紅外測溫儀|紅外線測溫儀的理論原理和應用

測量溫度的方法有很多種，溫度計大致可以分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表兩類。其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計，熱電偶式溫度計和熱電阻式溫度計等等

眾所周知，溫度是供熱，供燃氣，通風及空調系統中*重要的參數之一。尤其在熱工測量過程中，溫度的精準程度往往是決定實驗成敗的關鍵。因此，一個精確度高的測溫儀器在工程中是必不可少的。因此本文就溫度測量工具中的紅外線測溫儀的原理及應用進行一些介紹。

一 紅外測溫的理論原理：

    在自然界中，當物體的溫度高于絕對零度時，由于它內部熱運動的存在，就會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*大的特點是在給定的溫度和波長下，物體發射的輻射能有一個*大值，這種物質稱為黑體，并設定他的反射系數為1，其他的物質反射系數小于1，稱為灰體，由于黑體的光譜輻射功率P(λＴ)與絕對溫度T之間滿足普朗克定。說明在絕對溫度T下，波長λ處單位面積上黑體的輻射功率為P(λＴ)。根據這個關系可以得到圖1的關系曲線，從圖中可以看出：

    隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強。這是紅外輻射理論的出發點，也是單波段紅外測溫儀的設計依據。

    隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動（向左)，并且滿足維恩位移定理，峰值處的波長與絕對溫度T成反比，虛線為處峰值連線。這個公式告訴我們為什么高溫測溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。

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，測溫儀應盡量選擇工作在峰值波長處，特別是低溫小目標的情況下，這一點顯得尤為重要。
 

二紅外線測溫儀的原理：

    紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。被測物體和反饋源的輻射線經調制器調制后輸入到紅外檢測器。兩信號的差值經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。顯示器指出被測物體的亮度溫度

三紅外線測溫儀的性能指標及選型：

    紅外測溫儀的性能指標有：測溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環境溫度范圍，重復性，相對濕度，響應時間，電源，響應光譜，尺寸，*大值顯示，重量，發射率等選型時要注意：

  1 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀*重要的一個性能指標。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化。

  2 確定目標尺寸:紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數，造成誤差。相反，如果目標大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測量結果產生重大影響。對于細小而又處于運動或震動之中的目標，雙色測溫儀是*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（光學分辨率）：距離系數由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀遠離目標，而目標又小，就應選擇高距離系數的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學系統焦點處為光斑*小位置，近于和遠于焦點位置光斑都會增大。存在兩個距離系數。

  4 確定波長范圍：目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發射率。在高溫區，測量金屬材料的*佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長。

  5 確定響應時間：響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達*后讀數的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的時間常數有關。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。

  6 信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產）和連續過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設置測溫儀響應時間稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。

 7 環境條件考慮：測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當環境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環境影響并保護測溫儀，實現準確測溫。在確定附件時，應盡可能要求標準化服務，以降低安裝成本。

 8 紅外輻射測溫儀的標定：紅外測溫儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標定。

四紅外測溫儀的特點

  1.非接觸測量：它不需要接觸到被測溫度場的內部或表面，因此，不會干擾被測溫度場的狀態，測溫儀本身也不受溫度場的損傷。

  2.測量范圍廣：因其是非接觸測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。一般情況下可測量負幾十度到三千多度。

  3.測溫速度快：即響應時問快。只要接收到目標的紅外輻射即可在短時間內定溫。

  4.準確度高：紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測量精度高。

  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，易于測出�？蛇M行微小溫度場的溫度測量和

  6.溫度分布測量，以及運動物體或轉動物體的溫度測量。使用安全及使用壽命長。

五紅外線測溫儀的缺點：

    1.易受環境因素影響（環境溫度，空氣中的灰塵等）

    2.對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數影響較大

    3.只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內部和存在障礙物時的溫度

六紅外測溫儀的使用注意事項：

  （1）必須準確確定被測物體的發射率;

  （2）避免周圍環境高溫物體的影響;

   (3）對于透明材料，環境溫度應低于被測物體溫度;

   (4）測溫儀要垂直對準被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過30℃

   (5）不能應用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進行測溫;

   (6）正確選擇跟離系數，目標直徑必須充滿視場;

   (7）如果紅外測溫儀突然處于環境溫度差為20℃或更高的情況下，測量數據將不準確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。.

七改進方案：

    由于普通紅外測溫儀只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內部和存在障礙物時的溫度，所以可以在其檢測頭部加一段光導纖維，并在其前端裝一個小視角的透鏡，這樣被測物體的輻射能經過透鏡到光導纖維內部。在光導纖維里面經過多次反射傳至檢測器。因為光纖可以自由彎曲，使輻射能自由轉向，這就解決了物體內部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。

    例如，在塑料擠壓機內測量塑料溫度，渦輪機內通過靜葉片的空隙來測量動葉片的*高溫度和平均溫度，并可以帶有多個探頭進行循環檢測。

    1 光纖紅外測溫的原理：

       光纖傳光原理是光在不同介質中的全反射現象。光從光密介質像光疏介質傳播時，光會在邊界全部折回光密介質。光在纖心中就會曲折前進，而不會泄露。

2 結構圖：

被測物體的紅外輻射經紅外探頭透鏡匯聚到光纖前端，通過光纖傳輸及紅外濾光片過濾后的紅外能量，被紅外探測器接收并轉換成相應的電信號，此電信號經電子線路的放大、線性化處理后以標準的信號輸出方式采光纖測溫的優點

    （1）光纖測頭耐溫高，可以安裝在環境溫度較高的場合

    （2）通過光纖傳輸紅外能量，使紅外探頭與電子處理模塊隔離，使信號處理單元受環境影響降至*小。

    （3）光纖測頭傳送紅外輻射熱能信號完全不受電磁場干擾，特別適合在中高頻感應加熱設備等強電磁場環境下使用

     （4）可以自由彎曲，使輻射能自由轉化，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度