紅外測(cè)溫方法的工作原理及測(cè)溫(自己總結(jié)的)

1、紅外測(cè)溫方法的工作原理及測(cè)溫儀(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院) 摘要：本文從黑體輻射原理出發(fā)分析了紅外測(cè)溫的工作原理，從發(fā)射率、距離系數(shù)、環(huán)境等幾個(gè)方面，探討和分析了測(cè)溫誤差的原因，以及基于紅外測(cè)溫技術(shù)的測(cè)溫儀的簡(jiǎn)單的概述,并對(duì)紅外測(cè)溫儀的分類、性能、選擇及應(yīng)用簡(jiǎn)要的說明。關(guān)鍵詞：黑體輻射、紅外測(cè)溫儀、溫度測(cè)量Infrared Thermometer and the working principle of Infrared Temperature measurement (College of Science and Technology，Beijing University of Che

2、mical Technology)Abstract: In this paper, the theory of infra-red temperature measurement was analyzed according to the principle of blackbody radiation. We discussed the main factors for measurement accuracy, such as reflectance, distance coefficient and environment. Based on infrared temperature m

3、easurement technology, we make a simple overview of infrared thermometer, and a brief description of its classification, performance, selection and application.Key words: Blackbody radiation; infrared thermometer; temperature measurement0引言在自然界中,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)不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位于0. 7

4、5100m 的紅外線.紅外測(cè)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(gè)物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過程均要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過一定的時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在著測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)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(yīng)速度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步地得以推廣應(yīng)用。表1列出了常用的測(cè)溫方法和特點(diǎn)，其中紅外測(cè)

5、溫作為一種常用的測(cè)溫技術(shù)顯示出較明顯的優(yōu)勢(shì)。表1 常用測(cè)溫方法對(duì)比測(cè)溫方法溫度傳感器測(cè)溫范圍（C）精度（%）接觸式熱電偶-20018000.21.0熱電阻-503000.10.5非接觸式紅外測(cè)溫-5033001其它示溫材料-35200011 紅外測(cè)溫儀的工作原理及特點(diǎn)1.1 黑體輻射與紅外測(cè)溫原理一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(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(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。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(zhǎng)的輻

6、射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1，其它的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體。應(yīng)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(guī)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(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)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)，故稱黑體輻射定律。由于黑體的光譜輻射功率Pb()與絕對(duì)溫度 之間滿足普朗克定理：（1）其中，Pb()黑體的輻射出射度；波長(zhǎng)；T絕對(duì)溫度；c1、c2輻射常數(shù)。式（1）說明在絕對(duì)溫度 下，波長(zhǎng)處單位面積上黑體的輻射功率為Pb()。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以得到下圖1的關(guān)系曲線：圖1 黑

7、體輻射的光譜分析從圖1中可以看出：(1)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)。(2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)(向左)，并滿足維恩位移定理T *m = 2897.8 m*K，峰值處的波長(zhǎng)m與絕對(duì)溫度 成反比，虛線為m 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。(3)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。根據(jù)斯特藩玻耳茲曼定理黑體的輻出度 Pb()

8、與溫度 的四次方成正比， 即： (2)式中，Pb(T)溫度為T 時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度；斯特藩玻耳茲曼常量；T物體溫度。式（2）中黑體的熱輻射定律正是紅外測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。如果在條件相同情況下，物體在同一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻出度 Pb()小于黑體的單色黑度()，即實(shí)際物體接近黑體的程度。()= P(T)/ Pb(T) (3)考慮到物體的單色黑度()是不隨波長(zhǎng)變化的常數(shù)，即 ()=，稱此物體為灰體。它是隨不同物質(zhì)而值不同，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也不同，只有黑體=1，而一般灰體01，由式(2)可得：所測(cè)物體的溫度為：(

9、4)式(4)正是物體的熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述。1.2 紅外測(cè)溫儀特點(diǎn)一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。紅外輻射能量的大小按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過對(duì)物體自身發(fā)出的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)出它的表面溫度。紅外測(cè)溫儀能接收多種物體自身發(fā)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(dāng)儀器測(cè)溫時(shí),被測(cè)物體發(fā)射出的紅外輻射能量,通過測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè)器上轉(zhuǎn)為電信號(hào),并通過紅外測(cè)溫儀的顯示部分顯示出被測(cè)物體的表面溫度。紅外測(cè)溫儀特點(diǎn):非接觸式測(cè)量,測(cè)溫范圍廣,響應(yīng)速度快,靈敏度高。但由于受被測(cè)對(duì)象的發(fā)

10、射率影響,幾乎不可能測(cè)到被測(cè)對(duì)象的真實(shí)溫度,測(cè)量的是表面溫度。2 紅外測(cè)溫儀的系統(tǒng)組成紅外測(cè)溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外測(cè)溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(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，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。輻射體發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測(cè)器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。調(diào)

11、制盤電子放大器調(diào)制盤圖2 紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示紅外測(cè)溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性,依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測(cè)器(傳感器) ,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再通過放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后,在顯示終端顯示被測(cè)物體的溫度。系統(tǒng)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,其核心是紅外探測(cè)器,將入射輻射能轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)(見3圖) 。圖3 紅外測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 紅外測(cè)溫誤差分析由于紅外測(cè)溫是非接觸式的，這樣會(huì)存在著各種誤差，影響誤差的因素很多，除了儀器本身的因素外，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、 輻射率輻射率是一個(gè)物體相對(duì)于黑體輻射能力大小的物理量，它除了與物體

12、的材料形狀、表面粗糙度、凹凸度等有關(guān)，還與測(cè)試的方向有關(guān)。若物體為光潔表面時(shí)，其方向性更為敏感。不同物質(zhì)的輻射率是不同的，紅外測(cè)溫儀從物體上接收到輻射能量大小正比于它的輻射率。（1） 輻射率的設(shè)定根據(jù)基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發(fā)射率()等于它的半球單色吸收率()，=。在熱平衡條件下，物體輻射功率等于它的吸收功率，即吸收率()、反射率()、透射率()總和為1，即 =1，圖4 解釋了上述規(guī)律。對(duì)于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可視=0，只有輻射和反射( =1)，當(dāng)物體的輻射率越高，反射率就越小，背景和反射的影響就會(huì)越小，測(cè)試的準(zhǔn)確性也就越高；反之，背景溫度越高或反射率越高，對(duì)測(cè)試的影

13、響就越大。由此可以看出，在實(shí)際的檢測(cè)過程中必須注意不同物體和測(cè)溫儀相對(duì)應(yīng)的輻射率，對(duì)輻射率的設(shè)定要盡量準(zhǔn)確，以減小所測(cè)溫度的誤差。圖4 目標(biāo)的紅外輻射（2） 測(cè)試角度輻射率與測(cè)試方向有關(guān)，測(cè)試角度越大，測(cè)試誤差越大，在用紅外進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，這一點(diǎn)很容易被忽視。一般來說，測(cè)試角最好在30C 之內(nèi)，一般不宜大于45C，如果不得不大于45C 進(jìn)行測(cè)試，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低輻射率進(jìn)行修正。如果兩個(gè)相同物體的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)要進(jìn)行判斷分析，那么在測(cè)試時(shí)測(cè)試角一定要相同，這樣才更具有可比性。2、 距離系數(shù)距離系數(shù)(K=S:D)是測(cè)溫儀到目標(biāo)的距離S 與測(cè)溫目標(biāo)直徑D 的比值，它對(duì)紅外測(cè)溫的精確度有很大影響，K 值越大，分辨

14、率越高。因此，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，以減小測(cè)量誤差。在實(shí)際使用中，許多人忽略了測(cè)溫儀的光學(xué)分辨率。不管被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)直徑D 大小，打開激光束對(duì)準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)就測(cè)試。實(shí)際上他們忽略了該測(cè)溫儀的S:D 值的要求，這樣測(cè)出的溫度會(huì)有一定的誤差。比如，用測(cè)量距離與目標(biāo)直徑S:D=8:1 的測(cè)溫儀，測(cè)量距離應(yīng)滿足表2 的要求。表2 S值應(yīng)滿足的要求目標(biāo)大小D(mm)1550100200測(cè)量距離S(mm)120400800 確定溫度范圍2 確定目標(biāo)尺寸3 確定光學(xué)分辨率4 確定波長(zhǎng)范圍5 確定響應(yīng)時(shí)間6 信號(hào)處理功能7 考慮環(huán)境條件8

15、紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定9 操作使用6 紅外測(cè)微儀的應(yīng)用紅外測(cè)溫儀具有非接觸和快速測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)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(cè)量被測(cè)目標(biāo)的表面溫度其次是利用測(cè)量物體的熱分布狀況判斷物體與熱分布有關(guān)的其他性質(zhì)的間接測(cè)量。舉例如下：1鋼鐵工業(yè)中使用的紅外測(cè)溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時(shí)測(cè)量控制溫度對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。對(duì)爐壁和機(jī)械設(shè)備熱故障的監(jiān)測(cè)為延長(zhǎng)使用壽命和安全保障提供依據(jù)。2在機(jī)械加工中, 測(cè)量控制熱處理部件的溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。3在化學(xué)工業(yè)中, 化工設(shè)備都在高溫高壓下工作, 監(jiān)測(cè)設(shè)備的熱分布狀況, 判斷設(shè)

16、備工作情況, 檢測(cè)熱篙道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。4在動(dòng)力、電力業(yè)方面, 在運(yùn)行及帶電條件下檢測(cè)動(dòng)力設(shè)備、配電設(shè)備、電纜、電器接頭等溫度的異常, 為設(shè)備的安全運(yùn)行提供一定的保障。5在建筑業(yè)中, 通過對(duì)建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測(cè)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(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測(cè)量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測(cè)量, 農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測(cè), 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測(cè)。7在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測(cè)量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測(cè)量, 農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測(cè), 中草藥烘干、制藥溫度

17、的監(jiān)測(cè)。8在科學(xué)研究方面, 由于紅外測(cè)溫儀的突出優(yōu)點(diǎn), 使得在特殊試驗(yàn)條件要求一能提供測(cè)溫手段, 應(yīng)用范圍較廣?？傊鋺?yīng)用范圍很廣，在就不一一列舉，由此可見紅外測(cè)溫儀的用途很大，對(duì)工業(yè)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。7 結(jié)語紅外測(cè)溫技術(shù)隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展日趨完善, 用途逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域。開發(fā)更新型的紅外測(cè)溫技術(shù)，完善紅外測(cè)溫儀的性能是時(shí)代發(fā)展的要求?；诤隗w輻射原理的紅外測(cè)溫技術(shù)在現(xiàn)代化的發(fā)展起著越來越重要的作用，它的非接觸測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)技術(shù)；不破壞被測(cè)溫度場(chǎng)的均衡性； 光子作為信息載體，響應(yīng)速度快；靈敏度高，比傳統(tǒng)的傳感器高1-4個(gè)數(shù)量級(jí)；頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大；方便的和計(jì)算機(jī)連接，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)

18、字化，智能化； 安裝方便，使用附件少，維護(hù)簡(jiǎn)單，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)力；非接觸測(cè)量極大的提高了本產(chǎn)品的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本；體積小、重量輕、價(jià)格不斷低遞降等優(yōu)點(diǎn)使得它在其他的測(cè)溫儀器中有越來越大的優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1 李軍，劉梅冬，曾亦可等.非接觸式紅外測(cè)溫的研究J，2001.LI J，LIU M D，ZENG Y K，Research on Non-contact Infrared Temperature Measurement J， 2001.2 袁繼俊供稿.紅外測(cè)溫儀J.YUAN J J，Infrared Thermometer J.3 曾強(qiáng)，舒芳譽(yù)，李清華.紅外測(cè)溫儀工作原理及誤差分析J，2007.ZENG Q，SHU F Y，LI Q H，Principle And Error Analysis Of Infra-Red Temperature Measurement J,2007.4 張欽.紅外測(cè)溫儀的工作原理及檢