紅外測溫原理及其應(yīng)用

1、紅外測溫原理及其應(yīng)用*XX(南京航空航天高校機電學(xué)院 南京 10287)摘要：紅外測溫屬于非接觸測溫的一種方法,測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸,通過熱輻射原理來測量溫度。了解紅外測溫儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境工作條件及操作和修理等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎(chǔ)。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。關(guān)鍵詞：測溫原理 紅外測溫儀 紅外輻射 測溫元件中圖分類號：TL81Infrared Temperature Measurement Principle and Its ApplicationsXX(Mechanical and Electrical En

2、gineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 10287)Abstract：Infrared temperature measurement method is a kind of non-contact temperature measurement, and temperature measurement devices without contact with the measured medium, which is measured by thermal radiation theory.

3、 Learning infrared thermometer works, technical specifications, environmental working conditions, operations and maintenance is the foundation of the user to select and use infrared thermometer properly. Infrared thermometer is composed of the optical system, photoelectric detectors, signal amplifie

4、rs, signal processing, display output and others. Key words：Temperature measurement principle Infrared thermometer Infrared radiation Temperature measurer歡迎下載0 前言在自然界中,當(dāng)物體的溫度高于確定零度時,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0.75100m 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)，很多生產(chǎn)工藝過程均要

5、求對溫度進行監(jiān)視和把握，特殊是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的測量和把握直接影響到產(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)過肯定的時間后才能達(dá)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)量檢驗中存在肯定的使用局限。目前，紅外溫度儀因具有使用便利，反應(yīng)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(yīng)用。表1列出了常用的測溫方法和特點，其中紅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.

6、0熱電阻-503000.10.5非接觸式紅外測溫-5033001其它示溫材料-352000<11 紅外測溫法的基本原理一切溫度高于確定零度的物體都在不停地向四周空間發(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格外親密的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能精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)。黑體是一種抱負(fù)化的輻射體，它吸取全部波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的放射率為1，其它的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體。應(yīng)當(dāng)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，在理論爭辯中必需選擇合適的模

7、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(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動身點，故稱黑體輻射定律。由于黑體的光譜輻射功率與確定溫度T之間滿足普朗克定理：PbT=c15ec2T-1 （1）其中，PbT-黑體的輻射出射度；𝜆-波長；T-確定溫度；𝑐1-第一輻射常數(shù)，𝑐1=3.7418×10-16W·m2；𝑐2-其次輻射常數(shù)，𝑐2=1.4388×10-12m·K。式（1）說明在確定溫度T下，波長處單位面積上黑體的輻射功率為

8、PbT。依據(jù)這個關(guān)系可以得到圖1的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：（1） 隨著溫度的上升，物體的輻射能量越強。這是紅外輻射理論的動身點，也是單波段紅外測溫儀的設(shè)計依據(jù)。（2） 隨著溫度上升，輻射峰值向短波方向移動（向左），并滿足維恩位移定理Tm=2897.8mK，峰值處的波長m與確定溫度T成反比，虛線為m處峰值連線。這個公式告知我們?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(yīng)盡量選擇工作在峰值波特長，特殊是低溫小目標(biāo)的狀況下，這一點顯得尤為重要。圖1 黑體輻射的光譜分析依

9、據(jù)斯特潘-玻爾茲曼定理：黑體的PbT與溫度T的四次方成正比，即：PbT=T4 （2）式中，PbT-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；-斯特潘-玻爾茲曼常量，=5.67×10-8Wm2K4；T-物體的確定溫度。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)。假如在條件相同狀況下，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PbT小于黑體的單色黑度，即實際物體接近黑體的程度。=PTPbT （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

10、體=1，而一般灰體0<<1，由式（2）可得：PT=PbT，PT= T4所測物體的溫度為：T=PT14 （4）式（4）正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學(xué)描述。2 紅外測溫儀的工作原理紅外測溫儀是依據(jù)物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)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(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，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(見圖2)。圖2 紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對單色紅外測溫是針對不同測溫范圍選擇典型的波長區(qū)段，其溫度是由該波長區(qū)段內(nèi)的輻

11、射能量確定的。黑體在波長1至2區(qū)段所發(fā)出的輻射能為Eb=12Ebd （5）實際物體在波長1至2區(qū)段所發(fā)出的輻射能為E=12C1-5eC2T-1d （6）式(6)正是紅外輻射測溫的數(shù)學(xué)描述。對于雙色紅外測溫來說，是針對不同測溫范圍選擇兩個典型的波長區(qū)段，其溫度是由兩個獨立波長帶內(nèi)的輻射能量的比值確定的。由式(6)可知，雙色紅外輻射測溫的數(shù)學(xué)描述為E1E2=12C1-5eC2T-1d12C1-5eC2T-1d （7）3 紅外測溫儀的測量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：3.1 確定被測物體的放射率放射率表示實際

12、物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，依據(jù)輻射定律，只要知道材料的放射率，就知道任何物體的紅外輻射特性。因此，要依據(jù)設(shè)定的放射率來補償不同物體因放射率不同而導(dǎo)致的對測量溫度的影響。影響放射率的主要因素有：材料種類、表面粗糙度、表面溫度和材料厚度等。對金屬材料而言，表面狀態(tài)對放射率的影響較大，一般粗糙表面和受氧化后的表面的放射率是磨光表面的數(shù)倍；對非金屬材料而言，放射率值都比較高，一般在085095之間，并且與表面狀態(tài)的關(guān)系不大。對于未知放射率的物體，可通過試驗方法測量物體的放射率。對于雙色紅外測溫儀而言，由式(7)可知：其溫度值是由兩個獨立波長帶內(nèi)的輻射能量的比值確定的，其測量結(jié)果與物體的放射率無

13、關(guān)，受四周環(huán)境的影響也比較小，抗干擾力量比較強。3.2 確定紅外測溫儀的測溫范圍測溫范圍是紅外測溫儀最重要的一共性能指標(biāo)。如Optris(歐普士)產(chǎn)品測溫范圍掩蓋-503300，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成，每種型號的紅外測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶必需對待測溫度范圍考慮精確、周全，既不要過窄，也不要過寬。依據(jù)黑體輻射定律，在光譜短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由放射率誤差引起的輻射能的變化，因此，在測溫時應(yīng)選用短波的較好。一般來說，測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號辨別率越高，精確度越高，測溫更精確。測溫范圍過寬，會降低測溫精度，誤差較大。3.3 確定紅外測溫的光學(xué)辨

14、別率(距離系數(shù))光學(xué)辨別率K由D與S之比確定，即紅外測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑S之比。假如由于客觀緣由紅外測溫儀在遠(yuǎn)離目標(biāo)使用，而又要測量小目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)辨別率的紅外測溫儀來保證測溫精確性。反之，則選擇低光學(xué)辨別率的紅外測溫儀。由于光學(xué)辨別率越高，即D：S比值越大，測溫儀的成本越高。在實際應(yīng)用中，有些人忽視測溫儀的光學(xué)辨別率，不管被測目標(biāo)直徑S的大小，打開測溫儀對準(zhǔn)目標(biāo)就測，結(jié)果由于忽視該測溫儀的光學(xué)辨別率K值要求導(dǎo)致測量誤差很大。3.4 確定波長范圍目標(biāo)材料的放射率和表面特性打算測溫儀的光譜相應(yīng)波長，對于高反射率合金材料，有低的或變化的放射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的最

15、佳波長是近紅外，可選用0.92.5m。其他溫區(qū)可選用1.6m、2.2m和3.9m。低溫區(qū)測量一般選擇814m波長的紅外測溫儀。并不是全部紅外波長都適宜測量溫度，能夠順當(dāng)通過大氣的紅外輻射主要有三個波長范圍：0.92.5m、35m、814m，通常把這三個波長范圍稱為紅外測溫儀的大氣窗口。通常狀況下，814m的紅外測溫儀能達(dá)到的最佳上限是900，最多到1200，假如用它測量更高的溫度，就只有降低精度和穩(wěn)定性了。3.5 確定紅外測溫儀的響應(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)最終讀數(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)。Raytek（

16、雷泰）新型紅外測溫儀響應(yīng)時間可達(dá)1ms。這要比接觸式測溫方法快得多。假如目標(biāo)的運動速度很快或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)不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測溫精度。然而，并不是全部應(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)時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標(biāo)的狀況相適應(yīng)。確定響應(yīng)時間，主要依據(jù)目標(biāo)的運動速度和目標(biāo)的溫度變化速度。對于靜止的或存在熱慣性的目標(biāo)，或者現(xiàn)有把握設(shè)備的速度受到限制，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。3.6 確定目標(biāo)尺寸紅外測溫儀依據(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

17、單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標(biāo)面積應(yīng)布滿測溫儀視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好。假如目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，假如目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，不布滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對于細(xì)小而又處于運動或震驚之中的目標(biāo)，雙色測溫儀是最佳選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量。3.7 峰值保持在實際應(yīng)用中，為解

18、決由于客觀條件引起紅外測溫儀的讀數(shù)忽高忽低的問題，多數(shù)測溫儀設(shè)置一個被稱為“峰值保持”的功能。它可以使測溫儀在其響應(yīng)時間內(nèi)對溫度變化做出反應(yīng)，同時也將讀數(shù)的顯示時間延遲。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)难舆t時間，紅外測溫儀可以只“看到”被測物體的高溫部分，對低溫空間“視而不見”，最終溫度的讀數(shù)相對穩(wěn)定。紅外測溫儀這一功能在具有電源PLC把握系統(tǒng)的高溫爐中經(jīng)常使用，可以保持高溫爐電源工作的穩(wěn)定性。3.8 環(huán)境條件的影響紅外測溫儀所處的環(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，否則會影響測量精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧或蒸汽的條件下，可選用適當(dāng)廠商供應(yīng)的水冷套、空氣吹掃器等附件有效地解決環(huán)

19、境的影響并愛護測溫儀，實現(xiàn)精確測溫。在四周環(huán)境很大程度影響測量能量信號時，可以選擇雙色測溫儀實現(xiàn)精確測溫。在密封的或危急的材料應(yīng)用中(如容器、真空爐等真空設(shè)備)，測溫儀通過窗口進行觀測。窗口材料必需透亮，并能透射所用測溫儀的工作波長范圍。單色測溫儀的視窗需要讓整個光的通路無礙，而且保持視窗清潔；雙色測溫儀對于視窗的清潔度要求不高，只要視窗不被金屬鍍層遮蓋即可。3.9 清潔鏡頭與紅外測溫儀的標(biāo)定測溫儀使用一段時間后，鏡頭上會積留灰塵，必需準(zhǔn)時清洗鏡頭。具體方法是用擦鏡紙或潔凈棉球沾少許水清潔鏡頭表面，否則會造成測量結(jié)果低于被測目標(biāo)的實際溫度。紅外測溫儀必需定期標(biāo)定，這樣才能使它精確地顯示被測目標(biāo)

20、的溫度。假如自檢標(biāo)定中偏差較大，則需退回廠家或修理中心重新標(biāo)定。4 紅外測溫的幾種方法4.1 紅外攝影法測量切削溫度本世紀(jì)五十年月以來，依據(jù)使用的測量儀器的不同，利用紅外技術(shù)測量溫度場的方法可分為兩類：紅外點溫度計法和紅外照相法。使用紅外點溫度計，被測點的溫度是肯定面積上的平均溫度，但當(dāng)前國內(nèi)外被測點的面積還不能足夠小，而且測量點在切削區(qū)的坐標(biāo)位置不易確定。紅外照相法從原理上來說是比較抱負(fù)的測量方法，可以得出完整的切削區(qū)溫度場。但是測溫系統(tǒng)的響應(yīng)速度太不抱負(fù)，在實際應(yīng)用中有較大局限性。八十年月后期進展起來的紅外攝像法較上述兩種方法具有更好的精確性和更快的響應(yīng)速度。其工作原理是：物體發(fā)出的紅外輻

21、射經(jīng)過攝像鏡頭后打在紅外攝像機內(nèi)部的紅外光敏元件板上，該板將輻射能轉(zhuǎn)化成電壓信號，由于溫度場內(nèi)不同溫度的各點向外輻射紅外線的強度不同，所以經(jīng)過紅外敏感元件板后得到的電壓信號的強弱也不同，當(dāng)這些不同強度的電壓信號在攝像機內(nèi)部轉(zhuǎn)化成為全電視信號并反映在電視監(jiān)視器上時，就會由于其灰度值的不同而產(chǎn)生亮度依次變化的溫度場圖像。亮度較大的地方，表示該處的溫度較高；反之，表示溫度較低。這些原始的溫度場圖像通過錄像機記錄在磁帶上。初期錄像結(jié)束后，還要對原始圖像進行圖像處理，主要工作是在帶有彩色監(jiān)視器的個人計算機上完成。原始圖像經(jīng)過圖像接口進入計算機，進行濾波、偽著色等處理過程，依據(jù)亮度不同，設(shè)置16個灰度值，

22、將灰度值相等的區(qū)域著上同一種顏色，不同顏色代表不同的溫度值，這樣就可以得到溫度場圖?，F(xiàn)場測量時，將紅外攝像機對準(zhǔn)處于切削狀態(tài)的刀具，在刀頭的下方加一個平行光源，這樣可使溫度場處于刀具輪廓的背景中，同時也既反映了溫度場，又反映了溫度場在刀具上的相對位置。如圖3所示：圖3 紅外攝像法測溫裝置為了精確地測定刀具刃區(qū)溫度場，避開切屑干擾，在工件的外圓上磨出一個平面，刀具與工件相對運動到這個平面時，切屑斷開，刀頭全部露出，這時就可以測得刀具刃區(qū)溫度場了。4.2 熱像儀法實測陶瓷刀具切削區(qū)的溫度分布熱電偶法是報導(dǎo)最多、較常用的刀具測溫方法，但該方法由于埋入熱電偶而破壞了實際溫度場。而且對導(dǎo)熱系數(shù)較小的陶瓷

23、刀具測量誤差較大。此外，陶瓷刀具硬而脆，且刀片較小，熱電偶的埋入較困難。接受紅外熱成像技術(shù)接收物體放射的輻射熱，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以紅外圖像直接輸出，同時可進行數(shù)據(jù)存儲和處理，可測較高的溫度、導(dǎo)熱系數(shù)較小的物體及很微小面積上的溫度，并且精度高、響應(yīng)快，不破壞被測溫度場，因此適宜陶瓷刀具切削區(qū)的高溫動態(tài)測試。圖4是熱像儀測定陶瓷刀具前后刀面溫度場的示意與裝置圖。圖4 熱像儀測定陶瓷刀具后刀面（a）前刀面（b）示意圖圖4(a)中，測量后刀面溫度時，在夾持刀具的刀架(5)上引出一縱向底板(6)，其上固定放置熱像儀探頭(7)，使得探頭與刀具相對位置不變而同時移動。另外，切削過程中，刀具后刀面勢必被切削部

24、位攔住(AB段），探頭無法探測。為此，將工件預(yù)先切除頸部(N),當(dāng)?shù)毒咔邢髦令i部A點（測試點）的瞬時，刀面露出，探頭即可測出其輻射溫度。圖4(b)中，測量前刀面溫度時，在進給機構(gòu)處引出一橫向底板(14)，其上焊有一支架(13)，支架上固定放置熱像儀探頭。底板可隨縱向進給機構(gòu)一同移動，使得熱像儀探頭可與刀具同時移動。另外，切削過程中，不斷流出的切屑會攔住刀具前刀面，探頭無法探測，因此也要預(yù)先切出頸部(N)。當(dāng)?shù)毒咔邢髦令i部A點時，不再產(chǎn)生切屑，刀面露出瞬間，探頭從刀具正上方可測出前刀面輻射能。4.3 紅外照相法接受紅外照相法的車削溫度測量裝置，如圖5所示。測溫裝置安裝于車床橫溜板的機座板上，使刀

25、具、照相機相對于工件排成一線；照相機配有特地的紅外輻射聚焦調(diào)整裝置；刀夾可使照相機鏡頭盡可能接近工件表面，為避開切屑濺射的影響，照相機鏡頭用有機玻璃罩子罩住，鏡頭與工件表面之間設(shè)計了擋屑板，透過板上的小孔可對刀具和工件表面攝影（接受高溫紅外膠卷）。圖5 紅外照相法測溫裝置示意圖測量溫度前，首先用熱電偶進行定標(biāo)校準(zhǔn)，即熱電偶由電加熱并在不同溫度下照相，所需曝光時間通過預(yù)試驗確定，顯影后的膠卷用顯微光密度計讀數(shù)，得到高溫紅外膠卷在不同曝光時間下光密度與溫度的對應(yīng)關(guān)系。依據(jù)此對應(yīng)關(guān)系，可以確定切削過程中工件或刀具的溫度。用紅外照相法測定的切削溫度可用于爭辯切削溫度的分布狀況。紅外照相法近距離但非接觸測量，所以可以用來測量薄壁圓筒回轉(zhuǎn)件，但測量之前需要標(biāo)定，還要用到顯微光密度計。5 切削溫度測量實例切削溫度的測量在加工碳纖維復(fù)合材料時是格外重要的，由于溫度超過基體樹脂玻璃轉(zhuǎn)化溫度時會損壞材料。在本案例中，用三種方法測量立銑刀加工過程中的切削溫度。試驗過程中接受的是MAZAJ VCN-410A型立式加工中心。加工過程中刀具表面的溫度用紅外攝像法測量。圖6是這種測量方法的示意圖，圖7為熱影像圖，切割條件不變。使用順銑來減小濺射切屑的影響。通過校準(zhǔn)試驗將刀具表面的紅外放射率設(shè)定為0.3。圖8中三角符號顯示的是通過溫度記錄儀得到的銑刀表面的溫度峰值。圖6 紅外攝像法原理圖在高速區(qū)域用刀具工件熱