簡(jiǎn)述紅外測溫儀技術(shù)現代應用

紅外測溫儀工作原理

紅外測溫儀由光學(xué)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。光學(xué)系統匯聚其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過(guò)放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(cháng)的分布 -- 與它的表面溫度有著(zhù)十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)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(guān)基礎。

黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(cháng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為 1 .但是，自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，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(cháng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱(chēng) 黑體輻射定律 .所有實(shí)際物體的輻射量除依賴(lài)于輻射波長(cháng)及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類(lèi)、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數，即發(fā)射率。該系數表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于 1 的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因素在：材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時(shí)首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。

紅外測溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測器上，并通過(guò)已知物體的發(fā)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(chǎng)合不同，紅外測溫儀的外觀(guān)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(xué)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。輻射體發(fā)出的紅外輻射。進(jìn)入光學(xué)系統，經(jīng)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(jīng)過(guò)放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

紅外線(xiàn)測溫儀三大分類(lèi)：（1）人用紅外線(xiàn)測溫儀：額溫型紅外線(xiàn)體溫計（以下簡(jiǎn)稱(chēng)額溫計）是一種利用紅外接收原理測量人體的測溫計。使用時(shí)，只須方便的將探測窗口對準額頭位置，就能快速、準確的測得人體溫度。（2）工業(yè)紅外測溫儀：工業(yè)紅外測溫儀測量物體的表面溫度，其光傳感器輻射、反射并傳輸能量，然后能量由探頭進(jìn)行收集、聚焦，再由其它的電路將信息轉化為讀書(shū)顯示在機上，本機配備的激光燈更有效對準被測物及提高測量精度。（3）畜牧業(yè)動(dòng)物紅外測溫儀測溫儀：獸用紅外線(xiàn)非接觸體溫計根據普朗克原理，通過(guò)準確測定動(dòng)物體表特定部位的體表溫度，修正體表溫度與實(shí)際溫度的溫差，便能準確顯示出動(dòng)物的個(gè)體體溫。

確定波長(cháng)范圍：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長(cháng)。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，測量金屬材料的最佳波長(cháng)是近紅外，可選用0.18-1.0μm波長(cháng)。其他溫區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長(cháng)。由于有些材料在一定波長(cháng)是透明的，紅外能量會(huì )穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長(cháng)。如測量玻璃內部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會(huì )透過(guò)）波長(cháng)；測量玻璃內部溫度選用5.0μm波長(cháng)；測低區區選用8-14μm波長(cháng)為宜；再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長(cháng)，聚醋類(lèi)選用4.3μm或7.9μm波長(cháng)。厚度超過(guò)0.4mm選用8-14μm波長(cháng)；又如測火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長(cháng)，測火焰中的C0用窄帶4.64μm波長(cháng)，測量火焰中的N02用4.47μm波長(cháng)。

確定響應時(shí)間：響應時(shí)間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數的95%（雙色比色光纖只需要5%能量）能量所需要時(shí)間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時(shí)間常數有關(guān)。新型紅外測溫儀響應時(shí)間可達1ms.這要比接觸式測溫方法，快得多。如果目標的運動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標時(shí)，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(huì )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(guò)程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時(shí)間的選擇要和被測目標的情況相適應。

確定光學(xué)分辨率（距離系靈敏）

光學(xué)分辨率由D與S之比確定，是測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S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，就應選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D:S比值，測溫儀的成本也越高。

確定波長(cháng)范圍：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長(cháng)。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，測量金屬材料的最佳波長(cháng)是近紅外，可選用0.18-1.0μm波長(cháng)。其他溫區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長(cháng)。由于有些材料在一定波長(cháng)是透明的，紅外能量會(huì )穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長(cháng)。如測量玻璃內部溫度選用1.0μm、2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會(huì )透過(guò)）波長(cháng)；測量玻璃內部溫度選用5.0μm波長(cháng)；測低區區選用8-14μm波長(cháng)為宜；再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長(cháng)，聚酯類(lèi)選用4.3μm或7.9μm波長(cháng)。厚度超過(guò)0.4mm選用8-14μm波長(cháng)；又如測火焰中的CO2用窄帶4.24-4.3μm波長(cháng)，測火焰中的CO用窄帶4.64μm波長(cháng)，測量火焰中的NO2用4.47μm波長(cháng)。

確定響應時(shí)間：響應時(shí)間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時(shí)間常數有關(guān)。廣州宏誠香港CEM品牌紅外測溫儀響應時(shí)間可達1ms.這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標的運動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標時(shí)，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(huì )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(guò)程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時(shí)間的選擇要和被測目標的情況相適應。

信號處理功能：測量離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續過(guò)程不同，要求紅外測溫儀有信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。如測溫傳送帶上的玻璃時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。

環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結果有很大影響，應加以考慮并適當解決，否則會(huì )影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當環(huán)境溫度過(guò)高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠(chǎng)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(huán)境影響并保護測溫儀，實(shí)現準確測溫。在確定附件時(shí)，應盡可能要求標準化服務(wù)，以降低安裝成本。當煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信呈悍，雙色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，光纖雙色測溫儀是最佳選擇。

在密封的或危險的材料應用中（如容器或真空箱），測溫儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀(guān)測。材料必須有足夠的強度并能通過(guò)所用測溫儀的工作波長(cháng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)行觀(guān)察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見(jiàn)光，人眼不能通過(guò)窗口觀(guān)察目標。如操作員需要通過(guò)窗口目標，應采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如應采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。

操作簡(jiǎn)單，使用方便：紅外測溫儀應該是直觀(guān)的，操作簡(jiǎn)單，易于被操作人員使用，其中便攜式紅外測溫儀是一種集測溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進(jìn)行測溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的可通過(guò)遙控或通過(guò)計算機軟件程序操作。

在環(huán)境條件惡劣復雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開(kāi)的系統，以便于安裝和配置?？蛇x擇與現行控制設備相匹配的信號輸出形式。

紅外輻射測溫儀的標定：紅外測溫儀必須經(jīng)過(guò)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(chǎng)家或維修中心重新標定。