红外测温方法的工作原理及测温(自己总结的)120210

红外测温方法的工作原理及测温仪 (北京化工大学信息科学与技术学院) 摘要：本文从黑体辐射原理出发了红外测温的工作原理，从发射率、距离系数、环境等几个方面，探讨和分析了测温误差的原因，以及基于红外测温技术的测温仪的简单的概述,并对红外测温仪的分类、性能、选择及应用简要的说明。 关键词：黑体辐射、红外测温仪、温度测量 Infrared Thermometer and the working principle of Infrared Temperature measurement (College of Science and Technology， Beijing University of Chemical 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 measurement 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 measurement 0 引言 在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0. 75～100μm 的红外线.红外测温仪就是利用这一原理制作而成的,温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。目前，红外温度仪因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广应用。表1列出了常用的测温方法和特点，其中红外测温作为一种常用的测温技术显示出较明显的优势。 表1 常用测温方法对比 测温方法 温度传感器 测温范围（°C） 精度（%） 接触式 热电偶 -200～1800 0.2～1.0 热电阻 -50～300 0.1～0.5 非接触式 红外测温 -50～3300 1 其它 示温材料 -35～2000 <1 红外测温仪的工作原理及特点 黑体辐射与红外测温原理 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。　 　　黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它的物质反射系数小于1，称为灰体。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。 由于黑体的光谱辐射功率Pb(λΤ)与绝对温度Τ 之间满足普朗克定理： （1） 其中，Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度； λ—波长； T—绝对温度； c1、c2—辐射常数。 式（1）说明在绝对温度Τ 下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为Pb(λΤ)。根据这个关系可以得到下图1的关系曲线： 图1 黑体辐射的光谱分析 从图1中可以看出： (1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。 (2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动(向左)，并满足维恩位移定理T *λm = 2897.8 μm*K，峰值处的波长λm与绝对温度Τ 成反比，虚线为λm 处峰值连线。这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。 (3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高(灵敏度高)，抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。 根据斯特藩—玻耳兹曼定理黑体的辐出度 Pb(Τ)与温度Τ 的四次方成正比， 即： (2) 式中，Pb(T)—温度为T 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐射度； σ—斯特藩—玻耳兹曼常量； T—物体温度。 式（2）中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。如果在条件相同情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的单色辐出度 Pb(Τ)小于黑体的单色黑度ε(λ)，即实际物体接近黑体的程度。 ε(λ)= P(T)/ Pb(T) (3) 考虑到物体的单色黑度ε(λ)是不随波长变化的常数，即ε (λ)=ε，称此物体为灰体。它是随不同物质而值不同，即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体ε=1，而一般灰体0<ε<1，由式(2)可得： 所测物体的温度为： (4) 式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。 　红外测温仪特点 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能准确地测出它的表面温度。红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。红外辐射是电磁频谱的一部分,红外位于可见光和无线电波之间。当仪器测温时,被测物体发射出的红外辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。 红外测温仪特点:非接触式测量,测温范围广,响应速度快,灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响,几乎不可能测到被测对象的真实温度,测量的是表面温度。 红外测温仪的系统组成 红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过已知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同，红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图2 所示。 辐射体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器把红外辐射调制成交变辐射，由探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 调 制 盘 电子放大器 调 制 盘 图2 红外测温仪结构图 如图2所示红外测温仪是根据物体的红外辐射特性,依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器(传感器) ,并转换成电信号,再通过放大电路、补偿电路及线性处理后,在显示终端显示被测物体的温度。系统由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成,其核心是红外探测器,将入射辐射能转换成可测量的电信号(见3图) 。 图3 红外测温系统结构 红外测温误差分析 由于红外测温是非接触式的，这样会存在着各种误差，影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要表现在以下几个方面： 辐射率 辐射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关。若物体为光洁表面时，其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小正比于它的辐射率。 辐射率的设定 根据基尔霍夫定理：物体表面的半球单色发射率(ε)等于它的半球单色吸收率(α)，ε=α。在热平衡条件下，物体辐射功率等于它的吸收功率，即吸收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)总和为1，即α+ρ+γ=1，图4 解释了上述规律。对于不透明的(或具有一定厚度)的物体透射率可视γ=0，只有辐射和反射(α+ρ=1)，当物体的辐射率越高，反射率就越小，背景和反射的影响就会越小，测试的准确性也就越高；反之，背景温度越高或反射率越高，对测试的影响就越大。由此可以看出，在实际的检测过程中必须注意不同物体和测温仪相对应的辐射率，对辐射率的设定要尽量准确，以减小所测温度的误差。 图4 目标的红外辐射 测试角度 辐射率与测试方向有关，测试角度越大，测试误差越大，在用红外进行测温时，这一点很容易被忽视。一般来说，测试角最好在30°C 之内，一般不宜大于45°C，如果不得不大于45°C 进行测试，可以适当地调低辐射率进行修正。如果两个相同物体的测温数据要进行判断分析，那么在测试时测试角一定要相同，这样才更具有可比性。 距离系数 距离系数(K=S:D)是测温仪到目标的距离S 与测温目标直径D 的比值，它对红外测温的精确度有很大影响，K 值越大，分辨率越高。因此，如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪，以减小测量误差。在实际使用中，许多人忽略了测温仪的光学分辨率。不管被测目标点直径D 大小，打开激光束对准测量目标就测试。实际上他们忽略了该测温仪的S:D 值的要求，这样测出的温度会有一定的误差。比如，用测量距离与目标直径S:D=8:1 的测温仪，测量距离应满足表2 的要求。 表2 S 值应满足的要求 目标大小D(mm) 15 50 100 200 测量距离S(mm) <120 <400 <800 <1600 目标尺寸 被测物体和测温仪视场决定了仪器测量的精度。使用红外测温仪测温时，一般只能测定被测目标表面上确定面积的平均值。一般测试时有以下三种情况： (1)当被测目标大于测试视场时，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响，就能显示被测物体位于光学目标内确定面积的真实温度，这时的测试效果最好。 (2)当被测目标等于测试视场时，背景温度已受到影响，但还比较小，测试效果一般。 (3)当被测目标小于测试视场时，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。仪器仅显示被测物体和背景温度的加权平均值。因此建议在实际测温时，被测目标尺寸超过视场大小的50%为好，具体情况如图5 所示。 图5 目标与视场示意图 响应时间 响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。如果目标的运动速度很快或者测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。但并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时，测温仪的响应时间可放宽要求。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。 环境因素 被测物体所处的环境条件对测量的结果有很大的影响，它主要体现在两个方面，即环境的温度和精晰度。 环境温度的影响 设被测目标的温度为T1，环境温度为T2 时，该目标单位面积表面发射的辐射能为 ，而相应地被它所吸收辐射能为 ，则该物体发出的净辐射能Q 为: Q= - （5） 式中，A—单位面积； ε—物体的辐射率； α—吸收率。 设被测物体的ε 和α两者相等，由式(5)可得： (6) 表3 提供了感受波长在(9~12μm)的测温仪在环境温度为270K~330K 范围，对从300K~1000K 目标温度进行测量时产生的能量误差(%)。由表中可以看出，随着环境温度的升高，产生的附加辐射影响就越大，测温的误差也就越大。 表 3 能量误差随目标温度计环境温度的变化曲线 目标温度 环境温度 270 280 290 300 310 320 330 300 20.37 23.50 26.74 30.00 33.23 36.45 39.59 400 7.29 8.63 10.09 11.65 13.28 15.00 16.77 500 3.64 4.35 5.12 5.95 6.86 7.82 8.83 600 2.23 2．66 3.15 3.68 4.25 4.86 5.52 700 1.53 1.84 2．17 2.54 2.94 3.37 3.84 800 1.14 1.37 1.62 1.90 2.20 2.53 2.88 900 0.93 1.12 1.33 1.55 1.80 2.07 2.35 1000 0.75 0.90 1.07 1.25 1.45 1.66 1.90 大气吸收的影响 红外线在辐射的传输过程中，由于大气的吸收作用，能量总要受到一定的衰减。大气吸收是指在传输过程中使一部分红外线辐射能量变成其它形式的能量，或以另一种光谱分布。大气吸收程度随空气温温变化而变化，被测物体距离越远，大气透射对温度测量的影响就越大。所以，在室外进行红外测温时，应尽量在无雨、无雾、空气比较清晰的环境下进行。在室内进行红外测温时，应在没有水蒸气的环境下进行，这样就可以在误差最小的情况下测得较准确的数值。 红外测温的几种方法 4．1　全辐射测温法 它是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器来确定物体的温度。其总辐射功率的大小与被测对象温度之间的关系是由斯蒂芬- 玻尔兹曼定律来描述。图6 是一种典型的全辐射测温仪。 图6 全辐射测温仪电路方框图 4．2　亮度测温法 它是根据测量给定波长K0 附近一窄光谱范围的辐射用黑体定标的仪器来确定物体的温度, 适用于高温测量。 4．3　双波段测温法 它是根据测量两个给定波长K1 和K2 的辐射功率之比, 用黑体定标的仪器来确定物体的温度, 适合测量发射率变化或未知的物体, 但只适合于测量辐射能量密度大的高温物体。这3 种方法均由普朗克定律来描述。 4．4　多波段测温法 依次取多个波段, 通过计算这些波段辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度。 4．5　最大波长测温法 由维恩位移定律, 黑体辐射峰值波长Kmax与绝对温度T 之积为一常数, 通过测量峰值波长Kmax来计算温度T。此法常用测量极高温(大于2 000 °C)。由此可见, 非接触红外测温有以下的缺点：测得的温度值是测量对象的表面温度, 且必须用发射率进行修正, 增加了测量的复杂性; 周围介质的影响引起测量误差。 如何正确选择红外测温仪 选择红外测温仪可分为三个方面：性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等；环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等；其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等。红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。要从不同规格的各种型号测温仪中选择红外测温仪，应注意如下几个方面： （1）首先要将测量要求和所要解决的问题弄清，如被测目标温度，被测目标大小，测量距离，被测目标材料，目标所处环境，响应速度要求，测量精度要求，以及用便携式还是在线式等； （2）测量要求和所要解决的问题与现有各种型号的测温仪进行对比，选择出能够满足上述要求的仪器型号； （3）在众多能满足要求的型号中，选择出性能、功能和价格方面的最佳搭配。 总结有如下的几点： 确定温度范围 确定目标尺寸 确定光学分辨率 确定波长范围 确定响应时间 信号处理功能 考虑环境条件 红外辐射测温仪的标定 操作使用 红外测微仪的应用 红外测温仪具有非接触和快速测温的优点, 在工业、农业、医疗和科学研究方面都有着广泛的用途。按其使用的途径可分为两大类首先是测量被测目标的表面温度其次是利用测量物体的热分布状况判断物体与热分布有关的其他性质的间接测量。举例如下： 1>钢铁工业中使用的红外测温仪占总量的一半以上。炼钢、轧钢、浇铸、淬火时测量控制温度对提高产品的质量起着重要的作用。对炉壁和机械设备热故障的监测为延长使用寿命和安全保障提供依据。 2>在机械加工中, 测量控制热处理部件的温度对产品质量起着关键的作用。 3>在化学工业中, 化工设备都在高温高压下工作, 监测设备的热分布状况, 判断设备工作情况, 检测热篙道接口热损耗、热泄漏故障是十分有用的。 4>在动力、电力业方面, 在运行及带电条件下检测动力设备、配电设备、电缆、电器接头等温度的异常, 为设备的安全运行提供一定的保障。 5>在建筑业中, 通过对建筑物墙壁、楼面、房顶热分布的检测确定它的绝热、裂漏隐患及缺陷的位置。确定工厂、建筑物热耗的管理。 6>在农业方面, 土壤、植物表面温度的测量, 粮食、种子烘干过程中温度的测量, 农副产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。 7>在农业方面, 土壤、植物表面温度的测量, 粮食、种子烘干过程中温度的测量, 农副产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。 8>在科学研究方面, 由于红外测温仪的突出优点, 使得在特殊试验条件要求一能提供测温手段, 应用范围较广。 总之，其应用范围很广，在就不一一列举，由此可见红外测温仪的用途很大，对工业，农业的发展有着重要的作用。 结语 红外测温技术随着现代技术的发展日趋完善, 用途逐渐渗透到各个领域。开发更新型的红外测温技术，完善红外测温仪的性能是时代发展的要求。基于黑体辐射原理的红外测温技术在现代化的发展起着越来越重要的作用，它的非接触测量，实现了遥测技术；不破坏被测温度场的均衡性； 光子作为信息载体，响应速度快；灵敏度高，比传统的传感器高1-4个数量级；频带宽，动态范围大；方便的和计算机连接，容易实现数字化，智能化； 安装方便，使用附件少，维护简单，提高了劳动生产力；非接触测量极大的提高了本产品的使用寿命，降低了生产成本；体积小、重量轻、价格不断低递降等优点使得它在其他的测温仪器中有越来越大的优势。 参考文献 [1] 李军，刘梅冬，曾亦可等.非接触式红外测温的研究[J]，2001.LI J，LIU M D，ZENG Y K，Research on Non-contact Infrared Temperature Measurement [J]， 2001. 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