红外测温仪原理及应用

1、红外测温仪原理及应用深入了解红外测温仪原理及应用、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根底。一、概述红外检测技术是 九五国家科技成果重点推广工程，红外检测 是一种在线监测不停电式高科技检测技术，它集光电成像技术、 计算机技术、图像处理技术丁一身，通过接收物体发出的红外线红 外辐射，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体外表的温 度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由丁其自身 分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体外表形成一定 的温度场，俗称 热像。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射 能量，测出设备外表的温度及温度场的分布， 从而判断设

2、备发热情 况。目前应用红外诊技术的测试设备比拟多，如红外测温仪、红外 热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用 热成像技术将这种看不见的热像转变成可见光图像，使测试效果 直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化， 准确反映设备 内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。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。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后乂陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测 温仪器，如西光IRT 1200D型、HCW一用型、HCW- V型；YHCW 9400型；WHD4015型双瞄准，目标D40

3、mm,可达15m、WFHX330型光学瞄准，目标D50mm,可达30m。美国生产 的PM 20、30、40、50、HAS 201测温仪；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛的应用。DL 500E可以应用丁110500kV变电设备上，图像活晰，温度准确。红外热像仪，主要有日本TVS 2000、TVS 100,美国PM- 250,瑞典AGA THV510、550、570。近期，国产红外热像仪在昆明研制成功，实现了国产化。红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在 线故障诊断和平安保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用红 外测温仪分接触式和非接触式，近20年来，非接触红

4、外测温仪在 技术上得到迅速开展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增 多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温 方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用平安及使用寿命长 等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列。二、红外测温仪工作原理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、显示输出等局部组成。光学系统会聚其视场内的目标红外辐 射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。 红外能量 聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和 信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为 被测目标的温度值。在自然界中

5、， 一切温度高于绝对零度 绝对零度， 也就是-273.15C摄氏度。没有一个地方有这个温度，即使是宇宙 的最深处，温度也比绝对温度高3度，人类也不可能制造出来这 个温度，只能无限的接近。在这温度下物体没有内能。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一一与它的外表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 定它的外表温度，这就是红外辐射测温所依据的客观根底。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，其外表的发射率为1。但是，自然界中 存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄活

6、和获得红外辐射分布 规律，在理论研究中必须选择适宜的模型， 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。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物 体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及 外表状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于 所有实际物体，必须引入一个与材料性质及外表状态有关的比例系 数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程 度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材 料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射

7、特性。 影响发射率的主 要因素在：材料种类、外表粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温 度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例； 双色测温仪与两个波段 的辐射量之比成比例。三、为什么要使用红外测温仪红外测温仪已被证实是检测和诊断电子设备故障的有效工具。可节省大量开支，用红外测温仪，你可连续诊断电子连 接问题和通过查找在DC电池上的输出滤波器连接处的热点，以 检测不问断电源UPS, UPS是Uninterruptable Power Supply的缩写，在电源发生故障时，UPS能够给计算机继续供电。

8、的功能状态，你可检验电池组件和功率配电盘接线端子，开关齿轮或保险丝连接，防止能源消耗；由于松的连接器和组合会产生热， 红外测温仪有助于识别回路中断器的绝缘故障或监视电子压缩机； 日常扫描变压器的热点可探测开裂的绕组和接线端子。使用红外测温仪的好处：1、便捷。红外测温仪可快速提供温度测量，在用热偶读取一个 渗漏连接点的时间内，用红外测温仪几乎可以读取所有连接点的温 度。另外由于红外测温仪坚实.轻巧，且不用时易于放在皮套中。 在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。2、精确。红外测温仪通常精度都是1度以内。这种性能在做 预防性维护时特别重要，如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或 停机的特别事件时。用红

9、外测温仪，你甚至可快速探测操作温度的 微小变化，在其萌芽之时就可将问题解决，减少因设备故障造成的 开支和维修的范围。3、平安。红外测温仪能够平安地读取难以接近的或不可到达的 目标温度，可以在仪器允许的范围内读取目标温度。 非接触温度测 量还可在不平安的或接触测温较困难的区域进行， 精确测量就象在 手边测量一样容易。四、正确选择红外测温仪随着技术和不断开展，红外测温仪最正确设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器，扩大了选择余地。近20年来, 非接触红外测温仪在技术上得到迅速开展， 性能不断完善，功能不 断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增 长。比起接触式测温方法，红

10、外测温有着响应时间快、非接触、使 用平安及使用寿命长等优点。非接触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 乂有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择 红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。在选择测温仪型号时应 首先确定测量要求，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，测量精度，用便携式还 是在线式等等；在现有各种型号的测温仪比照中，选出能够满足上 述要求的仪器型号；在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性 能、功能和价格方面的最正确搭配。其他选择方面，如使用方便、维 修和校准性能等。1、确定

11、测温范围确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。如Raytek富泰产品覆盖范围为-50 C - +3000 C,但这不能由一种型号的红外 测温仪来完成。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全, 既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由 温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能 量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。一般来说，测温范 围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容易解决。测温范围过宽，会降低测温精度。例如，如果被测目标温度为1000摄氏度，首先确定在线式还是便携式，如果是便携式。满

12、足这一温 度的型号很多，如3iLR3 , 3i2M , 3i1M。如果测量精度是主要 的，最好选用2M或1M型号的，因为如果选用3iLR型，其测 温范围很宽，那么高温测量性能便差一些；如果用户除测量1000摄 氏度的目标外，还要照顾低温目标，那只好选择3iLR3。2、 确定目标尺寸为了获得精确的温度读数， 测温仪与测试目标之间的距离 必须在适宜的范围之内，所谓 “光点尺寸spot size 就是测温 仪测量点的面积。您距离目标越远，光点尺寸就越大。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

13、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十扰 测温读数，造成误差。相反，如果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。对于比色测温仪，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，都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的 情况下，仍能保证要求的测温精度。对于细小而乂处于运动或震动 之中的目标，比色测温仪是最正确选择。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， 因此可以 测量难以接近、条件恶劣或靠近

14、电磁场的目标。3、 确定距离系数光学分辨率距离系数由D : S之比确定，即测温仪探头到目标之间的 距离D与被测目标直径S之比。光学分辨率越高，即增大D : S比值，测温仪的本钱也越高。如果测温仪由于环境条件限制必须安 装在远离目标之处，而乂要测量小的目标，就应选择高光学分辨率 的测温仪。对于固定焦距的测温仪，在光学系统焦点处为光斑最小 位置，近于和远于焦点位置光斑都会增大， 存在两个距离系数。因 此，为了能在接近和远离焦点的距离上准确测温，被测目标尺寸应大于焦点处光斑尺寸，变焦测温仪有一个最小焦点位置，可根据到 目标的距离进行调节。增大D : S,接收的能量就减少，如不增 大接收口径，距离系数

15、D : S很难做大，这就要增加仪器本钱。4、 确定波长范围目标材料的发射率和外表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 金届材料的最正确波长是近红外，可选用0.81.0。其他温区可选用1.62.2叩和3.9叩。由于有些材料在一定波长上是 透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特殊的波长。 如测量玻璃内部温度选用1.0, 2.2 ni和3.9被测玻璃要很厚，否那么会透过波长；测玻璃外表温度选用5.0测低温区选用814为宜。如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43 ni,聚 酯类选用4.3叩或7.9叩，厚度超过0.4mm的选用8-14叩。 如测火

16、焰中的CO用窄带4.64，测火焰中的NO2用4.47 m05、 确定响应时间响应时间定义为到达最后读数的95%能量所需要的时间，表示红外测温仪对被测温度变化的反响速度，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。 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。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，否那么达不到足够的信 号响应，会降低测量精度。然而，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，响应时间就可以放宽要求了。6、信号处理功能鉴于离散过程如零件

17、生产和连续过程不同，所以要求红 外测温仪具有多信号处理功能如峰值保持、谷值保持、平均值 可供选用，如测温传送带上的瓶子时，就要用峰值保持，其温度的 输出信号传送至控制器内。否那么测温仪读出瓶子之间的较低的温度 值。假设用峰值保持，设置测温仪响应时间稍长于瓶子之间的时间问 隔，这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。7、环境条件考虑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，否那么会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高， 存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护套、水冷 却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环 境影响并保护测温仪，实现准确测温。在确

18、定附件时，应尽可能要 求标准化效劳，以降低安装本钱。当在噪声、电磁场、震动或难以 接近环境条件下，或其他恶劣条件下，烟雾、灰尘或其他颗粒降低 测量能量信信号时，光纤双色测温仪是最正确选择。在噪声、电磁场、 震动和难以接近的环境条件下，或其他恶劣条件时，宜选择光线比 色测温仪。在密封的或危险的材料应用中如容器或真空箱，测 温仪通过窗口进行观测。材料必须有足够的强度并能通过所用测温 仪的工作波长范围。还要确定操作工是否也需要通过窗口进行观 察，因此要选择适宜的安装位置和窗口材料， 防止相互影响。在低 温测量应用中，通常用Ge或Si材料作为窗口，不透可见光，人 眼不能通过窗口观察目标。如操作员需要通

19、过窗口目标，应采用既 透红外辐射乂透过可见光的光学材料， 如ZnSe或BaF2等作为窗 口材料。当测温仪工作环境中存在易燃气体时，可选用本征平安型 红外测温仪，从而在一定浓度的易燃气体环境中进行平安测量和监 视。在环境条件恶劣复杂的情况下，可以选择测温头和显示器分开 的系统，以便于安装和配置。五、红外测温仪在设备故障诊断时应注意的事项设备故障红外诊断最核心的问题，是要求准确地获得被测 设备的温度分布或故障相关部位温度值与温升值。 这个温度信息不 仅是判断设备有无故障的依据，也是判断故障届性、位置、严重程 度的客观依据。因此，对被测设备故障相关部位温度的计算与合理 修正，将是提高检测设备外表温度

20、准确性的关键环节。 然而在现场 进行设备红外检测时，由于检测条件和环境的影响变化，可能导致 同一设备因检测条件不同，而得到不同的结果。因此，为了提高红 外检测的准确度，必须对现场检测过程中或对检测结果的分析处理 中，采取相应的对策与措施或选择良好的检测条件，或对检测现场 结果进行合理的修正。1、运行状态的影响与对策电气设备故障是电流效应引起的发热故障导电回路故 障，发热功率与负荷电流值的平方成正比；是电压效应引起的发 热故障 绝缘介质故障，发热功率与运行电压的平方成正比。因 此，设备的工作电压和负荷电流的大小，将直接影响到红外检测与 故障诊断的效果。泄漏电流的增大，能造成高压设备局部电压不均

21、匀。如果没有加载运行或者负荷很低，那么会使设备故障发热不明显， 即使存在较严重的故障，也不可能因特征性热异常的形式暴露出 来。只有当设备在额定电压下运行，而且负荷越大时，发热及温升 才越严重，故障点的特征性热异常也暴露得越明显。 因此在进行红 外检测时，为了能够取得可靠的检测效果，要尽量保证设备在额定 电压和满负荷下运行，即使不能做到连续满负荷运行，也应编制一 个运行方案，以便在检测前和检测过程中，能让设备满负荷运行一 段时间如46h,使设备故障部位有足够的发热时间， 并保证 其外表到达稳定温升。由于电气设备故障红外诊断时， 故障判断标准往往是以设备 在额定电流时的温升为依据，因此当检测时实际

22、运行电流小于额定 电流时，应该是现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流的 温升。2、设备外表发射率的影响与对策任何红外测量仪器都是通过测量电气设备外表红外辐射功 率，来获得设备温度信息的。并且在红外诊断仪器接收来自目标红 外辐射功率相同的情况下，因目标的外表发射率不同，将会得到不 同的检测结果。也就是说，相同辐射功率，发射率越低，就会显示 越高的温度。因物体外表发射率主要决定于材料性质和外表状态 如外表氧化情况，涂层材料，粗糙程度及污秽状态等 。因此为 了应用红外热像仪器准确地测量电气设备温度， 必须要知道受检目 标的发射率值，并将该值作为计算温度的重要参数输入计算机或者 调整红外测量仪的

23、修正值，以便对所测量的温度输出值进行发射 率修正。消除发射率对检测结果影响的另外两种对策措施是：当使用红外热像仪进行测量时，要对发射进行修正，查出被测设备部件 外表的发射率值进行发射率修正，从而获得可靠的测温结果，提高 检测的可靠性；对于红外检测的故障频发设备部件，为使检测结果 具有良好的可比性，可以运用敷涂适当漆料的方法来增大和稳定其 发射率值，以便获得被测设备外表的真实温度。3、大气衰减的影响与对策由于受检电气设备外表红外辐射能量，是经大气传输到红外 检测仪器里的，这就会受到大气组合中的水蒸汽、 二氧化碳、一氧 化碳等气体分子的吸收衰减和空气中悬浮微粒的散射而衰减，设备辐射能量传输的衰减随着检测仪器到被测设备之间的距离，降低了 被测设备辐射的透过率，所以其衰减是随距离的增大而增加， 降低 受检设备故障部位与正常部位的辐射比照度， 也会因为红外