紅外測(cè)溫儀的分類原理和應(yīng)用簡(jiǎn)述

1、紅外測(cè)溫儀的分類原理和應(yīng)用簡(jiǎn)述為什么在我的應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)使用紅外線高溫計(jì)測(cè)量溫度？在常規(guī)傳感器無(wú)法使用的應(yīng)用中，用戶可以使用紅外線高溫計(jì)測(cè)量溫度。具體來(lái)說(shuō)，在測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（如滾輪、運(yùn)動(dòng)設(shè)備或測(cè)量溫度。具體來(lái)說(shuō)，在測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（如滾輪、運(yùn)動(dòng)設(shè)備或壓）而需要進(jìn)行非接觸式測(cè)量的情況下、或者距離過(guò)遠(yuǎn)的情況下、或者待測(cè)量溫度太高使熱電偶或其它接觸式傳感器無(wú)法測(cè)量的情況下，都應(yīng)該使用紅外線高溫計(jì)。在選擇紅外線高溫計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)我的應(yīng)用考慮哪些因素？有關(guān)任何紅外線高溫計(jì)的重要考慮因素均包括視場(chǎng)（目標(biāo)的尺寸和距離）、待測(cè)量表面的類型（有關(guān)發(fā)射率的考慮因素）、光譜響應(yīng)（對(duì)于大氣效應(yīng)或透射過(guò)表面）、溫度范圍和安裝方式

2、（手持式或固定安裝式）。其它考慮因素包括響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境、安裝限制、觀察孔或觀察窗使用以及需要的信號(hào)處理。視場(chǎng)視場(chǎng)有何意義？為何視場(chǎng)很重要？視場(chǎng)指儀器工作的視場(chǎng)角，由儀器的光學(xué)器件決定。若要獲得精確的溫度讀數(shù)，被測(cè)量目標(biāo)應(yīng)該占滿儀器的視場(chǎng)。由于紅外線器件確定視場(chǎng)內(nèi)所有表面的平均溫度，那么如果背景溫度與物體溫度不同，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差大多數(shù)通用指示器的焦距介于2060之間。焦距是最小測(cè)量光斑出現(xiàn)的點(diǎn)。例如，儀器的距離與光斑直徑比為120:1，焦距為60，則60處的最小光斑直徑為0.5。短焦儀器的焦距通常為0.112，而長(zhǎng)焦儀器使用焦距可以達(dá)到大約50。許多長(zhǎng)距離或小光斑直徑的儀器還帶有瞄準(zhǔn)鏡，以便改

3、善對(duì)焦。大多數(shù)儀器都有視場(chǎng)圖，可幫助估算特定距離處的光斑直徑。發(fā)射率什么是發(fā)射率，發(fā)射率如何與紅外線溫度測(cè)量聯(lián)系起來(lái)？發(fā)射率定義為某個(gè)物體在給定溫度下輻射的能量與理想輻射體或黑體在相同溫度下輻射的能量之比率。黑體的發(fā)射率是1.0。或黑體在相同溫度下輻射的能量之比率。黑體的發(fā)射率是1.0。所有發(fā)射率值都在0.01.0范圍內(nèi)。發(fā)射率（）是紅外線溫度測(cè)量中的一個(gè)主要卻又不是無(wú)法控制發(fā)射率（）是紅外線溫度測(cè)量中的一個(gè)主要卻又不是無(wú)法控制（T）。反射率衡量物體反射紅外線能量的能力，而透射率衡量物體讓紅外線能量穿過(guò)或透射的能力。所有紅外線能量必然被發(fā)射（E）（由于物體的溫度）、透射（T）或者被反射（R）。

4、總能量，即發(fā)射率、透射率與反射率之和等于1:E+T+R=1.0紅外線測(cè)量的理想表面是發(fā)射率為1.0的理想輻射體或黑體。然而，大多數(shù)物體并非理想輻射體，它們將反射和/或透射一部分能量。大般而般而部分儀器有能力對(duì)不同的發(fā)射率值以及對(duì)不同材料進(jìn)行補(bǔ)償。言，物體的發(fā)射率越高，使用紅外線獲得精確溫度測(cè)量就越容易。發(fā)射率極低的物體（低于0.2）測(cè)量起來(lái)會(huì)非常困難。一些經(jīng)過(guò)拋光的閃亮金屬表面（例如鋁）在紅外線中反射性很強(qiáng)，以致于不能總是進(jìn)行精確的溫度測(cè)量。除了一些特殊應(yīng)用（例如薄膜塑料）以外，通常反射率是比透射率更重要的考慮因素。大多數(shù)有機(jī)物質(zhì)（木頭、布料、塑料等）的反射率約為0.95。大部分粗糙表面或油漆

5、表面也有比較高的反射率值。確定反射率的五種方法為了確保精確的溫度測(cè)量，有以下五種方法可確定材料的發(fā)射率：使用精密的傳感器，將材料試樣加熱到一個(gè)已知溫度，然后使用紅外線儀器測(cè)量溫度。接著，調(diào)整發(fā)射率值，強(qiáng)行讓指示器顯示正確溫度。對(duì)于相對(duì)較低的溫度（最高500F）,可以測(cè)量遮蔽膠帶（發(fā)射率為0.95）接著，調(diào)整發(fā)射率值，強(qiáng)行讓指示器顯示材料的正確溫度。對(duì)于高溫測(cè)量，可以在物體上鉆出一個(gè)孔（其深度至少為直徑的6倍）該孔可以作為發(fā)射率為1.0的黑體。測(cè)量該孔內(nèi)的溫度，接著調(diào)整發(fā)射率，強(qiáng)行讓指示器顯示材料的正確溫度。如果可以在材料或者材料的一部分噴涂，暗黑色漆的發(fā)射率約為1.0。測(cè)量漆的溫度，接著調(diào)整發(fā)

6、射率，強(qiáng)行讓指示器顯示正確溫度。提供有大多數(shù)材料的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射率值（參見(jiàn)第9091頁(yè)）?？梢园堰@些值輸入儀器內(nèi)，從而估算材料的發(fā)射率值。光譜響應(yīng)什么是光譜響應(yīng)？它對(duì)溫度讀數(shù)的影響程度如何？?jī)x器的光譜響應(yīng)是儀器涵蓋的紅外光譜的寬度。大部分普通儀器（適用于低于1000F的溫度）使用814微米范圍內(nèi)的寬帶濾光片。此范圍是大多數(shù)測(cè)量的首選，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)可以進(jìn)行測(cè)量而不會(huì)受到大氣干擾，大氣干擾即大氣溫度影響儀器讀數(shù)。一些儀器使用820微米的更寬濾光片，這些濾光片可用于近距離測(cè)量，但對(duì)于較長(zhǎng)距離，它們是距離敏感的。對(duì)于一些特殊用途，可以選擇極窄的波段。它們可用于更高的溫度，可用于穿透大氣、火焰和氣體。典型的

7、低通濾光片在2.2或3.8微米波段。通常使用2.12.3微米濾光片測(cè)量高于1500F的溫度。其它可使用的帶寬如下，0.781.06微米用于測(cè)量高溫，7.9或3.43微米用于有限度地穿透薄膜塑料，而3.8微米用于穿透純凈火焰幾乎不受干擾。透過(guò)玻璃進(jìn)行溫度測(cè)量我想透過(guò)玻璃窗或石英玻璃窗測(cè)量溫度，有哪些特殊考慮因素？紅外能量透射過(guò)玻璃或石英是要考慮的一個(gè)重要因素。高溫計(jì)必須有一個(gè)在某種程度上可透過(guò)玻璃的波長(zhǎng)，這意味著它們只能用來(lái)測(cè)量高溫。否則，儀表將會(huì)產(chǎn)生將玻璃溫度與需要的目標(biāo)溫度平均起來(lái)而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。安裝方式如何安裝紅外線高溫計(jì)？高溫計(jì)可以有兩種類型，固定安裝式或便攜式。固定安裝式高溫計(jì)通常安

8、裝在一個(gè)位置，對(duì)某個(gè)指定過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。它們通常使用市電電源，并且對(duì)準(zhǔn)某一點(diǎn)。這類儀表的輸出可以連接到本地或遠(yuǎn)程顯示屏，同時(shí)還有可在另一顯示屏顯示或者用于控制回路的模擬輸出。還提供有電池供電的便攜式紅外線槍；這些儀器擁有固定安裝式儀器的全部功能，但通常沒(méi)有用于控制的模擬輸出。一般情況下，這些儀器用于維護(hù)、診斷、質(zhì)量管理以及關(guān)鍵流程的隨機(jī)測(cè)量。響應(yīng)時(shí)間在選用和安裝紅外線測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)該考慮什么？首先，儀表必須響應(yīng)迅速，能夠處理變化，從而實(shí)現(xiàn)精確的溫度記錄或控制。紅外線熱電偶的典型響應(yīng)時(shí)間在0.11秒范圍內(nèi)。其次，儀器必須能夠在環(huán)境溫度的環(huán)境中工作。其它考慮因素包括物理安裝限制、觀察孔/觀察窗

9、的使用（透過(guò)玻璃測(cè)量）以及為了生成進(jìn)一步分析、顯示或控制所需的輸出而需要進(jìn)行的信號(hào)處理。紅外線測(cè)溫法原理W.R.Barron,WilliamsonCorporation紅外線測(cè)溫法的原理是對(duì)精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明的重要前提。遺憾的是，許多用戶沒(méi)有花時(shí)間來(lái)了解基本原理，因此他們會(huì)認(rèn)為非接觸式溫度測(cè)量是不精確的。精確的溫度測(cè)量可以分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式熱電偶、RTD和溫度計(jì)在溫度測(cè)量應(yīng)用中最為普遍。由于測(cè)量的是它們自身的溫度因此它們必須接觸目標(biāo)，它們的響應(yīng)相對(duì)較慢，但它們比較便宜。非接觸式溫度傳感器測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的紅外線能量，它們響應(yīng)快，通常用來(lái)測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)或間歇性目標(biāo)，真空中的目標(biāo)，

10、以及測(cè)量由于惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)限制或安全隱患而無(wú)法接近的目標(biāo)。它們的成本較高，但在某些情況下，它們的成本與非接觸式設(shè)備相當(dāng)。紅外線輻射由艾薩克牛頓爵士于1666年發(fā)現(xiàn)，他通過(guò)讓白色光透過(guò)玻璃棱鏡，將白色光束分解成彩虹的顏色，從陽(yáng)光中分離出電磁能量。1800年，威廉赫歇爾爵士進(jìn)一步測(cè)量了每種顏色的相對(duì)能量。他還發(fā)現(xiàn)了可見(jiàn)光以外的能量。20世紀(jì)初，普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫進(jìn)一步確定了電磁波譜的活動(dòng)，并且發(fā)展了用來(lái)確定紅外線能量的定量數(shù)據(jù)和方程式。這項(xiàng)研究使人們有可能利用基本黑體輻射曲線（參見(jiàn)圖1）確定紅外線能量。從該圖中可以得出，溫度高于-273C的物體輻射出的能量數(shù)量與其溫度的四次方

11、成比例。黑體輻射概念是紅外線測(cè)量法的基礎(chǔ)。然而，術(shù)語(yǔ)發(fā)射率為這些基本物理定律增加了變數(shù)。發(fā)射率衡量灰體（非黑體）放射出的熱輻射量與相同溫度的黑體的熱輻射量之比。（灰體指在所有波長(zhǎng)具有相同光譜發(fā)射率的物體；非灰體指發(fā)射率隨波長(zhǎng)而改變的物體，例如鋁。）如在600F1200F溫度范圍內(nèi)黑體發(fā)射的能量分布的曲線所示，主輻射位于0.5-14am的紅外區(qū)，遠(yuǎn)離可見(jiàn)光區(qū)能量守恒定律說(shuō)明輻射（吸收）的透射、反射和發(fā)射的系數(shù)之和必須等于1：t入I+r入+a入二1并且發(fā)射率等于吸收E入二a入因此：E入二1-t入-r入此發(fā)射率系數(shù)可以作為變量放入普朗克方程式中，描述相對(duì)于波長(zhǎng)的物體表面特征。大多數(shù)被測(cè)物體是不透明的

12、，發(fā)射率系數(shù)可以簡(jiǎn)化成：E入二1-r入1玻璃、塑料和硅等材料是例外，但是通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓庾V濾光，可以在這些物體的不透明紅外線區(qū)測(cè)量它們。通常，對(duì)于發(fā)射率誤差會(huì)有很多混淆之處，但用戶只需記住下面四條：紅外線傳感器不能辨別顏色，這是固有的。如果目標(biāo)反光（例如鏡子），請(qǐng)注意，您不僅僅按照需要的那樣測(cè)量發(fā)射的輻射能量，而且還要測(cè)量反射的輻射能量。-如果可以看透目標(biāo)，需要選擇紅外線濾光（例如，在5m波長(zhǎng)時(shí)玻璃是不透明的）。10項(xiàng)應(yīng)用中有9項(xiàng)不需要絕對(duì)溫度測(cè)量。重復(fù)性和無(wú)漂移操作提供了嚴(yán)密的溫度控制如果表面閃光，可手動(dòng)或者自動(dòng)進(jìn)行發(fā)射率調(diào)整來(lái)校正發(fā)射率誤差。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，這是一種簡(jiǎn)單的辦法。在發(fā)射率變化

13、并且造成處理問(wèn)題時(shí)，請(qǐng)考慮使用雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)輻射測(cè)量法解決發(fā)射率問(wèn)題。設(shè)計(jì)元素紅外線溫度計(jì)有種類繁多的配置，包括光學(xué)器件、電子器件、技術(shù)、尺寸和保護(hù)性殼體。但它們都具有一系列紅外線能量接收組件和電子信號(hào)輸出組件?；窘M件系列包括匯聚光學(xué)器件、鏡頭和/或光纖、光譜濾光以及探測(cè)器作為前端。動(dòng)態(tài)處理有多種形式，但是可以總結(jié)為放大、熱穩(wěn)定性、線性化以及信號(hào)調(diào)節(jié)。普通窗戶玻璃在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)適紅外線測(cè)溫法原理（續(xù)）用，石英適用于中波范圍，錯(cuò)或硫化鋅適用于814am波長(zhǎng)范圍。光纖可用于0.55.0卩0波長(zhǎng)區(qū)。從應(yīng)用的觀點(diǎn)看，光學(xué)器件的主要特征是視場(chǎng)（FOV），即在指定距離處目標(biāo)尺寸是多少？例如，在一種普遍采

14、用的透鏡系統(tǒng)中，15英寸工作距離處目標(biāo)直徑為1英寸。根據(jù)平方反比定律，通過(guò)將距離加倍（30英寸），目標(biāo)區(qū)域理論上也加倍（直徑為2英寸）。目標(biāo)尺寸（測(cè)量區(qū)域）的實(shí)際定義將因供應(yīng)商而異，并且取決于價(jià)格。其它光學(xué)配置從適用于近距離精密測(cè)量的小光斑器件（直徑0.030英寸）到適合遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離光學(xué)器件（距離30英尺時(shí)直徑為3英寸），不一而足。注意，如果目標(biāo)占滿視場(chǎng)（FOV）,工作距離就不應(yīng)影響精度，這一點(diǎn)很重要。在一種視場(chǎng)（FOV）測(cè)量技術(shù)中，可變因素是信號(hào)損失和直徑。一條嚴(yán)格的規(guī)則是能量減少量為1%，但可以在一半功率或63.2%功率時(shí)提供一些數(shù)據(jù)。對(duì)準(zhǔn)（瞄準(zhǔn)）是另一個(gè)光學(xué)方面的因素。許多傳感器沒(méi)

15、有這種功能；透鏡對(duì)準(zhǔn)表面，測(cè)量表面溫度。這種結(jié)構(gòu)可用于不需要高精度的大目標(biāo)，例如卷筒紙。對(duì)于使用小光斑光學(xué)器件的小目標(biāo)，以及對(duì)于在遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)中使用的遠(yuǎn)距離光學(xué)器件，提供有目視瞄準(zhǔn)、瞄準(zhǔn)燈和激光瞄準(zhǔn)。選擇性光譜濾光通常將短波濾光片用于高溫應(yīng)用（大于1000F）,將長(zhǎng)波濾光片用于低溫測(cè)量（-50F）。很明顯，這與黑體能量分布曲線擬合，并且還有一些技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)。例如，高溫/短波使用熱穩(wěn)定性極強(qiáng)的硅探測(cè)器，而且短波設(shè)計(jì)最大限度減小了發(fā)射率變動(dòng)造成的溫度誤差。其它選擇性濾光用于塑料薄膜（3.43卩岳口7.9卩m、玻璃（5.1卩m）和火焰不敏感區(qū)（3.8卩。多種多樣的探測(cè)器的選擇是為了來(lái)最大限度利用傳感

16、器的靈敏度。如圖2中所示，PbS靈敏度最高，熱電堆靈敏度最低。大部分探測(cè)器是光伏型（在通電時(shí)輸出電壓）或光導(dǎo)型（在激勵(lì)時(shí)改變電阻）。這些探測(cè)器響應(yīng)迅速、靈敏度高的代價(jià)就是熱漂移，可以通過(guò)多種方法解決熱漂移，包括溫度補(bǔ)償（熱敏電阻）電路、溫度調(diào)節(jié)、自動(dòng)校零電路、斬波（AC和DC輸出）以及等溫保護(hù)?？商峁┎煌潭鹊臒o(wú)漂移操作，無(wú)漂移操作取決于設(shè)備價(jià)格。在紅外線溫度計(jì)的電子設(shè)備組件內(nèi)，探測(cè)器的大約100-1000V的非線性輸出信號(hào)得到處理。信號(hào)被放大1000倍，并經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)和線性化處理，最終輸出的是線性mV或mA信號(hào)。趨向于提供420mA輸出，以便將環(huán)境電噪聲干擾降到最小。若要優(yōu)化紅外線感應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)

17、，必須考慮探測(cè)器的光譜響應(yīng)和調(diào)制特征這種信號(hào)可以轉(zhuǎn)變成RS232信號(hào)，或者提供給PID控制器、遠(yuǎn)程顯示屏或記錄器。其它信號(hào)調(diào)節(jié)選項(xiàng)包括通/斷報(bào)警、適用于間歇目標(biāo)的可調(diào)峰值保持功能、可調(diào)響應(yīng)時(shí)間和/或采樣保持電路。紅外線溫度計(jì)的平均響應(yīng)時(shí)間大約為300ms,但是可以使用硅探測(cè)器獲得大約10ms的信號(hào)輸出?，F(xiàn)實(shí)中，很多儀器都擁有可調(diào)節(jié)響應(yīng)功能,可對(duì)接收的噪聲信號(hào)進(jìn)行衰減,并且可對(duì)靈敏度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。并非總是必須提供最快的響應(yīng)。但是有一些涉及感應(yīng)加熱以及其它類型的應(yīng)用,它們要求大約10-50ms的響應(yīng)時(shí)間,可通過(guò)紅外線測(cè)溫法獲得。單波長(zhǎng)測(cè)溫法基本單波長(zhǎng)設(shè)計(jì)用于測(cè)量表面在規(guī)定波長(zhǎng)所發(fā)射的總能量。配置包

18、括帶簡(jiǎn)單遠(yuǎn)程儀表的手持式探頭、可同時(shí)查看目標(biāo)和溫度的復(fù)雜便攜式設(shè)備,以及記憶和/或打印輸出功能,不一而足。在線固定安裝式傳感器從配備遠(yuǎn)程電子設(shè)備（OEM設(shè)計(jì)）的簡(jiǎn)單小型探測(cè)器到擁有遠(yuǎn)程PID控制的堅(jiān)固耐用設(shè)備不等。纖維光學(xué)器件、激光瞄準(zhǔn)、水冷、CRT顯示器和掃描系統(tǒng)也包括在用于過(guò)程監(jiān)控和控制應(yīng)用的選件中。在尺寸、性能、耐用差異過(guò)程傳感器配置、紅外線光譜濾光、溫度范圍、光學(xué)器件、響應(yīng)時(shí)間和目標(biāo)發(fā)射率是重要的設(shè)計(jì)元素，它們影響性能，必須在選型過(guò)程中仔細(xì)考慮。傳感器配置可以是簡(jiǎn)單的便攜式，或兩線制變送器，還可以是復(fù)雜的加固型感應(yīng)裝置或掃描設(shè)備。目視瞄準(zhǔn)、激光瞄準(zhǔn)、無(wú)瞄準(zhǔn)、光纖、水冷、輸出信號(hào)及遠(yuǎn)程顯

19、示可以籠統(tǒng)地代表各種不同可選功能。這在某種程度上存在主觀性，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)審查。多數(shù)情況下，如果是簡(jiǎn)單應(yīng)用，例如測(cè)量卷筒紙溫度，簡(jiǎn)單的低成本傳感器就可以應(yīng)付了；如果是復(fù)雜應(yīng)用，例如在真空室內(nèi)測(cè)量或者測(cè)量小目標(biāo)，則更先進(jìn)的傳感器將是更好的選擇。紅外線光譜響應(yīng)和溫度范圍的選擇與具體應(yīng)用有關(guān)。短波適合高溫測(cè)量，長(zhǎng)波適合低溫測(cè)量，這符合黑體能量分布曲線。如果涉及透明目標(biāo)，例如塑料和玻璃，則需要使用選擇性窄帶濾光。例如，聚乙烯塑料的CH吸收光譜帶為3.43卩m在此范圍內(nèi)聚乙烯塑料是不透明的。通過(guò)在該范圍內(nèi)濾光，發(fā)射率因素得以簡(jiǎn)化。同樣，大多數(shù)玻璃類材料在4.6an光譜帶時(shí)變得不透明，在5.1范圍內(nèi)進(jìn)行窄帶

20、濾光就可以精確地測(cè)量玻璃表面溫度。另一方面，要透過(guò)玻璃窗觀察，在1-4m區(qū)域被濾光的傳感器允許您透過(guò)玻璃窗測(cè)量真空室和壓力室溫度。在測(cè)量這類艙室溫度時(shí)，另一個(gè)選擇是使用帶有真空襯套或壓力襯套的光纖電纜。光學(xué)特征和響應(yīng)時(shí)間是兩個(gè)傳感器特征，在允許15英寸處標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)約為1英寸以及響應(yīng)時(shí)間小于1秒就足夠了的多數(shù)應(yīng)用中，它們都不是問(wèn)題。然而，如果應(yīng)用要求測(cè)量小目標(biāo)或者快速移動(dòng)的間歇性目標(biāo)，可以使用小光斑（直徑0.125英寸）和超小光斑（直徑0.030英寸）器件，但價(jià)格昂貴。同樣，遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)（距離目標(biāo)101000英尺）時(shí)也需要進(jìn)行光學(xué)調(diào)整，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)（FOV）將變得過(guò)大。在一些情況下，雙波長(zhǎng)輻射測(cè)量法

21、可用于這類應(yīng)用，例如，接線和遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)。采用光纖前端，可以不必再在惡劣環(huán)境中使用電子元件、消除了電噪聲并且解決了目標(biāo)接近問(wèn)題，因而增加了設(shè)計(jì)靈活性。它是一種吸引人的設(shè)計(jì)工具，有助于解決一些特別的應(yīng)用問(wèn)題。大多數(shù)傳感器具有可調(diào)響應(yīng)時(shí)間，范圍為0.25.0秒，一般設(shè)置在此范圍的中段?？焖夙憫?yīng)會(huì)受到應(yīng)用中噪聲的干擾，而慢速響應(yīng)則影響靈敏度。感應(yīng)加熱需要快速響應(yīng)，傳送帶或卷筒紙監(jiān)測(cè)需要慢速響應(yīng)以減少應(yīng)用中的干擾?？焖夙憫?yīng)型傳感器需要使用快速響應(yīng)型控制器、可控硅電源組件及其它調(diào)節(jié)器?？梢酝ㄟ^(guò)下面的方程式確定綜合系統(tǒng)其中：T=總響應(yīng)時(shí)間t1,t2=回路中的各個(gè)部分考慮到時(shí)間要素，有以下兩種過(guò)程動(dòng)態(tài)：穩(wěn)態(tài)變

22、化，其中涉及由于過(guò)程是動(dòng)態(tài)的而需要嚴(yán)格溫度控制的快速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，例如，電線的感應(yīng)加熱。階躍變化或斜坡響應(yīng)，與對(duì)分批式生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品進(jìn)行極快速加熱有關(guān)，例如硅片的加溫退火。在這些動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，系統(tǒng)響應(yīng)性和傳感器視場(chǎng)（FOV是關(guān)鍵參數(shù)。很多情況下，被測(cè)目標(biāo)的發(fā)射率并不是重要因素。正確選擇窄帶光譜濾光后，大多數(shù)材料的發(fā)射率都恒定在0.900.05范圍內(nèi)。如果將發(fā)射率設(shè)定在0.93m傳感器將傾向于在絕對(duì)溫度的5或10范圍內(nèi)讀取溫度。這種應(yīng)用誤差指大約1%或2%的精度變動(dòng)，然而在現(xiàn)實(shí)的紅外線測(cè)溫法中，重復(fù)性對(duì)于控制至關(guān)重要。例如，如果某個(gè)產(chǎn)品加熱到410F,傳感器讀數(shù)是400F,并且傳感器讀數(shù)在39041

23、0F之間時(shí)您生產(chǎn)出的是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，請(qǐng)使用400作為設(shè)定值進(jìn)行控制。在大多數(shù)應(yīng)用中，無(wú)需NIST校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)即可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。如果應(yīng)用需要精確的絕對(duì)溫度測(cè)量和記錄，可以根據(jù)相關(guān)NIST標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)和認(rèn)證儀器。另外，需要徹底確定表面發(fā)射率儀器。另外，需要徹底確定表面發(fā)射率閃亮的滾筒的溫度，首先建議測(cè)量在閃亮的滾筒上通過(guò)的產(chǎn)品。其次，可以使用靜態(tài)測(cè)試條件在傳感器上進(jìn)行發(fā)射率調(diào)整，以便確定適當(dāng)設(shè)置。再次，雙波長(zhǎng)測(cè)溫法也是一種切實(shí)可靠的選擇。單波長(zhǎng)紅外線測(cè)溫法指在數(shù)千種應(yīng)用中使用的種類繁多卻又簡(jiǎn)單的一種選擇技術(shù)，在這些應(yīng)用中，產(chǎn)品溫度控制對(duì)生產(chǎn)出一貫高質(zhì)量產(chǎn)品至關(guān)重要。雙波長(zhǎng)測(cè)溫法對(duì)于絕對(duì)精度是關(guān)鍵所在的更復(fù)雜

24、應(yīng)用，并且在這些應(yīng)用中產(chǎn)品正經(jīng)歷物理或化學(xué)變化，應(yīng)該考慮使用雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)測(cè)溫法。自從20世紀(jì)50年代初，比值輻射計(jì)的概念就已經(jīng)存在，但是最近的設(shè)計(jì)和硬件改進(jìn)提高了性能、提供了低溫功能并且降低了成本。雙波長(zhǎng)（比值）測(cè)溫法涉及測(cè)量?jī)煞N不同波長(zhǎng)（光譜帶）區(qū)域發(fā)射的光譜能量。如果在兩種波長(zhǎng)區(qū)域發(fā)射率值相同，則可以直接從儀器中讀取目標(biāo)溫度。當(dāng)視場(chǎng)（FOV）的一部分被相對(duì)低溫的物體遮蔽時(shí)（例如瞄準(zhǔn)通道上有灰塵、金屬網(wǎng)和灰色透明窗口），這類儀器也可以指示目標(biāo)的正確溫度。這種設(shè)計(jì)的理論非常淺顯易懂，可以用下面的方程式來(lái)說(shuō)明。在這些方程式中，我們使用普朗克方程式計(jì)算一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的能量，然后求出其與另一波長(zhǎng)區(qū)域

25、能量的比值。其中：R=光譜輻射比Tr=表面的比值溫度e入二光譜發(fā)射率在此過(guò)程中，如果兩種波長(zhǎng)處的發(fā)射率相等（灰體條件），發(fā)射率因子消去了方程式，我們發(fā)現(xiàn)比值與溫度成正比。通過(guò)利用一小段黑體能量分布曲線并且測(cè)量不同發(fā)射率下的比值，也可以從圖形中得到同一概念（參見(jiàn)圖3）使用0.7m和0.8m光譜段作為窄帶濾光片，在最低到0.1的發(fā)射率范圍內(nèi)，比值因子恒定在1.428。同樣，任何其它本質(zhì)上的灰度變化將不影響雙波長(zhǎng)溫度計(jì)計(jì)算的溫度。這些變化包括目標(biāo)尺寸的變化，例如其直徑在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生變化的電線或熔化的玻璃流。即便目標(biāo)比溫度計(jì)的視場(chǎng)小，這些變化也不影響溫度計(jì)測(cè)量的溫度。例如，假定黑體目標(biāo)僅占據(jù)溫度計(jì)視

26、場(chǎng)的一半，輻射度減少了50%，這種分析不變。另一個(gè)示例是目標(biāo)為煙霧或灰塵所遮蔽或者隔窗（真空室的隔窗）變得模糊不清的情況。只要被遮蔽介質(zhì)在其輻射衰減過(guò)程中沒(méi)有光譜選擇性，至少在溫度計(jì)使用的波長(zhǎng)區(qū)域，分析一直是相同的。雙波長(zhǎng)輻射計(jì)測(cè)得的溫度始終不受影響。紅外線測(cè)溫法原理（續(xù)）然而，始終有一些我們必須要認(rèn)識(shí)到的限制。雙波長(zhǎng)對(duì)于鋁等非灰體不起作用；它很難透過(guò)非灰玻璃窗或已加熱的耐熱玻璃；并且通常在背景比目標(biāo)更熱時(shí)，它往往測(cè)量背景溫度。圖3:雙波長(zhǎng)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算目標(biāo)在兩個(gè)相鄰波段（例如0.7m和0.8m內(nèi)發(fā)射的輻射能量之比值自動(dòng)消除測(cè)量誤差作為一種簡(jiǎn)單、獨(dú)特的傳感器，雙波長(zhǎng)溫度計(jì)在行業(yè)與研究中應(yīng)用廣泛，

27、它可以減少與灰體表面有關(guān)的應(yīng)用誤差。圖4列舉了多種產(chǎn)品的總發(fā)射率的示例，這些產(chǎn)品具有與溫度有關(guān)的變化發(fā)射率。例如，大多數(shù)用戶認(rèn)為石墨的發(fā)射率很高而且恒定不變。然而，實(shí)際情況是在環(huán)境溫度到2000F范圍之內(nèi)，石墨的發(fā)射率在0.40.65之間變化。要獲得精確的產(chǎn)品溫度測(cè)量和控制，在高溫下處理這些種類的灰體材料時(shí)，應(yīng)該使用雙波長(zhǎng)溫度計(jì)。還有可用于非灰體材料的多波長(zhǎng)溫度計(jì)，這些材料的發(fā)射率因波長(zhǎng)而異。在這些應(yīng)用中，要對(duì)與發(fā)射率、波長(zhǎng)、溫度有表面化學(xué)有關(guān)產(chǎn)品的表面特點(diǎn)進(jìn)行深入詳細(xì)的分析。利用這些數(shù)據(jù)，可以生成使不同波長(zhǎng)的光譜輻射與溫度相關(guān)的算法。許多材料都有著隨溫度而變化的發(fā)射率級(jí)別。我們?cè)诖颂幈容^了一

28、些最常用的材料總結(jié)中概述了基本應(yīng)用元素。待測(cè)量目標(biāo)的表面是主要著眼點(diǎn)。在選擇儀器時(shí)，用戶必須考慮目標(biāo)尺寸、溫度限值、發(fā)射率、過(guò)程動(dòng)態(tài)（因?yàn)樗鼈兣c視場(chǎng)有關(guān)）、光譜響應(yīng)以及響應(yīng)時(shí)間。為了選擇最適合該應(yīng)用的儀器，對(duì)周圍環(huán)境（例如火焰、紅外線加熱器、感應(yīng)線圈和氣氛（灰塵、臟污的窗戶、火焰、過(guò)熱）的特征進(jìn)行描述也很重要。圖5：選擇非接觸式溫度測(cè)量?jī)x器時(shí)，必須要考慮不僅僅是目標(biāo)及其發(fā)射率，還要考慮周圍環(huán)境以及中間間隔的空氣就性能規(guī)范而論，校準(zhǔn)精度通常0.50.1%的范圍內(nèi)，而大多數(shù)傳感器的重復(fù)性將在0.250.75%的范圍內(nèi)。如果傳感器安裝和使用正確，通常會(huì)在大約一兩個(gè)月獲得回報(bào)。紅外線溫度測(cè)量的理論和應(yīng)

29、用摘要在非接觸式溫度測(cè)量中使用的紅外線溫度計(jì)是發(fā)展成熟的傳感器，它們?cè)诠I(yè)加工與研究中應(yīng)用廣泛。本文以非數(shù)學(xué)化的語(yǔ)言介紹了這種測(cè)量技術(shù)的基本理論，以及如何應(yīng)用該理論處理目標(biāo)用戶遇到的各種各樣的應(yīng)用參數(shù)引言紅外線溫度計(jì)通過(guò)探測(cè)所有溫度在絕對(duì)零度（開(kāi)氏0）以上的材料發(fā)射的紅外線能量來(lái)測(cè)量溫度。最基本的設(shè)計(jì)包括將透鏡和探測(cè)器，透鏡將紅外線（IR能量聚焦到探測(cè)器上，而探測(cè)器將該能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)境溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償后以溫度單位顯示。這種結(jié)構(gòu)方便了無(wú)需與被測(cè)量物體接觸的遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量。因此，在由于各種原因熱電偶或其它探頭類傳感器無(wú)法使用或者不能產(chǎn)生精確數(shù)據(jù)的情況下，可以使用紅外線溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度

30、。常見(jiàn)的這類情況如下：待測(cè)量物體在運(yùn)動(dòng)；物體周圍是電磁場(chǎng)（例如在感應(yīng)加熱中）；物體在真空或其它受控氣氛中；需要快速響應(yīng)的應(yīng)用。自從19世紀(jì)末紅外線溫度計(jì)（IRT的設(shè)計(jì)就已經(jīng)存在，費(fèi)氏的各種概念由CharlesA.Darling（1）在其1911年出版的書測(cè)高溫學(xué)中進(jìn)行了論述。然而，將這些概念轉(zhuǎn)變成實(shí)用測(cè)量?jī)x器的技術(shù)直到20世紀(jì)30年代才出現(xiàn)。自此，這種設(shè)計(jì)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，大量測(cè)量和應(yīng)用專門技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到普遍接受，并且在工業(yè)與研究廣泛使用。測(cè)量原理如前所述，紅外線能量是由所有溫度高于0K的材料發(fā)射的。紅外線輻射是電磁波頻譜的一部分，其頻率在可見(jiàn)光與無(wú)線電波之間。光譜中紅外線

31、部分的波長(zhǎng)在0.7微米1000微米(micron)之間。圖1。在此波段內(nèi)，只有波長(zhǎng)在0.7微米20微米的頻率用于實(shí)際的日常溫度測(cè)量。這是因?yàn)槟壳肮I(yè)中使用的紅外線探測(cè)器靈敏度不足，無(wú)法檢測(cè)到20微米以外波長(zhǎng)上的極少量能量。雖然人眼看不到紅外線輻射，但是在研究測(cè)量理論以及考慮應(yīng)用時(shí)想像可以看見(jiàn)紅外線輻射是有幫助的，因?yàn)樵谠S多方面，紅外線的表現(xiàn)與可見(jiàn)光一樣。輻射源放射的紅外線能量沿直線傳播，可被傳播路徑上材料的表面反射和吸收。對(duì)于人眼無(wú)法看透的大多數(shù)固體，碰到物體表面的一部分紅外線能量將被吸收，一部分將被反射。在物體吸收的能量中，一部分將被再次發(fā)射出來(lái)，一部分將在內(nèi)部反射。眼睛能看透的透明材料也是

32、如此，例如玻璃、氣體以及透明的薄塑料等。但是，此外，一些紅外線能量將穿透物體。上述內(nèi)容如圖2所示。這些現(xiàn)象綜合起來(lái)構(gòu)成了所謂的物體或材料的反射率。既不反射也不透射任何紅外線能量的材料稱為黑體，我們知道自然界中不存在黑體。然而，在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，給真正黑體賦予值1.0。在現(xiàn)實(shí)中，最接近黑體發(fā)射率1.0的近似值可以在圖3中所示的、帶有小管狀入口并且紅外線無(wú)法透過(guò)的球形空腔中得到。這種球體內(nèi)表面的發(fā)射率為0.998不同種類的材料與氣體有著不同的發(fā)射率，因此將在給定溫度發(fā)射出不同強(qiáng)度的紅外線。材料或氣體的發(fā)射率是其分子結(jié)構(gòu)和表面特性的函數(shù)。一般而言，發(fā)射率并不是顏色的函數(shù)，除非顏色來(lái)源與材料主體是放射

33、性不同的物質(zhì)。包含大量鋁的金屬漆可以作為一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。大部分漆的發(fā)射率與顏色無(wú)關(guān)，但是鋁的發(fā)射率卻大不相同，因此其發(fā)射率將改變金屬漆的發(fā)射率。如同可見(jiàn)光的情況一樣，一些表面的拋光程度越高，表面反射的紅外線能量越多。因此，材料的表面特性也會(huì)影響其發(fā)射率。在溫度測(cè)量中，對(duì)于發(fā)射率本身較低的紅外線無(wú)法透過(guò)的材料，這一點(diǎn)最為重要。因而，拋光程度很高的一塊不銹鋼與同一塊粗糙加工表面的不銹鋼相比，發(fā)射率要低得多。這是因?yàn)榧庸ば纬傻臏喜圩柚沽烁嗟募t外線能量被反射。除了分子結(jié)構(gòu)和表面狀況外，影響材料或氣體的表觀發(fā)射率的第三個(gè)因素是傳感器的波長(zhǎng)靈敏度，又稱為傳感器的光譜響應(yīng)。如前所述，只有波長(zhǎng)在0.7

34、微米到20微米之間的紅外線才在實(shí)際測(cè)溫中使用。在這一整個(gè)波段內(nèi)，個(gè)體傳感器可能僅在較窄的一部分波段內(nèi)工作，例如0.781.06微米或者4.85.2微米，原因?qū)⒃诤竺娼忉?。紅外線溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)作為紅外線溫度測(cè)量基礎(chǔ)的公式已經(jīng)由來(lái)已久、確定無(wú)疑并且得到了充分論證。大多數(shù)IRT用戶不大可能需要使用這些公式，但是了解這些公式就可以理解一些變量之間的相關(guān)性，可以解釋前面的文字。下面是一些重要公式：1.基爾霍夫定律物體達(dá)到熱平衡時(shí)，吸收量將等于輻射量。a=e2.斯蒂芬-玻爾茲曼定律越熱的物體放射出的紅外線能量越多。W=eoT43.維恩位移定律隨著溫度升高，放射出最多能量的波長(zhǎng)將變得更短。入max=2.

35、89x103mmK/T4.普朗克方程式描述光譜發(fā)射率、溫度與輻射能量之間的關(guān)系。紅外線溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)基本紅外線溫度計(jì)（IRT的設(shè)計(jì)包括以下部分：匯聚目標(biāo)放射出能量的透鏡；將能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的探測(cè)器、讓IRT校準(zhǔn)與被測(cè)目標(biāo)的發(fā)射特性相符的發(fā)射率調(diào)整部件；以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路，該電路確保環(huán)境變化造成的IRT內(nèi)部的溫度變動(dòng)不會(huì)傳遞到最終輸出。多年以來(lái)，大多數(shù)市售IRT遵循著這一概念。盡管這些IRT非常耐用并且足以滿足當(dāng)時(shí)的要求，但它們的應(yīng)用非常有限，并且回顧過(guò)去大部分情況，它們的測(cè)量也不盡如人意。圖4中說(shuō)明了這一概念。現(xiàn)代IRT以這一概念為基礎(chǔ)，但在技術(shù)方面更加復(fù)雜，從而拓寬了其應(yīng)用范圍。主要差

36、別在于使用了多種多樣的探測(cè)器；紅外線信號(hào)的選擇性濾光；探測(cè)器輸出信號(hào)的線性化和放大；提供：420mA、010Vdc等標(biāo)準(zhǔn)的最終輸出信號(hào)。圖5為典型的現(xiàn)代IRT的示意圖。也許，紅外線測(cè)溫法最重大的進(jìn)展是引入了接收紅外線信號(hào)的選擇性濾光，由于可以使用更加靈敏的探測(cè)器，以及更加穩(wěn)定的信號(hào)放大器，選擇性濾光成為可能。早期的IRT需要較寬的紅外線光譜帶以獲得可用的探測(cè)器輸出，而現(xiàn)代IRT通常使用波長(zhǎng)僅為1微米的光譜響應(yīng)。由于常常需要透過(guò)瞄準(zhǔn)通道上的某種氣體或其它干涉物，或者實(shí)際中常需要獲得對(duì)氣體或其它物質(zhì)的測(cè)量值而較寬的紅外線能量卻測(cè)不到的，對(duì)選擇性的窄光譜響應(yīng)的需求就出現(xiàn)了。選擇性光譜響應(yīng)的一些常見(jiàn)示

37、例為波長(zhǎng)8-14微米的波段，可避免長(zhǎng)距離測(cè)量中空氣中的水分造成的干擾；用于測(cè)量某些薄膜塑料的7.9微米波長(zhǎng)；3.86微米波長(zhǎng)可避免火焰和燃燒氣體中的二氧化碳(CO2)和水(H20)蒸汽造成的干擾。選擇較短波長(zhǎng)光譜響應(yīng)還是選擇較長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜響應(yīng)，還要由溫度范圍決定，因?yàn)椋缙绽士朔匠淌剿?，隨著溫度升高，峰值能量會(huì)移向較短波長(zhǎng)。圖6中的圖形說(shuō)明了這一現(xiàn)象。由于上述原因不需要選擇性濾光的應(yīng)用可能往往受益于盡可能接近0.7微米的窄光譜響應(yīng)。這是因?yàn)椴牧系挠行Оl(fā)射率在較短波長(zhǎng)處最大，并且光譜響應(yīng)窄的傳感器的精度受目標(biāo)表面發(fā)射率變化的影響更小。根據(jù)上述信息，顯而易見(jiàn)，在紅外線溫度測(cè)量中發(fā)射率是一個(gè)極其重要的因素。除非被測(cè)材料的發(fā)射率已知并且納入到測(cè)量中，否則獲得精確數(shù)據(jù)的可能性不大。以下是兩種獲得材料發(fā)射率的方法：a）參考公布的表格，以及b）將IRT測(cè)量值與使用熱電偶或電阻式溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量所得的測(cè)量值進(jìn)行比較，并調(diào)整發(fā)射率設(shè)置直到IRT的讀數(shù)相同。幸運(yùn)的是，IRT廠商和一些研究組織提供的公開(kāi)數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，因此很少有必要進(jìn)行試驗(yàn)。作為經(jīng)驗(yàn)之談，大多數(shù)不透