紅外線測(cè)溫儀的理論原理與應(yīng)用
測(cè)量溫度的方法有很多種，溫度計(jì)大致可以分為接觸式測(cè)溫儀表和非接觸式測(cè)溫儀表兩類。其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計(jì)，熱電偶式溫度計(jì)和熱電阻式溫度計(jì)等等.眾所周知，溫度是供熱，供燃?xì)?，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一。尤其在熱工測(cè)量過(guò)程中，溫度的精準(zhǔn)程度往往是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。因此，一個(gè)精確度高的測(cè)溫儀器在工程中是必不可少的。因此本文就溫度測(cè)量工具中的紅外線測(cè)溫儀的原理及應(yīng)用進(jìn)行一些介紹。
一、紅外測(cè)溫的理論原理
在自然界中，當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在，就會(huì)不斷的向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75μm~100μm的紅外線。他最大的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長(zhǎng)下，物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)最大值，這種物質(zhì)稱為黑體，并設(shè)定他的反射系數(shù)為1，其他的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體，由于黑體的光譜輻射功率P(λT)與絕對(duì)溫度T之間滿足普朗克定。說(shuō)明在絕對(duì)溫度T下，波長(zhǎng)λ處單位面積上黑體的輻射功率為P(λT)。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以得到圖1的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：
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(cè)溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。
隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)(向左)，并且滿足維恩位移定理，峰值處的波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度T成反比，虛線為處峰值連線。這個(gè)公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y(cè)溫儀多工作在短波處，低溫測(cè)溫儀多工作在長(zhǎng)波處。
輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長(zhǎng)波處大，即短波處工作的測(cè)溫儀相對(duì)信噪比高(靈敏度高)，抗干擾性強(qiáng)，測(cè)溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長(zhǎng)處，特別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。
二、紅外線測(cè)溫儀的原理
紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。被測(cè)物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測(cè)器。兩信號(hào)的差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣。顯示器指出被測(cè)物體的亮度溫度。
三、紅外線測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及選型
紅外測(cè)溫儀的性能指標(biāo)有：測(cè)溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性，相對(duì)濕度，響應(yīng)時(shí)間，電源，響應(yīng)光譜，尺寸，最大值顯示，重量，發(fā)射率等選型時(shí)要注意：
1 確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此，用戶的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。
2 確定目標(biāo)尺寸:紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀(輻射比色測(cè)溫儀)。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，不充滿視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，雙色測(cè)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 確定距離系數(shù)(光學(xué)分辨率)：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。如果測(cè)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(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，測(cè)溫儀的成本也越高。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑最小位置，近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。存在兩個(gè)距離系數(shù)。
4 確定波長(zhǎng)范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測(cè)量金屬材料的最佳波長(zhǎng)是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的，紅外能量會(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。
5 確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)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(cè)器、信號(hào)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(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。
6 信號(hào)處理功能：鑒于離散過(guò)程(如零件生產(chǎn))和連續(xù)過(guò)程不同，所以要求紅外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)可供選用，如測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。否則測(cè)溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。
7 環(huán)境條件考慮：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。
8 紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定：紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。
四、紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)
1.非接觸測(cè)量：它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷。
2.測(cè)量范圍廣：因其是非接觸測(cè)溫，所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下。一般情況下可測(cè)量負(fù)幾十度到三千多度。
3.測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)問(wèn)快。只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。
4.準(zhǔn)確度高：紅外測(cè)溫不會(huì)與接觸式測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測(cè)量精度高。
5.靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測(cè)出?？蛇M(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量和
6.溫度分布測(cè)量，以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。使用安全及使用壽命長(zhǎng)。
五、紅外線測(cè)溫儀的缺點(diǎn)：
1.易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等)
2.對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大
3.只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度
六紅外測(cè)溫儀的使用注意事項(xiàng)：
(1)必須準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率;
(2)避免周圍環(huán)境高溫物體的影響;
(3)對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體溫度;
(4)測(cè)溫儀要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體表面，在任何情況下，角度都不能超過(guò)30℃
(5)不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測(cè)溫，不能透過(guò)玻璃進(jìn)行測(cè)溫;
(6)正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場(chǎng);
(7)如果紅外測(cè)溫儀突然處于環(huán)境溫度差為20℃或更高的情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測(cè)量的溫度值。
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七、改進(jìn)方案：
由于普通紅外測(cè)溫儀只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度，所以可以在其檢測(cè)頭部加一段光導(dǎo)纖維，并在其前端裝一個(gè)小視角的透鏡，這樣被測(cè)物體的輻射能經(jīng)過(guò)透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過(guò)多次反射傳至檢測(cè)器。因?yàn)楣饫w可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)向，這就解決了物體內(nèi)部溫度的測(cè)量問(wèn)題，可以測(cè)量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。
例如，在塑料擠壓機(jī)內(nèi)測(cè)量塑料溫度，渦輪機(jī)內(nèi)通過(guò)靜葉片的空隙來(lái)測(cè)量動(dòng)葉片的最高溫度和平均溫度，并可以帶有多個(gè)探頭進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。
1 光纖紅外測(cè)溫的原理：
光纖傳光原理是光在不同介質(zhì)中的全反射現(xiàn)象。光從光密介質(zhì)像光疏介質(zhì)傳播時(shí)，光會(huì)在邊界全部折回光密介質(zhì)。光在纖心中就會(huì)曲折前進(jìn)，而不會(huì)泄露。
2 結(jié)構(gòu)圖：
被測(cè)物體的紅外輻射經(jīng)紅外探頭透鏡匯聚到光纖前端，通過(guò)光纖傳輸及紅外濾光片過(guò)濾后的紅外能量，被紅外探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)電子線路的放大、線性化處理后以標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出方式采光纖測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)、
(1)光纖測(cè)頭耐溫高，可以安裝在環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合
(2)通過(guò)光纖傳輸紅外能量，使紅外探頭與電子處理模塊隔離，使信號(hào)處理單元受環(huán)境影響降至最小。
(3)光纖測(cè)頭傳送紅外輻射熱能信號(hào)完全不受電磁場(chǎng)干擾，特別適合在中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下使用
(4)可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)化，可以測(cè)量有障礙物擋住的角落等地方的溫度
