紅外線測溫儀的理論原理和應(yīng)用

測量溫度的方法有很多種，溫度計(jì)大致可以分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表兩類。其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計(jì)，熱電偶式溫度計(jì)和熱電阻式溫度計(jì)等等

眾所周知，溫度是供熱，供燃?xì)猓�通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中*重要的參數(shù)之一。尤其在熱工測量過程中，溫度的精準(zhǔn)程度往往是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。因此，一個(gè)精確度高的測溫儀器在工程中是必不可少的。因此本文就溫度測量工具中的紅外線測溫儀的原理及應(yīng)用進(jìn)行一些介紹。

一紅外測溫的理論原理：

    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)不斷的向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75µm~100µm的紅外線。他*大的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長下，物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)*大值，這種物質(zhì)稱為黑體，并設(shè)定他的反射系數(shù)為1，其他的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體，由于黑體的光譜輻射功率P(λＴ)與絕對(duì)溫度T之間滿足普朗克定。說明在絕對(duì)溫度T下，波長λ處單位面積上黑體的輻射功率為P(λＴ)。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以得到圖1的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：

    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)，也是單波段紅外測溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。

    隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)（向左)，并且滿足維恩位移定理，峰值處的波長與絕對(duì)溫度T成反比，虛線為處峰值連線。這個(gè)公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。

輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的測溫儀相對(duì)信噪比高（靈敏度高），抗干擾性強(qiáng)，測溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長處，特別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

二紅外線測溫儀的原理：

    紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。被測物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測器。兩信號(hào)的差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度，使反饋源的光譜輻射亮度和物體的光譜輻射亮度一樣。顯示器指出被測物體的亮度溫度

三紅外線測溫儀的性能指標(biāo)及選型：

    紅外測溫儀的性能指標(biāo)有：測溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性，相對(duì)濕度，響應(yīng)時(shí)間，電源，響應(yīng)光譜，尺寸，*大值顯示，重量，發(fā)射率等選型時(shí)要注意：

  1 確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀*重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。

  2 確定目標(biāo)尺寸:紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對(duì)于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時(shí)，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會(huì)受到測量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于雙色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，雙色測溫儀是*佳選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量。

  3 確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)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。如果測溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測溫儀。對(duì)于固定焦距的測溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑*小位置，近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。存在兩個(gè)距離系數(shù)。

  4 確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的*佳波長是近紅外，可選用0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能量會(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。

  5 確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測溫儀對(duì)被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)*后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。

  6 信號(hào)處理功能：鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設(shè)置測溫儀響應(yīng)時(shí)間稍長于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測量之中。

 7 環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、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(hù)測溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。

 8 紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。

四紅外測溫儀的特點(diǎn)

  1.非接觸測量：它不需要接觸到被測溫度場的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不受溫度場的損傷。

  2.測量范圍廣：因其是非接觸測溫，所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。一般情況下可測量負(fù)幾十度到三千多度。

  3.測溫速度快：即響應(yīng)時(shí)問快。只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。

  4.準(zhǔn)確度高：紅外測溫不會(huì)與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測量精度高。

  5.靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出�？蛇M(jìn)行微小溫度場的溫度測量和

  6.溫度分布測量，以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測量。使用安全及使用壽命長。

五紅外線測溫儀的缺點(diǎn)：

    1.易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）

    2.對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數(shù)影響較大

    3.只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度

六紅外測溫儀的使用注意事項(xiàng)：

  （1）必須準(zhǔn)確確定被測物體的發(fā)射率;

  （2）避免周圍環(huán)境高溫物體的影響;

   (3）對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測物體溫度;

   (4）測溫儀要垂直對(duì)準(zhǔn)被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過30℃

   (5）不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進(jìn)行測溫;

   (6）正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場;

   (7）如果紅外測溫儀突然處于環(huán)境溫度差為20℃或更高的情況下，測量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。.

七改進(jìn)方案：

    由于普通紅外測溫儀只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度，所以可以在其檢測頭部加一段光導(dǎo)纖維，并在其前端裝一個(gè)小視角的透鏡，這樣被測物體的輻射能經(jīng)過透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過多次反射傳至檢測器。因?yàn)楣饫w可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)向，這就解決了物體內(nèi)部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。

    例如，在塑料擠壓機(jī)內(nèi)測量塑料溫度，渦輪機(jī)內(nèi)通過靜葉片的空隙來測量動(dòng)葉片的*高溫度和平均溫度，并可以帶有多個(gè)探頭進(jìn)行循環(huán)檢測。

    1 光纖紅外測溫的原理：

       光纖傳光原理是光在不同介質(zhì)中的全反射現(xiàn)象。光從光密介質(zhì)像光疏介質(zhì)傳播時(shí)，光會(huì)在邊界全部折回光密介質(zhì)。光在纖心中就會(huì)曲折前進(jìn)，而不會(huì)泄露。

2 結(jié)構(gòu)圖：

被測物體的紅外輻射經(jīng)紅外探頭透鏡匯聚到光纖前端，通過光纖傳輸及紅外濾光片過濾后的紅外能量，被紅外探測器接收并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)電子線路的放大、線性化處理后以標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸出方式采光纖測溫的優(yōu)點(diǎn)

    （1）光纖測頭耐溫高，可以安裝在環(huán)境溫度較高的場合

    （2）通過光纖傳輸紅外能量，使紅外探頭與電子處理模塊隔離，使信號(hào)處理單元受環(huán)境影響降至*小。

    （3）光纖測頭傳送紅外輻射熱能信號(hào)完全不受電磁場干擾，特別適合在中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等強(qiáng)電磁場環(huán)境下使用

     （4）可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)化，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度

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附:

紅外測溫儀在HVAC行業(yè)中的典型應(yīng)用：

測量制熱/ 冷凍水管道隔熱層溫度

測試隔熱回水管

測試熔斷器和母線接頭

測試電氣接頭

測試軸承運(yùn)行過程程中的溫度

檢查液體循環(huán)加熱或冷卻應(yīng)用

測試水加熱器的隔熱

測量欄柵、出風(fēng)口或散流器的排放溫度

檢查固定式節(jié)流器或配備毛細(xì)管的蒸發(fā)器上的過熱情況

檢查配備膨脹閥的蒸發(fā)器的空氣- 空氣系統(tǒng)中的過冷情況