您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
紅外線測溫儀的原理及應(yīng)用
摘要：
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。
關(guān)鍵詞：紅外線
測溫
輻射
光纖
*,，溫度是供熱,，供燃氣，通風及空調(diào)系統(tǒng)中zui重要的參數(shù)之一,。尤其在
熱工測量過程中,，
溫度的程度往往是決定實驗成敗的關(guān)鍵。
因此,，
一個
度高的測溫儀器在工程中是*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(yīng)用進行一些介紹,。
一，紅外測溫的理論原理
在自然界中,，
當物體的溫度高于零度時,，
由于它內(nèi)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zui
大的特點是在給定的溫度和波長下，
物體發(fā)射的輻射能有一個zui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(
λ
Ｔ
)
與溫度
T
之間滿足普朗克定。說明在
溫度
T
下,，波長
λ
處單位面積上黑體的輻射功率為
P(
λ
Ｔ
)
,。根據(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)
隨著溫度的升高,，
物體的輻射能量越強,。
這是紅外輻射理論的出發(fā)點，
也是
單波段紅外測溫儀的設(shè)計依據(jù),。
（
2)
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
與溫度
T
成反比,，
虛線為
處峰值連線。
這個公式告訴我們?yōu)?/p>
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,。
（
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(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,。
被測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器,。
兩信
號的差值經(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,。顯示器指出被測物體的亮度溫度
三,，紅外線測溫儀的性能指標及作用
測溫范圍，顯示分辯率,，精度,，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性,，相對濕度,，響應(yīng)時
間，電源
響應(yīng)光譜,，尺寸,，zui大值顯示，重量,，發(fā)射率等
1
,，確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀zui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(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由發(fā)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(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀
（輻射比
色測溫儀）
,。
對于單色測溫儀，
在進行測溫時,，
被測目標面積應(yīng)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(shù),，
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(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(jié)果產(chǎn)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*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)（光學分辨率）：距離系數(shù)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(huán)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(yīng)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(yīng)選擇高距離系數(shù)的測溫儀,。
對于固定焦距的測溫儀，
在光學系
統(tǒng)焦點處為光斑zui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(shù)。
4
,，
確定波長范圍
：
目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對
于高反射率合金材料,，
有低的或變化的發(fā)射率。
在高溫區(qū),，
測量金屬材料的*
波長是近紅外,，
可選用
0.8
～
1.0
μ
m
。
其他溫區(qū)可選用
1.6
μ
m,2.2
μ
m
和
3.9
μ
m
,。
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(yīng)
選擇特殊的波長。
5
,，確定響應(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zui后讀數(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),。
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(yīng)紅外測溫儀,，否則達不到足夠的信號響應(yīng),，會降低測量精度,。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(yīng)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(chǎn)）和連續(xù)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(nèi),。
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(shè)置測溫儀響應(yīng)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(huán)境條件考慮：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
適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞,。當環(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)境影響并保護測溫儀,，
實現(xiàn)準確測溫,。
在確
定附件時，應(yīng)盡可能要求標準化服務(wù),，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(jīng)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(xiàn)測溫超差，
則需退回廠家或維修
中心重新標定,。
四,，影響紅外測溫儀的主要因素
1
、測溫目標大小與測溫距離的關(guān)系：在不同距離處,，可測的目標的有效直徑
D
是不同的,，
因而在測量小目標時要注意目標距離。
紅外測溫儀距離系數(shù)
K
的定義
為：被測目標的距離
L
與被測目標的直徑
D
之比,，即
K=L/D
2
,、選擇被測物質(zhì)發(fā)射率：紅外測溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率
ε
=1.00
）分度
的，而實際上,，物質(zhì)的發(fā)射率都小于
1.00
,。因此,，在需要測量目標的真實溫度
時，須設(shè)置發(fā)射率值,。物質(zhì)發(fā)射率可從《輻射測溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)》中
查得,。
3
、強光背景里目標的測量：若被測目標有較亮背景光（特別是受太陽光或強燈
直射）
,，
則測量的準確性將受到影響,，
因此可用物遮擋直射目標的強光以消除背
景光干擾。
4
,、小目標的測量
⑴ 應(yīng)將測溫儀固定在三角架（可選附件）上
⑵ 需要調(diào)焦,，即：用目鏡中小黑點對準目標（目標應(yīng)充滿小黑點），將鏡
頭前后調(diào)整,，
眼睛稍微晃動,，
如果被測小黑圓點之間沒有相對運動，
則調(diào)焦就已
完成
5.
溫度輸出功能
（
1
）數(shù)字信號輸出——
RS232
,、
RS485
,，溫度信號遠傳
（
2
）模擬信號輸出——
0
～
5V
，
1
～
5V
,，
0
～
10V
,，
0/4
～
20
毫安，可以加入閉環(huán)
控制中,。
（
3
）高報警,、低報警─生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個范圍里
,
可設(shè)置高
,
低報
警值。高報警：在高報警設(shè)置打開的情況下,，當溫度高于高報警值,，相應(yīng)的
LED
燈閃爍，蜂鳴器響,，并有
AH
常開繼電器接通,。
五，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(nèi)部或表面,，
因此，
不會干擾被測
溫度場的狀態(tài),，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(yīng)時問快,。只要接收到目標的紅
外輻射即可在短時間內(nèi)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,?？?/p>
進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(zhuǎn)動物體的溫度測量。
使用安全及使用壽命長,。
六，紅外線測溫儀的缺點
1.
易受環(huán)境因素影響（環(huán)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(shù)影響較大
3.
只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度
七,，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(fā)射率
;
（
2
）避免周圍環(huán)境高溫物體的影響
;
(3
）對于透明材料,，環(huán)境溫度應(yīng)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(yīng)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(shù)，目標直徑必須充滿視場
;
(7
）如果紅外測溫儀突然處于環(huán)境溫度差為
20℃ 或更高的情況下，測量數(shù)據(jù)將
不準確,，溫度平衡后再取其測量的溫度值。
.
八，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(nèi)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(dǎo)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(jīng)過透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。
在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)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(zhuǎn)向,，
這就解決了
物體內(nèi)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(nèi)測量塑料溫度，
渦輪機內(nèi)通過靜葉片的空隙來測量動葉片
的zui高溫度和平均溫度,，并可以帶有多個探頭進行循環(huán)檢測,。
1
，光纖紅外測溫的原理