紅外測溫傳感器

1、紅外光電傳感器測溫儀1紅外測溫傳感器結(jié)構(gòu)信號處理主放轉(zhuǎn)換顯示記錄前置放大紅外測溫儀由光學(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，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置 確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)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(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。2紅外測溫傳感器工作原理在自然界中，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)出紅外輻射量。根 據(jù)基爾霍夫定律、普朗克定律、維恩公式這三大輻射定律，物體的紅外輻射能量的大小及其 按波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)

2、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)。三大輻射定律均是以“黑體”作為研究對象分析得出的。但是，自然界中存在的實(shí)際物 體都不是黑體，所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體 的材料種類、制備方法以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為了使黑體輻射定律適 用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系 數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0-1 之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。物體表面發(fā)射率主要決定于材料性

3、 質(zhì)和表面狀態(tài)（如表面氧化情況，涂層材料，粗糙程度及污穢狀態(tài)等）。當(dāng)物體的溫度高于絕對零度時(shí)，由于它內(nèi)部熱運(yùn)動的存在，就會不斷的向四周輻射電磁 波，其中的紅外線在給定的溫度和波長下，物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)最大值，這種物質(zhì)成為 黑體，其他的波段的最大值成為灰體。事實(shí)上，自然界中并不存在黑體，只是為了獲得紅外 線的分布規(guī)律才提出的，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射定律。普朗克黑體輻射定律是用于描述在任意溫度下從一個(gè)黑體中發(fā)射的電磁輻射的輻射率與 電磁輻射的頻率的關(guān)系公式。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)用公式可表達(dá)為：E=S&（T

4、-To）E 是輻射出射度單位是Wm3S是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5. 67x10-8W/（ m2- K4）;&是物體的輻射率：T 是物體的溫度（K）;To 是物體周圍的環(huán)境溫度（K）o紅外測溫儀電路比較復(fù)雜，包括前置放大，選頻放大，溫度補(bǔ)償，線性化，發(fā)射率& （比輻放射物射率）調(diào)節(jié)等。目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測溫儀，利用單片機(jī)與軟件的功能 大大簡化了硬件電路，提高了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式，也可以是反射式。反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面 玻璃反射鏡，并在鏡的表面鍍金、鋁、鎳或鉻等對紅外輻射反射率很高的金屬材料。3紅外測溫理論基礎(chǔ)3.1 紅外輻

5、射（紅外線、紅外光）紅外線是電磁波譜中，波長 0.76ym-1000ym范圍的電磁輻射，位于紅外光與無線電波 之間。與可見光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同時(shí)具有粒子性。對人的眼 睛不敏感，要用對紅外敏感的探測器才能接收到。紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射，熱輻射包括紫 外光、可見光輻射，但是在 0.76ym-40ym紅外輻射熱效應(yīng)最大。自然界中一切溫度高于絕對零度的有生命和無生命的物體，時(shí)時(shí)刻刻都在不停地輻射紅 外線。輻射的量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定；特別熱輻射的強(qiáng)度及光譜成份取 決于輻射體的溫度。3.2 黑體輻射規(guī)律黑體紅外輻射的基本規(guī)律揭示的是黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波

6、長的定量關(guān)系。黑 體一種理想物體，它們在相同的溫度下都發(fā)出同樣的電磁波譜，而與黑體的具體成分和形狀 特性無關(guān)。斯特藩和玻耳茲曼通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出黑體輻射定律：M（T）T4溫度為T時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總 輻出度； 一一斯特藩玻耳茲曼常量；T一一物體溫度。上式是黑體的熱輻射定律。實(shí)際物體(非黑體)的輻射定律一般比較復(fù)雜，需借助于黑體 的輻射定律來研究。設(shè)被測物體的溫度為T時(shí)，總輻出度為M等于黑體在溫度為 TF時(shí)的總輻出度 Mo 即：44M M0，TFT化簡得其中 為發(fā)射率，不同物體的發(fā)射率不同，具體材料的值可通過查表或?qū)嶒?yàn)得到，T 為被測物體的輻射溫度，所以已知被測物

7、體的和 TF,就可算出物體的真實(shí)溫度。4紅外測溫傳感器特性當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射 量，然后由測溫儀計(jì)算出被測目標(biāo)的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫 儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。紅外線波長范圍是 0.78 卩 m-100 m 然而，紅外輻射自目標(biāo)發(fā)射出來，總是要在大氣中傳 播一段距離才能到達(dá)觀測儀器，除幾何發(fā)散外，紅外輻射在大氣中傳播會有很大衰減，主要因 素是大氣中各種氣體對輻射的吸收。組成大氣的主要?dú)怏w是氮?dú)?氧氣.氬氣,它們占 99%以上。有幸的是，它們不吸收 15 卩 m 以下的紅外線，否則紅外技術(shù)在野外就無法使用。能

8、引起紅外吸收的氣體是水汽，二氧化碳，臭氧(03),它們在不同波段針對紅外線形成吸收帶， 再加上甲烷，一氧化碳等吸收作用，造成了 紅外輻射的衰減。通過 1 卩 m-15 卩 m 的紅外輻射通過一海里長度的大氣透射比試驗(yàn)，證明只有處于紅外吸收 帶之間的紅外輻射能夠透過大氣向遠(yuǎn)處傳輸，其中有三個(gè)透過大氣的紅外波段，1-2.5 卩 m,3-5 卩m,8-13 卩 m 這三個(gè)波段被稱作“大氣窗口” ，紅外測溫系統(tǒng)常常在這三個(gè)窗口內(nèi)工作。 3-5 卩m,8-13 卩 m 兩個(gè)波段的范圍都有不同特性的控制可選用。 這兩個(gè)波段分別稱為“短波” 和“長波”窗口。從原理上計(jì)，這兩個(gè)窗口都敏感，但大多數(shù)設(shè)計(jì)者都選擇

9、了短波段，原因是該 波段范圍中，能在較寬的范圍內(nèi)提供最佳功能，達(dá)到良好的測溫要求；而長波窗口則更多地用 于低溫及遠(yuǎn)距離的檢查(AGENA57C 就有此功能)。只有對熱成像系統(tǒng)的原理及構(gòu)成有了一定的了解后，才能實(shí)現(xiàn)對熱像儀的正確操作，從而 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對溫度的精確測量。式中：M(T)由于熱像儀測溫是利用探測器輸出的視頻信號進(jìn)行處理后得出的，根據(jù)公式 :Us (werT5/n) j (入 T) Ta(入)R(入)d 入式中:Us-探測器輸出視頻信號的幅度入 1,入 2-熱像儀工作波長范圍w- 熱像儀瞬時(shí)視場角 .r- 輻射常數(shù)T - 被測目標(biāo)溫度 (入 T)-被測目標(biāo)光譜輻射率Ta(入)-大氣透過率

10、R(入)-熱像儀總光譜響應(yīng)可見, 測溫精度與很多因素有關(guān) , 如目標(biāo)特性 , 熱像儀特性 , 測量距離等。為了實(shí)現(xiàn)所需的溫度測量和便于操作，目前使用的大多數(shù)熱像儀(如 PM290 已在系統(tǒng)中 實(shí)現(xiàn)了以下三方面的精度補(bǔ)償 :(1) 熱像儀內(nèi)部的飄移和增溢補(bǔ)償 .(2) 不同操作溫度下的補(bǔ)償 . 如夏天和冬天 .(3) 鏡頭視場外的輻射補(bǔ)償 .其它如發(fā)射率 , 環(huán)境溫度 , 距離, 濕度等最基本的參數(shù)則要求用戶根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)置 , 以保證測溫精度的可靠性。與熱電偶、熱電阻等常規(guī)溫度傳感器相比，紅外溫度計(jì)具有測溫范圍寬、壽命長、性能 可靠、反應(yīng)極快和非接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外，紅外溫度計(jì)還特別適合

11、測量腐蝕性的介質(zhì)和 運(yùn)動物體的溫度，而且不會破壞到被測對象的溫度場。兩個(gè)對應(yīng)測點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)。相對溫差St ,可用下式求出：St=(t1-t2)/t1X100%=(T1-T2)/(T1-T0) X100%式中：1 和 T1發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度2 和 T2正常相對應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度T0 環(huán)境溫度參照體的溫度與熱電偶、熱電阻等常規(guī)溫度傳感器相比，紅外溫度計(jì)具有測溫范圍寬、壽命長、性能 可靠、反應(yīng)極快和非接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外，紅外溫度計(jì)還特別適合測量腐蝕性的介質(zhì)和 運(yùn)動物體的溫度，而且不會破壞到被測對象的溫度場。4.1 紅外測溫誤差的分析由于紅外測溫儀是非接觸式的，其測量結(jié)

12、果受很多因素影響，從儀器本身來說，有以下 幾個(gè)方面：以不等溫黑體作為校準(zhǔn)源，儀器發(fā)射率的不同，空氣介質(zhì)及儀器透鏡結(jié)垢或磨損 等；從外界因素來說，測量結(jié)果受被測物體的輻射率，測量距離系數(shù)，外界環(huán)境溫度等幾方 面影響。4.2 紅外測溫誤差的解決方法： 應(yīng)用中一般采用現(xiàn)場比對校準(zhǔn)的方法來盡量消除這些影響 根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)需要相應(yīng)選擇幾個(gè)校準(zhǔn)溫度，校準(zhǔn)順序由低溫向高溫依次進(jìn)行。先設(shè)定物體的輻射率& =1 進(jìn)行校準(zhǔn)， 然后調(diào)整&值使顯示溫度與校準(zhǔn)溫度一致， 讀取& =1 的示值和 調(diào)整后& 1的示值。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)反復(fù)讀取幾次，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對于示值誤差和重復(fù)性 均符合要求的

13、測溫儀將其 s 值標(biāo)明即可。5小結(jié)紅外技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防、醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在電子防盜、 人體探測器領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn) 定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。紅外測溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量 控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障 診斷、安全保護(hù)，以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。參考文獻(xiàn)1李松林.紅外溫度模塊額溫測量系統(tǒng) J. 電子測量技術(shù) ,2005,(01)2劉樹田紅外測溫的原理是什么 . J. 中學(xué)科技， 2009，第 1 0 期： 2324.3賈海瀛，關(guān)代宇，劉明成 .J. 天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ， 2009，第 3 期： 34-354倪雪飛. 淺談紅外測溫及其應(yīng)用 .J 計(jì)量與測試技術(shù)， 2