紅外測溫儀的分類原理和應用簡述

1、紅外測溫儀的分類原理和應用簡述為什么在我的應用中應當使用紅外線高溫計測量溫度？在常規(guī)傳感器無法使用的應用中，用戶可以使用紅外線高溫計測量溫度。具體來說，在測量運動物體（如滾輪、運動設備或測量溫度。具體來說，在測量運動物體（如滾輪、運動設備或壓）而需要進行非接觸式測量的情況下、或者距離過遠的情況下、或者待測量溫度太高使熱電偶或其它接觸式傳感器無法測量的情況下，都應該使用紅外線高溫計。在選擇紅外線高溫計時，應當針對我的應用考慮哪些因素？有關任何紅外線高溫計的重要考慮因素均包括視場（目標的尺寸和距離）、待測量表面的類型（有關發(fā)射率的考慮因素）、光譜響應（對于大氣效應或透射過表面）、溫度范圍和安裝方式

2、（手持式或固定安裝式）。其它考慮因素包括響應時間、環(huán)境、安裝限制、觀察孔或觀察窗使用以及需要的信號處理。視場視場有何意義？為何視場很重要？視場指儀器工作的視場角，由儀器的光學器件決定。若要獲得精確的溫度讀數(shù)，被測量目標應該占滿儀器的視場。由于紅外線器件確定視場內所有表面的平均溫度，那么如果背景溫度與物體溫度不同，就會出現(xiàn)測量誤差大多數(shù)通用指示器的焦距介于2060之間。焦距是最小測量光斑出現(xiàn)的點。例如，儀器的距離與光斑直徑比為120:1，焦距為60，則60處的最小光斑直徑為0.5。短焦儀器的焦距通常為0.112，而長焦儀器使用焦距可以達到大約50。許多長距離或小光斑直徑的儀器還帶有瞄準鏡，以便改

3、善對焦。大多數(shù)儀器都有視場圖，可幫助估算特定距離處的光斑直徑。發(fā)射率什么是發(fā)射率，發(fā)射率如何與紅外線溫度測量聯(lián)系起來？發(fā)射率定義為某個物體在給定溫度下輻射的能量與理想輻射體或黑體在相同溫度下輻射的能量之比率。黑體的發(fā)射率是1.0?；蚝隗w在相同溫度下輻射的能量之比率。黑體的發(fā)射率是1.0。所有發(fā)射率值都在0.01.0范圍內。發(fā)射率（）是紅外線溫度測量中的一個主要卻又不是無法控制發(fā)射率（）是紅外線溫度測量中的一個主要卻又不是無法控制（T）。反射率衡量物體反射紅外線能量的能力，而透射率衡量物體讓紅外線能量穿過或透射的能力。所有紅外線能量必然被發(fā)射（E）（由于物體的溫度）、透射（T）或者被反射（R）。

4、總能量，即發(fā)射率、透射率與反射率之和等于1:E+T+R=1.0紅外線測量的理想表面是發(fā)射率為1.0的理想輻射體或黑體。然而，大多數(shù)物體并非理想輻射體，它們將反射和/或透射一部分能量。大般而般而部分儀器有能力對不同的發(fā)射率值以及對不同材料進行補償。言，物體的發(fā)射率越高，使用紅外線獲得精確溫度測量就越容易。發(fā)射率極低的物體（低于0.2）測量起來會非常困難。一些經過拋光的閃亮金屬表面（例如鋁）在紅外線中反射性很強，以致于不能總是進行精確的溫度測量。除了一些特殊應用（例如薄膜塑料）以外，通常反射率是比透射率更重要的考慮因素。大多數(shù)有機物質（木頭、布料、塑料等）的反射率約為0.95。大部分粗糙表面或油漆

5、表面也有比較高的反射率值。確定反射率的五種方法為了確保精確的溫度測量，有以下五種方法可確定材料的發(fā)射率：使用精密的傳感器，將材料試樣加熱到一個已知溫度，然后使用紅外線儀器測量溫度。接著，調整發(fā)射率值，強行讓指示器顯示正確溫度。對于相對較低的溫度（最高500F）,可以測量遮蔽膠帶（發(fā)射率為0.95）接著，調整發(fā)射率值，強行讓指示器顯示材料的正確溫度。對于高溫測量，可以在物體上鉆出一個孔（其深度至少為直徑的6倍）該孔可以作為發(fā)射率為1.0的黑體。測量該孔內的溫度，接著調整發(fā)射率，強行讓指示器顯示材料的正確溫度。如果可以在材料或者材料的一部分噴涂，暗黑色漆的發(fā)射率約為1.0。測量漆的溫度，接著調整發(fā)

6、射率，強行讓指示器顯示正確溫度。提供有大多數(shù)材料的標準發(fā)射率值（參見第9091頁）?？梢园堰@些值輸入儀器內，從而估算材料的發(fā)射率值。光譜響應什么是光譜響應？它對溫度讀數(shù)的影響程度如何？儀器的光譜響應是儀器涵蓋的紅外光譜的寬度。大部分普通儀器（適用于低于1000F的溫度）使用814微米范圍內的寬帶濾光片。此范圍是大多數(shù)測量的首選，因為在該范圍內可以進行測量而不會受到大氣干擾，大氣干擾即大氣溫度影響儀器讀數(shù)。一些儀器使用820微米的更寬濾光片，這些濾光片可用于近距離測量，但對于較長距離，它們是距離敏感的。對于一些特殊用途，可以選擇極窄的波段。它們可用于更高的溫度，可用于穿透大氣、火焰和氣體。典型的

7、低通濾光片在2.2或3.8微米波段。通常使用2.12.3微米濾光片測量高于1500F的溫度。其它可使用的帶寬如下，0.781.06微米用于測量高溫，7.9或3.43微米用于有限度地穿透薄膜塑料，而3.8微米用于穿透純凈火焰幾乎不受干擾。透過玻璃進行溫度測量我想透過玻璃窗或石英玻璃窗測量溫度，有哪些特殊考慮因素？紅外能量透射過玻璃或石英是要考慮的一個重要因素。高溫計必須有一個在某種程度上可透過玻璃的波長，這意味著它們只能用來測量高溫。否則，儀表將會產生將玻璃溫度與需要的目標溫度平均起來而導致的測量誤差。安裝方式如何安裝紅外線高溫計？高溫計可以有兩種類型，固定安裝式或便攜式。固定安裝式高溫計通常安

8、裝在一個位置，對某個指定過程進行連續(xù)監(jiān)測。它們通常使用市電電源，并且對準某一點。這類儀表的輸出可以連接到本地或遠程顯示屏，同時還有可在另一顯示屏顯示或者用于控制回路的模擬輸出。還提供有電池供電的便攜式紅外線槍；這些儀器擁有固定安裝式儀器的全部功能，但通常沒有用于控制的模擬輸出。一般情況下，這些儀器用于維護、診斷、質量管理以及關鍵流程的隨機測量。響應時間在選用和安裝紅外線測量系統(tǒng)時，還應該考慮什么？首先，儀表必須響應迅速，能夠處理變化，從而實現(xiàn)精確的溫度記錄或控制。紅外線熱電偶的典型響應時間在0.11秒范圍內。其次，儀器必須能夠在環(huán)境溫度的環(huán)境中工作。其它考慮因素包括物理安裝限制、觀察孔/觀察窗

9、的使用（透過玻璃測量）以及為了生成進一步分析、顯示或控制所需的輸出而需要進行的信號處理。紅外線測溫法原理W.R.Barron,WilliamsonCorporation紅外線測溫法的原理是對精確監(jiān)測系統(tǒng)進行詳細說明的重要前提。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，它們的響應相對較慢，但它們比較便宜。非接觸式溫度傳感器測量目標發(fā)射的紅外線能量，它們響應快，通常用來測量移動目標或間歇性目標，真空中的目標，

10、以及測量由于惡劣環(huán)境、結構限制或安全隱患而無法接近的目標。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備相當。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世紀初，普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫進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)量與其溫度的四次方

11、成比例。黑體輻射概念是紅外線測量法的基礎。然而，術語發(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。）如在600F1200F溫度范圍內黑體發(fā)射的能量分布的曲線所示，主輻射位于0.5-14am的紅外區(qū)，遠離可見光區(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：t入I+r入+a入二1并且發(fā)射率等于吸收E入二a入因此：E入二1-t入-r入此發(fā)射率系數(shù)可以作為變量放入普朗克方程式中，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

12、，發(fā)射率系數(shù)可以簡化成：E入二1-r入1玻璃、塑料和硅等材料是例外，但是通過選擇適當?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，需要選擇紅外線濾光（例如，在5m波長時玻璃是不透明的）。10項應用中有9項不需要絕對溫度測量。重復性和無漂移操作提供了嚴密的溫度控制如果表面閃光，可手動或者自動進行發(fā)射率調整來校正發(fā)射率誤差。對于大多數(shù)應用，這是一種簡單的辦法。在發(fā)射率變化

13、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。設計元素紅外線溫度計有種類繁多的配置，包括光學器件、電子器件、技術、尺寸和保護性殼體。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，但是可以總結為放大、熱穩(wěn)定性、線性化以及信號調節(jié)。普通窗戶玻璃在短波長范圍內適紅外線測溫法原理（續(xù)）用，石英適用于中波范圍，錯或硫化鋅適用于814am波長范圍。光纖可用于0.55.0卩0波長區(qū)。從應用的觀點看，光學器件的主要特征是視場（FOV），即在指定距離處目標尺寸是多少？例如，在一種普遍采

14、用的透鏡系統(tǒng)中，15英寸工作距離處目標直徑為1英寸。根據(jù)平方反比定律，通過將距離加倍（30英寸），目標區(qū)域理論上也加倍（直徑為2英寸）。目標尺寸（測量區(qū)域）的實際定義將因供應商而異，并且取決于價格。其它光學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）到適合遠距離瞄準的遠距離光學器件（距離30英尺時直徑為3英寸），不一而足。注意，如果目標占滿視場（FOV）,工作距離就不應影響精度，這一點很重要。在一種視場（FOV）測量技術中，可變因素是信號損失和直徑。一條嚴格的規(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（瞄準）是另一個光學方面的因素。許多傳感器沒

15、有這種功能；透鏡對準表面，測量表面溫度。這種結構可用于不需要高精度的大目標，例如卷筒紙。對于使用小光斑光學器件的小目標，以及對于在遠距離監(jiān)測中使用的遠距離光學器件，提供有目視瞄準、瞄準燈和激光瞄準。選擇性光譜濾光通常將短波濾光片用于高溫應用（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，而且短波設計最大限度減小了發(fā)射率變動造成的溫度誤差。其它選擇性濾光用于塑料薄膜（3.43卩岳口7.9卩m、玻璃（5.1卩m）和火焰不敏感區(qū)（3.8卩。多種多樣的探測器的選擇是為了來最大限度利用傳感

16、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）或光導型（在激勵時改變電阻）。這些探測器響應迅速、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、溫度調節(jié)、自動校零電路、斬波（AC和DC輸出）以及等溫保護?？商峁┎煌潭鹊臒o漂移操作，無漂移操作取決于設備價格。在紅外線溫度計的電子設備組件內，探測器的大約100-1000V的非線性輸出信號得到處理。信號被放大1000倍，并經過調節(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420mA輸出，以便將環(huán)境電噪聲干擾降到最小。若要優(yōu)化紅外線感應系統(tǒng)的響應

17、，必須考慮探測器的光譜響應和調制特征這種信號可以轉變成RS232信號，或者提供給PID控制器、遠程顯示屏或記錄器。其它信號調節(jié)選項包括通/斷報警、適用于間歇目標的可調峰值保持功能、可調響應時間和/或采樣保持電路。紅外線溫度計的平均響應時間大約為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節(jié)響應功能,可對接收的噪聲信號進行衰減,并且可對靈敏度進行現(xiàn)場調節(jié)。并非總是必須提供最快的響應。但是有一些涉及感應加熱以及其它類型的應用,它們要求大約10-50ms的響應時間,可通過紅外線測溫法獲得。單波長測溫法基本單波長設計用于測量表面在規(guī)定波長所發(fā)射的總能量。配置包

18、括帶簡單遠程儀表的手持式探頭、可同時查看目標和溫度的復雜便攜式設備,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程電子設備（OEM設計）的簡單小型探測器到擁有遠程PID控制的堅固耐用設備不等。纖維光學器件、激光瞄準、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、光學器件、響應時間和目標發(fā)射率是重要的設計元素，它們影響性能，必須在選型過程中仔細考慮。傳感器配置可以是簡單的便攜式，或兩線制變送器，還可以是復雜的加固型感應裝置或掃描設備。目視瞄準、激光瞄準、無瞄準、光纖、水冷、輸出信號及遠程顯

19、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，需要進行設計審查。多數(shù)情況下，如果是簡單應用，例如測量卷筒紙溫度，簡單的低成本傳感器就可以應付了；如果是復雜應用，例如在真空室內測量或者測量小目標，則更先進的傳感器將是更好的選擇。紅外線光譜響應和溫度范圍的選擇與具體應用有關。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，例如塑料和玻璃，則需要使用選擇性窄帶濾光。例如，聚乙烯塑料的CH吸收光譜帶為3.43卩m在此范圍內聚乙烯塑料是不透明的。通過在該范圍內濾光，發(fā)射率因素得以簡化。同樣，大多數(shù)玻璃類材料在4.6an光譜帶時變得不透明，在5.1范圍內進行窄帶

20、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1-4m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。光學特征和響應時間是兩個傳感器特征，在允許15英寸處標準視場約為1英寸以及響應時間小于1秒就足夠了的多數(shù)應用中，它們都不是問題。然而，如果應用要求測量小目標或者快速移動的間歇性目標，可以使用小光斑（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，遠距離瞄準（距離目標101000英尺）時也需要進行光學調整，因為標準視場（FOV）將變得過大。在一些情況下，雙波長輻射測量法

21、可用于這類應用，例如，接線和遠距離瞄準。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接近問題，因而增加了設計靈活性。它是一種吸引人的設計工具，有助于解決一些特別的應用問題。大多數(shù)傳感器具有可調響應時間，范圍為0.25.0秒，一般設置在此范圍的中段。快速響應會受到應用中噪聲的干擾，而慢速響應則影響靈敏度。感應加熱需要快速響應，傳送帶或卷筒紙監(jiān)測需要慢速響應以減少應用中的干擾?？焖夙憫蛡鞲衅餍枰褂每焖夙憫涂刂破鳌⒖煽毓桦娫唇M件及其它調節(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

22、化，其中涉及由于過程是動態(tài)的而需要嚴格溫度控制的快速運動產品，例如，電線的感應加熱。階躍變化或斜坡響應，與對分批式生產過程中的產品進行極快速加熱有關，例如硅片的加溫退火。在這些動態(tài)應用中，系統(tǒng)響應性和傳感器視場（FOV是關鍵參數(shù)。很多情況下，被測目標的發(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0.900.05范圍內。如果將發(fā)射率設定在0.93m傳感器將傾向于在絕對溫度的5或10范圍內讀取溫度。這種應用誤差指大約1%或2%的精度變動，然而在現(xiàn)實的紅外線測溫法中，重復性對于控制至關重要。例如，如果某個產品加熱到410F,傳感器讀數(shù)是400F,并且傳感器讀數(shù)在39041

23、0F之間時您生產出的是優(yōu)質產品，請使用400作為設定值進行控制。在大多數(shù)應用中，無需NIST校準標準即可生產出優(yōu)質產品。如果應用需要精確的絕對溫度測量和記錄，可以根據(jù)相關NIST標準校準和認證儀器。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品。其次，可以使用靜態(tài)測試條件在傳感器上進行發(fā)射率調整，以便確定適當設置。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)千種應用中使用的種類繁多卻又簡單的一種選擇技術，在這些應用中，產品溫度控制對生產出一貫高質量產品至關重要。雙波長測溫法對于絕對精度是關鍵所在的更復雜

24、應用，并且在這些應用中產品正經歷物理或化學變化，應該考慮使用雙波長或多波長測溫法。自從20世紀50年代初，比值輻射計的概念就已經存在，但是最近的設計和硬件改進提高了性能、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，則可以直接從儀器中讀取目標溫度。當視場（FOV）的一部分被相對低溫的物體遮蔽時（例如瞄準通道上有灰塵、金屬網(wǎng)和灰色透明窗口），這類儀器也可以指示目標的正確溫度。這種設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

25、能量的比值。其中：R=光譜輻射比Tr=表面的比值溫度e入二光譜發(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0.7m和0.8m光譜段作為窄帶濾光片，在最低到0.1的發(fā)射率范圍內，比值因子恒定在1.428。同樣，任何其它本質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，假定黑體目標僅占據(jù)溫度計視

26、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)通過計算目標在兩個相鄰波段（例如0.7m和0.8m內發(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)與研究中應用廣泛，

27、它可以減少與灰體表面有關的應用誤差。圖4列舉了多種產品的總發(fā)射率的示例，這些產品具有與溫度有關的變化發(fā)射率。例如，大多數(shù)用戶認為石墨的發(fā)射率很高而且恒定不變。然而，實際情況是在環(huán)境溫度到2000F范圍之內，石墨的發(fā)射率在0.40.65之間變化。要獲得精確的產品溫度測量和控制，在高溫下處理這些種類的灰體材料時，應該使用雙波長溫度計。還有可用于非灰體材料的多波長溫度計，這些材料的發(fā)射率因波長而異。在這些應用中，要對與發(fā)射率、波長、溫度有表面化學有關產品的表面特點進行深入詳細的分析。利用這些數(shù)據(jù)，可以生成使不同波長的光譜輻射與溫度相關的算法。許多材料都有著隨溫度而變化的發(fā)射率級別。我們在此處比較了一

28、些最常用的材料總結中概述了基本應用元素。待測量目標的表面是主要著眼點。在選擇儀器時，用戶必須考慮目標尺寸、溫度限值、發(fā)射率、過程動態(tài)（因為它們與視場有關）、光譜響應以及響應時間。為了選擇最適合該應用的儀器，對周圍環(huán)境（例如火焰、紅外線加熱器、感應線圈和氣氛（灰塵、臟污的窗戶、火焰、過熱）的特征進行描述也很重要。圖5：選擇非接觸式溫度測量儀器時，必須要考慮不僅僅是目標及其發(fā)射率，還要考慮周圍環(huán)境以及中間間隔的空氣就性能規(guī)范而論，校準精度通常0.50.1%的范圍內，而大多數(shù)傳感器的重復性將在0.250.75%的范圍內。如果傳感器安裝和使用正確，通常會在大約一兩個月獲得回報。紅外線溫度測量的理論和應

29、用摘要在非接觸式溫度測量中使用的紅外線溫度計是發(fā)展成熟的傳感器，它們在工業(yè)加工與研究中應用廣泛。本文以非數(shù)學化的語言介紹了這種測量技術的基本理論，以及如何應用該理論處理目標用戶遇到的各種各樣的應用參數(shù)引言紅外線溫度計通過探測所有溫度在絕對零度（開氏0）以上的材料發(fā)射的紅外線能量來測量溫度。最基本的設計包括將透鏡和探測器，透鏡將紅外線（IR能量聚焦到探測器上，而探測器將該能量轉換成電信號，并經過對環(huán)境溫度變化進行補償后以溫度單位顯示。這種結構方便了無需與被測量物體接觸的遠距離溫度測量。因此，在由于各種原因熱電偶或其它探頭類傳感器無法使用或者不能產生精確數(shù)據(jù)的情況下，可以使用紅外線溫度計來測量溫度

30、。常見的這類情況如下：待測量物體在運動；物體周圍是電磁場（例如在感應加熱中）；物體在真空或其它受控氣氛中；需要快速響應的應用。自從19世紀末紅外線溫度計（IRT的設計就已經存在，費氏的各種概念由CharlesA.Darling（1）在其1911年出版的書測高溫學中進行了論述。然而，將這些概念轉變成實用測量儀器的技術直到20世紀30年代才出現(xiàn)。自此，這種設計有了長足的發(fā)展，大量測量和應用專門技術應運而生。如今，這項技術已經得到普遍接受，并且在工業(yè)與研究廣泛使用。測量原理如前所述，紅外線能量是由所有溫度高于0K的材料發(fā)射的。紅外線輻射是電磁波頻譜的一部分，其頻率在可見光與無線電波之間。光譜中紅外線

31、部分的波長在0.7微米1000微米(micron)之間。圖1。在此波段內，只有波長在0.7微米20微米的頻率用于實際的日常溫度測量。這是因為目前工業(yè)中使用的紅外線探測器靈敏度不足，無法檢測到20微米以外波長上的極少量能量。雖然人眼看不到紅外線輻射，但是在研究測量理論以及考慮應用時想像可以看見紅外線輻射是有幫助的，因為在許多方面，紅外線的表現(xiàn)與可見光一樣。輻射源放射的紅外線能量沿直線傳播，可被傳播路徑上材料的表面反射和吸收。對于人眼無法看透的大多數(shù)固體，碰到物體表面的一部分紅外線能量將被吸收，一部分將被反射。在物體吸收的能量中，一部分將被再次發(fā)射出來，一部分將在內部反射。眼睛能看透的透明材料也是

32、如此，例如玻璃、氣體以及透明的薄塑料等。但是，此外，一些紅外線能量將穿透物體。上述內容如圖2所示。這些現(xiàn)象綜合起來構成了所謂的物體或材料的反射率。既不反射也不透射任何紅外線能量的材料稱為黑體，我們知道自然界中不存在黑體。然而，在進行理論計算時，給真正黑體賦予值1.0。在現(xiàn)實中，最接近黑體發(fā)射率1.0的近似值可以在圖3中所示的、帶有小管狀入口并且紅外線無法透過的球形空腔中得到。這種球體內表面的發(fā)射率為0.998不同種類的材料與氣體有著不同的發(fā)射率，因此將在給定溫度發(fā)射出不同強度的紅外線。材料或氣體的發(fā)射率是其分子結構和表面特性的函數(shù)。一般而言，發(fā)射率并不是顏色的函數(shù)，除非顏色來源與材料主體是放射

33、性不同的物質。包含大量鋁的金屬漆可以作為一個實例來說明這一點。大部分漆的發(fā)射率與顏色無關，但是鋁的發(fā)射率卻大不相同，因此其發(fā)射率將改變金屬漆的發(fā)射率。如同可見光的情況一樣，一些表面的拋光程度越高，表面反射的紅外線能量越多。因此，材料的表面特性也會影響其發(fā)射率。在溫度測量中，對于發(fā)射率本身較低的紅外線無法透過的材料，這一點最為重要。因而，拋光程度很高的一塊不銹鋼與同一塊粗糙加工表面的不銹鋼相比，發(fā)射率要低得多。這是因為加工形成的溝槽阻止了更多的紅外線能量被反射。除了分子結構和表面狀況外，影響材料或氣體的表觀發(fā)射率的第三個因素是傳感器的波長靈敏度，又稱為傳感器的光譜響應。如前所述，只有波長在0.7

34、微米到20微米之間的紅外線才在實際測溫中使用。在這一整個波段內，個體傳感器可能僅在較窄的一部分波段內工作，例如0.781.06微米或者4.85.2微米，原因將在后面解釋。紅外線溫度測量的理論基礎作為紅外線溫度測量基礎的公式已經由來已久、確定無疑并且得到了充分論證。大多數(shù)IRT用戶不大可能需要使用這些公式，但是了解這些公式就可以理解一些變量之間的相關性，可以解釋前面的文字。下面是一些重要公式：1.基爾霍夫定律物體達到熱平衡時，吸收量將等于輻射量。a=e2.斯蒂芬-玻爾茲曼定律越熱的物體放射出的紅外線能量越多。W=eoT43.維恩位移定律隨著溫度升高，放射出最多能量的波長將變得更短。入max=2.

35、89x103mmK/T4.普朗克方程式描述光譜發(fā)射率、溫度與輻射能量之間的關系。紅外線溫度計的設計與結構基本紅外線溫度計（IRT的設計包括以下部分：匯聚目標放射出能量的透鏡；將能量轉換成電信號的探測器、讓IRT校準與被測目標的發(fā)射特性相符的發(fā)射率調整部件；以及環(huán)境溫度補償電路，該電路確保環(huán)境變化造成的IRT內部的溫度變動不會傳遞到最終輸出。多年以來，大多數(shù)市售IRT遵循著這一概念。盡管這些IRT非常耐用并且足以滿足當時的要求，但它們的應用非常有限，并且回顧過去大部分情況，它們的測量也不盡如人意。圖4中說明了這一概念?，F(xiàn)代IRT以這一概念為基礎，但在技術方面更加復雜，從而拓寬了其應用范圍。主要差

36、別在于使用了多種多樣的探測器；紅外線信號的選擇性濾光；探測器輸出信號的線性化和放大；提供：420mA、010Vdc等標準的最終輸出信號。圖5為典型的現(xiàn)代IRT的示意圖。也許，紅外線測溫法最重大的進展是引入了接收紅外線信號的選擇性濾光，由于可以使用更加靈敏的探測器，以及更加穩(wěn)定的信號放大器，選擇性濾光成為可能。早期的IRT需要較寬的紅外線光譜帶以獲得可用的探測器輸出，而現(xiàn)代IRT通常使用波長僅為1微米的光譜響應。由于常常需要透過瞄準通道上的某種氣體或其它干涉物，或者實際中常需要獲得對氣體或其它物質的測量值而較寬的紅外線能量卻測不到的，對選擇性的窄光譜響應的需求就出現(xiàn)了。選擇性光譜響應的一些常見示

37、例為波長8-14微米的波段，可避免長距離測量中空氣中的水分造成的干擾；用于測量某些薄膜塑料的7.9微米波長；3.86微米波長可避免火焰和燃燒氣體中的二氧化碳(CO2)和水(H20)蒸汽造成的干擾。選擇較短波長光譜響應還是選擇較長波長光譜響應，還要由溫度范圍決定，因為，如普朗克方程式所示，隨著溫度升高，峰值能量會移向較短波長。圖6中的圖形說明了這一現(xiàn)象。由于上述原因不需要選擇性濾光的應用可能往往受益于盡可能接近0.7微米的窄光譜響應。這是因為材料的有效發(fā)射率在較短波長處最大，并且光譜響應窄的傳感器的精度受目標表面發(fā)射率變化的影響更小。根據(jù)上述信息，顯而易見，在紅外線溫度測量中發(fā)射率是一個極其重要的因素。除非被測材料的發(fā)射率已知并且納入到測量中，否則獲得精確數(shù)據(jù)的可能性不大。以下是兩種獲得材料發(fā)射率的方法：a）參考公布的表格，以及b）將IRT測量值與使用熱電偶或電阻式溫度計同時測量所得的測量值進行比較，并調整發(fā)射率設置直到IRT的讀數(shù)相同。幸運的是，IRT廠商和一些研究組織提供的公開數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，因此很少有必要進行試驗。作為經驗之談，大多數(shù)不透