±5或10范圍內(nèi)讀取溫度。這種應(yīng)用誤差指大約1%或2%的精度變動，然而在現(xiàn)實的紅外線測溫法中，重復(fù)性對于控制至關(guān)重要。例如，如果某個產(chǎn)品加熱到410F，傳感器讀數(shù)是400F，并且傳感器讀數(shù)在390 410F之間時您生產(chǎn)出的是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，請使用400作為設(shè)定值進(jìn)行控制。在大多數(shù)應(yīng)用中，無需NIST校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)即可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。如果應(yīng)用需要精確的絕對溫度測量和記錄，可以根據(jù)相關(guān)NIST標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)和認(rèn)證儀器。另外，需要徹底確定表面發(fā)射率儀器。另外，需要徹底確定表面發(fā)射率閃亮的滾筒的溫度，首先建議測量在閃亮的滾筒上通過的產(chǎn)品

16、。其次，可以使用靜態(tài)測試條件在傳感器上進(jìn)行發(fā)射率調(diào)整，以便確定適當(dāng)設(shè)置。再次，雙波長測溫法也是一種切實可靠的選擇。單波長紅外線測溫法指在數(shù)千種應(yīng)用中使用的種類繁多卻又簡單的一種選擇技術(shù)，在這些應(yīng)用中，產(chǎn)品溫度控制對生產(chǎn)出一貫高質(zhì)量產(chǎn)品至關(guān)重要。雙波長測溫法對于絕對精度是關(guān)鍵所在的更復(fù)雜應(yīng)用，并且在這些應(yīng)用中產(chǎn)品正經(jīng)歷物理或化學(xué)變化，應(yīng)該考慮使用雙波長或多波長測溫法。自從20世紀(jì)50年代初，比值輻射計的概念就已經(jīng)存在，但是最近的設(shè)計和硬件改進(jìn)提高了性能、提供了低溫功能并且降低了成本。雙波長（比值）測溫法涉及測量兩種不同波長（光譜帶）區(qū)域發(fā)射的光譜能量。如果在兩種波長區(qū)域發(fā)射率值相同，則可以直接從

17、儀器中讀取目標(biāo)溫度。當(dāng)視場(FOV)的一部分被相對低溫的物體遮蔽時（例如瞄準(zhǔn)通道上有灰塵、金屬網(wǎng)和灰色透明窗口），這類儀器也可以指示目標(biāo)的正確溫度。這種設(shè)計的理論非常淺顯易懂，可以用下面的方程式來說明。在這些方程式中，我們使用普朗克方程式計算一個波長區(qū)域的能量，然后求出其與另一波長區(qū)域能量的比值。其中：R = 光譜輻射比Tr = 表面的比值溫度e = 光譜發(fā)射率在此過程中，如果兩種波長處的發(fā)射率相等（灰體條件），發(fā)射率因子消去了方程式，我們發(fā)現(xiàn)比值與溫度成正比。通過利用一小段黑體能量分布曲線并且測量不同發(fā)射率下的比值，也可以從圖形中得到同一概念（參見圖3） 使用0.7 m和0.8 m

18、光譜段作為窄帶濾光片，在最低到0.1的發(fā)射率范圍內(nèi)，比值因子恒定在1.428。同樣，任何其它本質(zhì)上的灰度變化將不影響雙波長溫度計計算的溫度。這些變化包括目標(biāo)尺寸的變化，例如其直徑在測量過程中發(fā)生變化的電線或熔化的玻璃流。即便目標(biāo)比溫度計的視場小，這些變化也不影響溫度計測量的溫度。例如，假定黑體目標(biāo)僅占據(jù)溫度計視場的一半，輻射度減少了50%，這種分析不變。另一個示例是目標(biāo)為煙霧或灰塵所遮蔽或者隔窗（真空室的隔窗）變得模糊不清的情況。只要被遮蔽介質(zhì)在其輻射衰減過程中沒有光譜選擇性，至少在溫度計使用的波長區(qū)域，分析一直是相同的。雙波長輻射計測得的溫度始終不受影響。紅外線測溫法原理（續(xù)）然而，始終有一些我們必須要認(rèn)識到的限制。雙波長對于鋁等非灰體不起作用；它很難透過非灰玻璃窗或已加熱的耐熱玻璃；并且通常在背景比目標(biāo)更熱時，它往往測量背景溫度。圖3：雙波長系統(tǒng)通過計算目標(biāo)在兩個相鄰波段（例如0.7 m和0.8 m）內(nèi)發(fā)射的輻射能量之比值自動消除測量誤差作為一種簡單、獨特的傳感器，雙波長 溫度計在行業(yè)與研究中應(yīng)用廣泛，它可以減少與灰體表面有關(guān)的應(yīng)用誤差。圖4列舉了多種產(chǎn)品的總發(fā)射率的示例，這些產(chǎn)品具有與溫度有關(guān)的變化發(fā)射率。例如，大多數(shù)用戶認(rèn)為石