红外测温原理及其应用

1、.红外测温原理及其应用*XX(南京航空航天大学机电学院 南京 10287)摘要：红外测温属于非接触测温的一种方法,测温元件不需与被测介质接触,通过热辐射原理来测量温度。了解红外测温仪的工作原理、技术指标、环境工作条件及操作和维修等是用户正确地选择和使用红外测温仪的基础。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。关键词：测温原理 红外测温仪 红外辐射 测温元件中图分类号：TL81Infrared Temperature Measurement Principle and Its ApplicationsXX(Mechanical and Electrical E

2、ngineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 10287)Abstract：Infrared temperature measurement method is a kind of non-contact temperature measurement, and temperature measurement devices without contact with the measured medium, which is measured by thermal radiation theory

3、. Learning infrared thermometer works, technical specifications, environmental working conditions, operations and maintenance is the foundation of the user to select and use infrared thermometer properly. Infrared thermometer is composed of the optical system, photoelectric detectors, signal amplifi

4、ers, signal processing, display output and others. Key words：Temperature measurement principle Infrared thermometer Infrared radiation Temperature measurer.0 前言在自然界中,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0.75100m 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

5、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-20018000.21.0热电阻-503

6、000.10.5非接触式红外测温-5033001其它示温材料-35200011 红外测温法的基本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

7、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与绝对温度T之间满足普朗克定理：PbT=c15ec2T-1 （1）其中，PbT-黑体的辐射出射度；-波长；T-绝对温度；1-第一辐射常数，1=3.741810-16Wm2；2-第二辐射常数，2=1.438810-12mK。式（1）说明在绝对温度T下，波长处单位面积上黑体的辐射功率为PbT。根据这个关系可以得到图1的关系曲线，从图中可以看出：（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。

8、（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Tm=2897.8mK，峰值处的波长m与绝对温度T成反比，虚线为m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。图1 黑体辐射的光谱分析根据斯特潘-玻尔兹曼定理：黑体的PbT与温度T的四次方成正比，即：PbT=T4 （2）式中，PbT-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

9、度；-斯特潘-玻尔兹曼常量，=5.6710-8Wm2K4；T-物体的绝对温度。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PbT小于黑体的单色黑度，即实际物体接近黑体的程度。=PTPbT （3）考虑到物体的单色黑度是不随波长变化的常数，即=，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=1，而一般灰体01，由式（2）可得：PT=PbT，PT= T4所测物体的温度为：T=PT14 （4）式（4）正是物体的热辐射测温的数学描述。2 红外测温仪的工作原理红外测

10、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(见图2)。图2 红外测温系统结构对单色红外测温是针对不同测温范围选择典型的波长区段，其温度是由该波长区段内的辐射能量确定的。黑体在波长1至2区段所发出的辐射能为Eb=12Ebd （5）实际物体在波长1至2区段所发出的辐射能为E=12C1-5eC2T-1d （6）式(6)正是红外辐射测温的数学描述。对

11、于双色红外测温来说，是针对不同测温范围选择两个典型的波长区段，其温度是由两个独立波长带内的辐射能量的比值确定的。由式(6)可知，双色红外辐射测温的数学描述为E1E2=12C1-5eC2T-1d12C1-5eC2T-1d （7）3 红外测温仪的测量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：3.1 确定被测物体的发射率发射率表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，根据辐射定律，只要知道材料的发射率，就知道任何物体的红外辐射特性。因此，要根据设定的发射率来补偿不同物体因发射率不同而导致的对测量温度的影响。影响发射率的主

12、要因素有：材料种类、表面粗糙度、表面温度和材料厚度等。对金属材料而言，表面状态对发射率的影响较大，一般粗糙表面和受氧化后的表面的发射率是磨光表面的数倍；对非金属材料而言，发射率值都比较高，一般在085095之间，并且与表面状态的关系不大。对于未知发射率的物体，可通过实验方法测量物体的发射率。对于双色红外测温仪而言，由式(7)可知：其温度值是由两个独立波长带内的辐射能量的比值确定的，其测量结果与物体的发射率无关，受周围环境的影响也比较小，抗干扰能力比较强。3.2 确定红外测温仪的测温范围测温范围是红外测温仪最重要的一个性能指标。如Optris(欧普士)产品测温范围覆盖-503300，但这不能由一

13、种型号的红外测温仪来完成，每种型号的红外测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户必须对待测温度范围考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差引起的辐射能的变化，因此，在测温时应选用短波的较好。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精确度越高，测温更准确。测温范围过宽，会降低测温精度，误差较大。3.3 确定红外测温的光学分辨率(距离系数)光学分辨率K由D与S之比确定，即红外测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径S之比。如果由于客观原因红外测温仪在远离目标使用，而又要测量小目标，就应选择高光学分辨率的红外测

14、温仪来保证测温准确性。反之，则选择低光学分辨率的红外测温仪。因为光学分辨率越高，即D：S比值越大，测温仪的成本越高。在实际应用中，有些人忽略测温仪的光学分辨率，不管被测目标直径S的大小，打开测温仪对准目标就测，结果由于忽略该测温仪的光学分辨率K值要求导致测量误差很大。3.4 确定波长范围目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长，对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.92.5m。其他温区可选用1.6m、2.2m和3.9m。低温区测量一般选择814m波长的红外测温仪。并不是所有红外波长都适宜测量温度，能够顺利通过大气的红外辐射主要

15、有三个波长范围：0.92.5m、35m、814m，通常把这三个波长范围称为红外测温仪的大气窗口。通常情况下，814m的红外测温仪能达到的最佳上限是900，最多到1200，如果用它测量更高的温度，就只有降低精度和稳定性了。3.5 确定红外测温仪的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。Raytek（雷泰）新型红外测温仪响应时间可达1ms。这要比接触式测温方法快得多。如果目标的运动速度很快或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，会降低测温精度。然而，并

16、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，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。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。确定响应时间，主要根据目标的运动速度和目标的温度变化速度。对于静止的或存在热惯性的目标，或者现有控制设备的速度受到限制，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。3.6 确定目标尺寸红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，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。相反，如果

17、目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标，双色测温仪是最佳选择。这是由于光线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。3.7 峰值保持在实际应用中，为解决由于客观条件引起红外测温仪的读数忽高忽低的问题，多数测温仪设置一个被称为“峰值保持”的功能。它可以使测温仪在其响应时间内对温度变化做出反应，同时也将读数的显示时间延迟。通过设置适当的延迟时

18、间，红外测温仪可以只“看到”被测物体的高温部分，对低温空间“视而不见”，最终温度的读数相对稳定。红外测温仪这一功能在具有电源PLC控制系统的高温炉中经常使用，可以保持高温炉电源工作的稳定性。3.8 环境条件的影响红外测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测量精度甚至引起损坏。当环境温度高，存在灰尘、烟雾或蒸汽的条件下，可选用适当厂商提供的水冷套、空气吹扫器等附件有效地解决环境的影响并保护测温仪，实现准确测温。在周围环境很大程度影响测量能量信号时，可以选择双色测温仪实现准确测温。在密封的或危险的材料应用中(如容器、真空炉等真空设备)，测温仪通过窗口进行观测。窗口

19、材料必须透明，并能透射所用测温仪的工作波长范围。单色测温仪的视窗需要让整个光的通路无碍，而且保持视窗清洁；双色测温仪对于视窗的清洁度要求不高，只要视窗不被金属镀层遮盖即可。3.9 清洁镜头与红外测温仪的标定测温仪使用一段时间后，镜头上会积留灰尘，必须及时清洗镜头。具体方法是用擦镜纸或洁净棉球沾少许水清洁镜头表面，否则会造成测量结果低于被测目标的实际温度。红外测温仪必须定期标定，这样才能使它准确地显示被测目标的温度。如果自检标定中偏差较大，则需退回厂家或维修中心重新标定。4 红外测温的几种方法4.1 红外摄影法测量切削温度本世纪五十年代以来，根据使用的测量仪器的不同，利用红外技术测量温度场的方法

20、可分为两类：红外点温度计法和红外照相法。使用红外点温度计，被测点的温度是一定面积上的平均温度，但当前国内外被测点的面积还不能足够小，而且测量点在切削区的坐标位置不易确定。红外照相法从原理上来说是比较理想的测量方法，可以得出完整的切削区温度场。但是测温系统的响应速度太不理想，在实际应用中有较大局限性。八十年代后期发展起来的红外摄像法较上述两种方法具有更好的准确性和更快的响应速度。其工作原理是：物体发出的红外辐射经过摄像镜头后打在红外摄像机内部的红外光敏元件板上，该板将辐射能转化成电压信号，由于温度场内不同温度的各点向外辐射红外线的强度不同，所以经过红外敏感元件板后得到的电压信号的强弱也不同，当这

21、些不同强度的电压信号在摄像机内部转化成为全电视信号并反映在电视监视器上时，就会由于其灰度值的不同而产生亮度依次变化的温度场图像。亮度较大的地方，表示该处的温度较高；反之，表示温度较低。这些原始的温度场图像通过录像机记录在磁带上。初期录像结束后，还要对原始图像进行图像处理，主要工作是在带有彩色监视器的个人计算机上完成。原始图像经过图像接口进入计算机，进行滤波、伪着色等处理过程，根据亮度不同，设置16个灰度值，将灰度值相等的区域着上同一种颜色，不同颜色代表不同的温度值，这样就可以得到温度场图。现场测量时，将红外摄像机对准处于切削状态的刀具，在刀头的下方加一个平行光源，这样可使温度场处于刀具轮廓的背

22、景中，同时也既反映了温度场，又反映了温度场在刀具上的相对位置。如图3所示：图3 红外摄像法测温装置为了准确地测定刀具刃区温度场，避免切屑干扰，在工件的外圆上磨出一个平面，刀具与工件相对运动到这个平面时，切屑断开，刀头全部露出，这时就可以测得刀具刃区温度场了。4.2 热像仪法实测陶瓷刀具切削区的温度分布热电偶法是报导最多、较常用的刀具测温方法，但该方法由于埋入热电偶而破坏了实际温度场。而且对导热系数较小的陶瓷刀具测量误差较大。此外，陶瓷刀具硬而脆，且刀片较小，热电偶的埋入较困难。采用红外热成像技术接收物体发射的辐射热，并转化为数字信号以红外图像直接输出，同时可进行数据存储和处理，可测较高的温度、

23、导热系数较小的物体及很微小面积上的温度，并且精度高、响应快，不破坏被测温度场，因此适宜陶瓷刀具切削区的高温动态测试。图4是热像仪测定陶瓷刀具前后刀面温度场的示意与装置图。图4 热像仪测定陶瓷刀具后刀面（a）前刀面（b）示意图图4(a)中，测量后刀面温度时，在夹持刀具的刀架(5)上引出一纵向底板(6)，其上固定放置热像仪探头(7)，使得探头与刀具相对位置不变而同时移动。另外，切削过程中，刀具后刀面势必被切削部位挡住(AB段），探头无法探测。为此，将工件预先切除颈部(N),当刀具切削至颈部A点（测试点）的瞬时，刀面露出，探头即可测出其辐射温度。图4(b)中，测量前刀面温度时，在进给机构处引出一横向

24、底板(14)，其上焊有一支架(13)，支架上固定放置热像仪探头。底板可随纵向进给机构一同移动，使得热像仪探头可与刀具同时移动。另外，切削过程中，不断流出的切屑会挡住刀具前刀面，探头无法探测，因此也要预先切出颈部(N)。当刀具切削至颈部A点时，不再产生切屑，刀面露出瞬间，探头从刀具正上方可测出前刀面辐射能。4.3 红外照相法采用红外照相法的车削温度测量装置，如图5所示。测温装置安装于车床横溜板的机座板上，使刀具、照相机相对于工件排成一线；照相机配有专门的红外辐射聚焦调节装置；刀夹可使照相机镜头尽可能接近工件表面，为避免切屑溅射的影响，照相机镜头用有机玻璃罩子罩住，镜头与工件表面之间设计了挡屑板，

25、透过板上的小孔可对刀具和工件表面摄影（采用高温红外胶卷）。图5 红外照相法测温装置示意图测量温度前，首先用热电偶进行定标校准，即热电偶由电加热并在不同温度下照相，所需曝光时间通过预试验确定，显影后的胶卷用显微光密度计读数，得到高温红外胶卷在不同曝光时间下光密度与温度的对应关系。根据此对应关系，可以确定切削过程中工件或刀具的温度。用红外照相法测定的切削温度可用于研究切削温度的分布情况。红外照相法近距离但非接触测量，所以可以用来测量薄壁圆筒回转件，但测量之前需要标定，还要用到显微光密度计。5 切削温度测量实例切削温度的测量在加工碳纤维复合材料时是非常重要的，因为温度超过基体树脂玻璃转化温度时会损坏材料。在本案例中，用三种方法测量立铣刀加工过程中的切削温度。实验过程中采用的是MAZAJ VCN-410A型立式加工中心。加工过程中刀具表面的温度用红外摄像法测量。图6是这种测量方法的示意图，图7为热影像图，切割条件不变。使用顺铣来减小溅射切屑的影响。通过校准试验将刀具表面的红外发射率设定为0.3。图8中三角符号显示的是通过温度记录仪得到的铣刀表面的温度峰值。图6 红外摄像法原理图在高速区域用刀具工件热电偶方法测量的切割点