紅外測溫方法的工作原理及測溫儀

摘要：本文從黑體輻射原理出發分析了紅外測溫的工作原理，從發射率、距離系數、環境等幾個方面，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、選擇及應用簡要的說明。

關鍵詞：黑體輻射、紅外測溫儀、溫度測量

引言

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,就會不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位于0. 75～100μm 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物理量，是工業生產中很普遍、很重要的一個熱工參數，許多生產工藝過程均要求對溫度進行監視和控制，特別是在化工、食品等行業生產過程中，溫度的測量和控制直接影響到產品的質量和性能。傳統的接觸式測溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測物質進行充分的熱交換，需經過一定的時間后才能達到熱平衡，存在著測溫的延遲現象，故在連續生產質量檢驗中存在一定的使用局限。目前，紅外溫度儀因具有使用方便，反應速度快，靈敏度高，測溫范圍廣，可實現在線非接觸連續測量等眾多優點，正在逐步地得以推廣應用。表1列出了常用的測溫方法和特點，其中紅外測溫作為一種常用的測溫技術顯示出較明顯的優勢。

1 紅外測溫儀的工作原理及特點 

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系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。　
　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1，其它的物質反射系數小于1，稱為灰體。應該指出，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點，故稱黑體輻射定律。

1.1 紅外測溫儀特點

 一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。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系。因此,通過對物體自身發出的紅外能量的測量,便能準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。當儀器測溫時,被測物體發射出的紅外輻射能量,通過測溫儀的光學系統在探測器上轉為電信號,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:非接觸式測量,測溫范圍廣,響應速度快,靈敏度高。但由于受被測對象的發射率影響,幾乎不可能測到被測對象的真實溫度,測量的是表面溫度。

2 紅外測溫儀的系統組成

紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發射率，將輻射功率轉化為溫度。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計和內部結構不盡相同，但基本結構大體相似，主要包括光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，其基本結構如圖2 所示。

輻射體發出的紅外輻射，進入光學系統，經調制器把紅外輻射調制成交變輻射，由探測器轉變成為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

如圖2所示紅外測溫儀是根據物體的紅外輻射特性,依靠其內部光學系統將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器(傳感器) ,并轉換成電信號,再通過放大電路、補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,其核心是紅外探測器,將入射輻射能轉換成可測量的電信號(見3圖) 。

3 紅外測溫誤差分析

4 紅外測溫的幾種方法

5 如何正確選擇紅外測溫儀

選擇紅外測溫儀可分為三個方面：性能指標方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等；環境和工作條件方面，如環境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等；其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等。紅外測溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，并備有各種選件和計算機軟件，每一系列中又有各種型號及規格。要從不同規格的各種型號測溫儀中選擇紅外測溫儀，應注意如下幾個方面：

（1）首先要將測量要求和所要解決的問題弄清，如被測目標溫度，被測目標大小，測量距離，被測目標材料，目標所處環境，響應速度要求，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有各種型號的測溫儀進行對比，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、功能和價格方面的最佳搭配。

總結有如下的幾點：

1>   確定溫度范圍

2>   確定目標尺寸

3>   確定光學分辨率

4>   確定波長范圍

5>   確定響應時間

6>   信號處理功能

7>   考慮環境條件

8>   紅外輻射測溫儀的標定

9>   操作使用

6 紅外測溫儀的應用 

紅外測溫儀具有非接觸和快速測溫的優點, 在工業、農業、醫療和科學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的其他性質的間接測量。舉例如下：

1>鋼鐵工業中使用的紅外測溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時測量控制溫度對提高產品的質量起著重要的作用。對爐壁和機械設備熱故障的監測為延長使用壽命和安全保障提供依據。

2>在機械加工中, 測量控制熱處理部件的溫度對產品質量起著關鍵的作用。

3>在化學工業中, 化工設備都在高溫高壓下工作, 監測設備的熱分布狀況, 判斷設備工作情況, 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、電力業方面, 在運行及帶電條件下檢測動力設備、配電設備、電纜、電器接頭等溫度的異常, 為設備的安全運行提供一定的保障。

5>在建筑業中, 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>在農業方面, 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, 農副產品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監測, 中草藥烘干、制藥溫度的監測。

7>在農業方面, 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, 農副產品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監測, 中草藥烘干、制藥溫度的監測。

8>在科學研究方面, 由于紅外測溫儀的突出優點, 使得在特殊試驗條件要求一能提供測溫手段, 應用范圍較廣。

總之，其應用范圍很廣，在就不一一列舉，由此可見紅外測溫儀的用途很大，對工業，農業的發展有著重要的作用。

7 結語

紅外測溫技術隨著現代技術的發展日趨完善, 用途逐漸滲透到各個領域。開發更新型的紅外測溫技術，完善紅外測溫儀的性能是時代發展的要求。基于黑體輻射原理的紅外測溫技術在現代化的發展起著越來越重要的作用，它的非接觸測量，實現了遙測技術；不破壞被測溫度場的均衡性； 光子作為信息載體，響應速度快；靈敏度高，比傳統的傳感器高1-4個數量級；頻帶寬，動態范圍大；方便的和計算機連接，容易實現數字化，智能化； 安裝方便，使用附件少，維護簡單，提高了勞動生產力；非接觸測量極大的提高了本產品的使用壽命，降低了生產成本；體積小、重量輕、價格不斷低遞降等優點使得它在其他的測溫儀器中有越來越大的優勢。

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