紅外測溫方法的工作原理及測溫(自己總結(jié)的)

1、紅外測溫方法的工作原理及測溫儀(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院) 摘要：本文從黑體輻射原理出發(fā)分析了紅外測溫的工作原理，從發(fā)射率、距離系數(shù)、環(huán)境等幾個(gè)方面，探討和分析了測溫誤差的原因，以及基于紅外測溫技術(shù)的測溫儀的簡單的概述,并對紅外測溫儀的分類、性能、選擇及應(yīng)用簡要的說明。 關(guān)鍵詞：黑體輻射、紅外測溫儀、溫度測量Infrared Thermometer and the working principle of Infrared Temperature measurement (College of Science and Technology，Beijing University of Ch

2、emical Technology)Abstract: In this paper, the theory of infra-red temperature measurement was analyzed according to the principle of blackbody radiation. We discussed the main factors for measurement accuracy, such as reflectance, distance coefficient and environment. Based on infrared temperature

3、measurement technology, we make a simple overview of infrared thermometer, and a brief description of its classification, performance, selection and application.Key words: Blackbody radiation; infrared thermometer; temperature measurement0 引言在自然界中,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,就會不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位于0.

4、 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(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)工藝過程均要求對溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的接觸式測溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過一定的時(shí)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(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)速度快，靈敏度高，測溫范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測量等眾多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，其中紅

5、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-20018000.21.0熱電阻-503000.10.5非接觸式紅外測溫-5033001其它示溫材料-352000<11 紅外測溫儀的工作原理及特點(diǎn) 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

6、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，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(gè)關(guān)系可以得

7、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(jì)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*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(gè)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

8、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(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0<&l

9、t;1，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 紅外測溫儀特點(diǎn) 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。紅外輻射能量的大小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,通過對物體自身發(fā)出的紅外能量的測量,便能準(zhǔn)確地測出它的表面溫度。紅外測溫儀能接收多種物體自身發(fā)射出的不可見紅外輻射能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分,紅外位于可見光和無線電波之間。當(dāng)儀器測溫時(shí),被測物體發(fā)射出的紅外輻射能量,通過測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)在探測器上轉(zhuǎn)為電信號,并通過紅外測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度。紅外測溫儀特點(diǎn):非接觸式測量,測溫范

10、圍廣,響應(yīng)速度快,靈敏度高。但由于受被測對象的發(fā)射率影響,幾乎不可能測到被測對象的真實(shí)溫度,測量的是表面溫度。2 紅外測溫儀的系統(tǒng)組成紅外測溫采用逐點(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)探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設(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)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。輻射體發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉(zhuǎn)變成為相應(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

11、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。光學(xué)系統(tǒng)熱輻射體顯示器紅外探測器 調(diào)制盤 電子放大器 調(diào)制盤圖2 紅外測溫儀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示紅外測溫儀是根據(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(bǔ)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3圖) 。顯示器補(bǔ)償電路信號處理電路調(diào)制電機(jī)探測器光學(xué)系統(tǒng)被測目標(biāo) 圖3 紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 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

12、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(gè)方面：1、 輻射率輻射率是一個(gè)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(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。對于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可視=0，只有輻

13、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(shí)，這一點(diǎn)很容易被忽視。一般來說，測試角最好在30°C 之內(nèi)，一般不宜大于45°C，如果不得不大于45°C 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(gè)相同物體的測溫?cái)?shù)據(jù)要進(jìn)行判斷分析，那么

14、在測試時(shí)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

15、D(mm)1550100200測量距離S(mm)<120<400<800<16003、 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(shí)，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(shí)有以下三種情況：(1)當(dāng)被測目標(biāo)大于測試視場時(shí)，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)確定面積的真實(shí)溫度，這時(shí)的測試效果最好。(2)當(dāng)被測目標(biāo)等于測試視場時(shí)，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(shí)，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)

16、平均值。因此建議在實(shí)際測溫時(shí)，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(shí)間響應(yīng)時(shí)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(shí)間，它與光電探測器、信號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)動速度很快或者測量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，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(shí)，測溫儀的響應(yīng)時(shí)間可放寬要求。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)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

17、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(shí)，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(shí)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(jì)環(huán)境溫度的變化曲線目標(biāo)溫度

18、環(huán)境溫度27028029030031032033030020.3723.5026.7430.0033.2336.4539.594007.298.6310.0911.6513.2815.0016.775003.644.355.125.956.867.828.836002.232663.153.684.254.865.527001.531.842172.542.943.373.848001.141.371.621.902.202.532.889000.931.121.331.551.802.072.3510000.750.901.071.251.451.661.90(2) 大氣吸收的影響紅外線在輻

19、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(shí)，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(shí)，應(yīng)在沒有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行，這樣就可以在誤差最小的情況下測得較準(zhǔn)確的數(shù)值。4 紅外測溫的幾種方法41全輻射測溫法它是根據(jù)測量波長從零到無限大整個(gè)光譜范圍物體的總輻射功率用黑體定標(biāo)的儀器來確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是由斯蒂芬- 玻爾茲曼定律來描

20、述。圖6 是一種典型的全輻射測溫儀。前置放大電路帶通濾波器主放大器移相器調(diào)制片探測器振子移相器移相器相敏檢波器方波發(fā)生器T對數(shù)放大器指示儀表環(huán)溫補(bǔ)償信號發(fā)生器圖6 全輻射測溫儀電路方框圖42亮度測溫法它是根據(jù)測量給定波長K0 附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標(biāo)的儀器來確定物體的溫度, 適用于高溫測量。43雙波段測溫法 它是根據(jù)測量兩個(gè)給定波長K1 和K2 的輻射功率之比, 用黑體定標(biāo)的儀器來確定物體的溫度, 適合測量發(fā)射率變化或未知的物體, 但只適合于測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描述。44多波段測溫法依次取多個(gè)波段, 通過計(jì)算這些波段輻射功率之間的復(fù)雜關(guān)系來確定物體

21、的溫度。45最大波長測溫法由維恩位移定律, 黑體輻射峰值波長Kmax與絕對溫度T 之積為一常數(shù), 通過測量峰值波長Kmax來計(jì)算溫度T。此法常用測量極高溫(大于2 000 °C)。由此可見, 非接觸紅外測溫有以下的缺點(diǎn)：測得的溫度值是測量對象的表面溫度, 且必須用發(fā)射率進(jìn)行修正, 增加了測量的復(fù)雜性; 周圍介質(zhì)的影響引起測量誤差。5 如何正確選擇紅外測溫儀選擇紅外測溫儀可分為三個(gè)方面：性能指標(biāo)方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應(yīng)時(shí)間等；環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等；其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等。紅外測溫儀包括便攜式

22、、在線式和掃描式三大系列，并備有各種選件和計(jì)算機(jī)軟件，每一系列中又有各種型號及規(guī)格。要從不同規(guī)格的各種型號測溫儀中選擇紅外測溫儀，應(yīng)注意如下幾個(gè)方面：（1）首先要將測量要求和所要解決的問題弄清，如被測目標(biāo)溫度，被測目標(biāo)大小，測量距離，被測目標(biāo)材料，目標(biāo)所處環(huán)境，響應(yīng)速度要求，測量精度要求，以及用便攜式還是在線式等；（2）測量要求和所要解決的問題與現(xiàn)有各種型號的測溫儀進(jìn)行對比，選擇出能夠滿足上述要求的儀器型號；（3）在眾多能滿足要求的型號中，選擇出性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。總結(jié)有如下的幾點(diǎn)：1> 確定溫度范圍2> 確定目標(biāo)尺寸3> 確定光學(xué)分辨率4> 確定波長范圍5

23、> 確定響應(yīng)時(shí)間6> 信號處理功能7> 考慮環(huán)境條件8> 紅外輻射測溫儀的標(biāo)定9> 操作使用6 紅外測微儀的應(yīng)用紅外測溫儀具有非接觸和快速測溫的優(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首先是測量被測目標(biāo)的表面溫度其次是利用測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)的間接測量。舉例如下：1>鋼鐵工業(yè)中使用的紅外測溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時(shí)測量控制溫度對提高產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。對爐壁和機(jī)械設(shè)備熱故障的監(jiān)測為延長使用壽命和安全保障提供依據(jù)。2>在機(jī)械加工中, 測量控制熱處理部件的溫

24、度對產(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)測設(shè)備的熱分布狀況, 判斷設(shè)備工作情況, 檢測熱篙道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。4>在動力、電力業(yè)方面, 在運(yùn)行及帶電條件下檢測動力設(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, 通過對建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測確定它的絕熱、裂漏隱患及缺陷的位置。確定工廠、建筑物熱耗的管理。6>在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測量, 農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測, 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測。7&

25、gt;在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測量, 農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測, 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測。8>在科學(xué)研究方面, 由于紅外測溫儀的突出優(yōu)點(diǎn), 使得在特殊試驗(yàn)條件要求一能提供測溫手段, 應(yīng)用范圍較廣?？傊鋺?yīng)用范圍很廣，在就不一一列舉，由此可見紅外測溫儀的用途很大，對工業(yè)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。7 結(jié)語紅外測溫技術(shù)隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展日趨完善, 用途逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域。開發(fā)更新型的紅外測溫技術(shù)，完善紅外測溫儀的性能是時(shí)代發(fā)展的要求?；诤隗w輻射原理的紅外測溫技術(shù)在現(xiàn)代化的發(fā)展起著越來越重要的作用，它的非接觸測量，實(shí)現(xiàn)了遙測技術(shù)；不破壞被測溫度場的均衡性； 光子作為信息載體，響應(yīng)速度快；靈敏度高，比傳統(tǒng)的傳感器高1-4個(gè)數(shù)量級；頻帶寬，動態(tài)范圍大；方便的和計(jì)算機(jī)連接，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，智能化； 安裝方便，使用附件少，維護(hù)簡單，提高了勞動生產(chǎn)力；非接觸測量極大的提高了本產(chǎn)品的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本；體積小、重量輕、價(jià)格不斷低遞降等優(yōu)點(diǎn)使得它在其他的測溫儀器中有越來越大的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)1 李軍，劉梅冬，曾亦可等.非接觸式紅外測溫的研究J，2001.LI J，LIU M D，ZENG Y K，Research o