红外辐射测温

1、红外辐射测温u概要u原理u分类u应用孟令刚孟令要 在自然界中在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热由于它内部热运动的存在运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了其中就包含了波段位于波段位于0.75100m的红外线的红外线.红外辐射测温就是利用红外辐射测温就是利用这一原理这一原理,温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工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

2、视和控制，特别是在化工、食品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，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

3、度快，灵敏度高，测温范围广，可实有使用方便，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。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。红外辐射测温的工作原理及特点 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。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

4、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谐振子模型，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。 在量子力学里，量子谐振子（英语：quantum harmonic oscillator）是经典谐振子的延伸。其为量子力学中数个重要的模型系统中的一者，因为一任意势在稳定平衡点附近可以用谐振子势来近似。此外，其也是少数几个存在简单解析解的

5、量子系统。量子谐振子可用来近似描述分子振动。红外辐射测温仪 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

6、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 红外测温红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个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。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，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，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、

7、显示输出电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图等部分组成，其基本结构如图2所示。所示。辐射辐射体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器体发出的红外辐射，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。正后转变为被测目标的温度值。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

8、素外，主要表现在以下几个方面： 辐射率 距离系数 目标尺寸 响应时间 环境因素辐射率 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。 （1） 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()等于它的半球单色吸收率()，=。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()、反射率()、透射率()总和为1，即+=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=0，

9、只有辐射和反射(+=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。 （2） 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30C 之内，一般不宜大于45C，如果不得不大于45C 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。

10、 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。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

11、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

12、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，即环境的温度和大气吸收。环境温度的影响由表中可以看出，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。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

13、，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 全辐射测温法 亮度测温法 双波段测温法 多波段测温法 最大波长测温法全辐射测温法 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

14、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。 亮度测温法亮度测温法 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。 双波段测温法双波段测温法 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。 多波段测温法多波段测温法 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。 最大波长测温法最大波长测温法 由维恩位移定律, 黑体辐射峰值波长Kmax与绝对

15、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。红外辐射测温器种类 红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）。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

16、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