红外线测温仪

1、红外线测温仪概述红外线测温仪技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节 约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，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，红外线测温仪有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触 红外线测温仪包括便携式、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。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外线测温仪型号对用户来 说是十分重要的。红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目，红外

2、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、图像处理技术于一身，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，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、 实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表 面形成一定的温度场，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 表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多， 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

3、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。红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预 防性试验维修预防试验是50年代引进前苏联的标准提高到预知状态检修，这也是现代电力企业 发展的方向。特别是现在大机组、超高电压的发展，对电力系统的可靠运行，关系到电网的稳定， 提出了越来越高的要求。随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断 技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点，实时地在线监测 和诊断电气设备大多数故障几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的

4、检测。它备受国内外电力行业 的重视国外70年代后期普遍应用的一种先进状态检修体制，并得到快速发展。红外检测技术的 应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。 是目前在预知检修领域中普遍推广的一种很好手段，又能使维修水平和设备的健康水平上一个台 阶。采用红外成像检测技术可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量 任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等 优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。利用热像仪检测在线电气设备的方法是红外温度记录法。红外温度记录法是

5、工业上用来无损 探测，检测设备性能和掌握其运行状态的一项新技术。与传统的测温方式如热电偶、不同熔点的 蜡片等放置在被测物表面或体内相比，热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温 度，通过扫描，还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图，而且灵敏度高，不受电磁场干扰， 便于现场使用。它可以在-20C2000C的宽量程内以0.05C的高分辨率检测电气设备的热致故 障，揭示出如导线接头或线夹发热，以及电气设备中的局部过热点等等。带电设备的红外诊断技术是一门新兴的学科。它是利用带电设备的致热效应，采用专用设备获取 从设备表面发出的红外辐射信息，进而判断设备状况和缺陷性质的一门综合技术。红外线测温

6、仪基础理论 1672年，人们发现太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿做出了单色光在性 质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫等各色单色光。1800年，英国物理学家F. W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发 现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开 了一个矩形孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计 去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，赫胥尔用在彩色光带附近放几支 作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇

7、怪的现象：放在光带红光 外的一支温度计，比室内其他温度的批示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区， 总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼 看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波， 具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利 用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。红外线的波长在0.76100 m之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远 红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自 然界存在的一

8、种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和 原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大， 反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物 体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表 面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运 用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。2.1热像仪原理红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术

9、则省 去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光 学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热 像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、 转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相 对应;实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比， 缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用 一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色

10、彩描绘等技 术2.2热像仪的发展1800年，英国物理学家F. W.赫胥尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。 在第二次世界大战中，德国人用红外变像管作为光电转换器件，研制出了主动式夜视仪和红外通 信设备，为红外技术的发展奠定了基础。二次世界大战后，首先由美国德克萨兰仪器公司经过近一年的探索，开发研制的第一代用于军事 领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR），它是利用光学机械系统对被测目标的红外 辐射扫描。由光子探测器接收两维红外辐射迹象，经光电转换及一系列仪器处理，形成视频图像 信号。这种系统、原始的形式是一种非实时的自动温度分布记录仪，后来随着五十年代锑化铟和 锗掺

11、汞光子探测器的发展，才开始出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。六十年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置，它是在红外寻视系统的基础上 以增加了测温的功能，称之为红外热像仪。开始由于保密的原因，在发达的国家中也仅限于军用，投入应用的热成像装置可的黑夜或浓 厚幕云雾中探测对方的目标，探测伪装的目标和高速运动的目标。由于有国家经费的支撑，投入 的研制开发费用很大，仪器的成本也很高。以后考虑到在工业生产发展中的实用性，结合工业红 外探测的特点，采取压缩仪器造价。降低生产成本并根据民用的要求，通过减小扫描速度来提高 图像分辨率等措施逐渐发展到民用领域。六十年代中期，AGA公司研制出第一套

12、工业用的实时成像系统（THV），该系统由液氮致冷， 110V电源电压供电，重约35公斤，因此使用中便携性很差，经过对仪器的几代改进，1986年研 制的红外热像仪已无需液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电；1988年推出的全功 能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7公斤，仪器的功 能、精度和可靠性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用技术（FPA）转民用并商品化的新一红外 热像仪（CCD）属焦平面阵列式结构的一种凝成像装置，技术功能更加先进，现场测温时只需对 准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作，各种

13、参数的设定可回 到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告，由于技术的改进和结构的改变，取 代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于二公斤，使用中如同手持摄像机一样，单手即可方便地操 作。如今，红外热成像系统已经在电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用。红外热 像仪在世界经济的发展中正发挥着举足轻重的作用。2.3热像仪分类红外热像仪一般分光机扫描成像系统和非扫描成像系统。光机扫描成像系统采用单元或多元 （元数有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光电导或光伏红外探测器，用单元 探测器时速度慢，主要是帧幅响应的时间不够快，多元阵列探测器可做成高速实时热像仪

14、。非扫 描成像的热像仪，如近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热成像装置，在 性能上大大优于光机扫描式热像仪，有逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。其关键技术是探测器 由单片集成电路组成，被测目标的整个视野都聚焦在上面，并且图像更加清晰，使用更加方便， 仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结，连续放大，点温、线温、等温和语音注释图像 等功能，仪器采用PC卡，存储容量可高达500幅图像。红外热电视是红外热像仪的一种。红外热电视是通过热释电摄像管（PEV）接受被测目标物 体的表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号，因此，热释电摄像 管是红外热电视的光键器件，

15、它是一种实时成像，宽谱成像（对35p m及814p m有较好的 频率响应）具有中等分辨率的热成像器件，主要由透镜、靶面和电子枪三部分组成。其技术功能 是将被测目标的红外辐射线通过透镜聚焦成像到热释电摄像管，采用常温热电视探测器和电子束 扫描及靶面成像技术来实现的。热像仪的主要参数有：2.3.1工作波段；工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是 35p m 或 812p m。2.3.2探测器类型；探测器类型是指使用的一种红外器件。是采用单元或多元（元数8、10、 16、23、48、55、60、120、180等）光电导或光伏红外探测器，其采用的元素有硫化铅（PbS）、 硒化

16、铅（PnSe）、碲化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅（PbSnTe）、锗掺杂（Ge： X） 和硅掺杂（Si： X）等。2.3.3扫描制式；一般为我国标准电视制式，PAL制式。2.3.4显示方式；指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。2.3.5温度测定范围；指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。2.3.6测温准确度；指红外热像仪测温的最大误差与仪器量程之比的百分数。2.3.7最大工作时间；红外热像仪允许连续基本概念自然界中，一切温度高于绝对零度摄氏-273.16的物体都不断地辐射着红外线，这种现 象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，它是由物质内部的分子、原子的运动所产 生的

17、电磁辐射，是电磁频谱的一部分,其波段介于可见光和微波波段之间（0.761000微米）。 通常按波长把红外光谱分成4个波段:近红外（0.763微米）、中红外（36微米）、中远红 外（620微米）和远红外（201000微米）。一切物体都有其自身的红外辐射特性。为研究各种不同物体的红外辐射，人们用理想辐 射体一一绝对黑体（简称黑体）作基准。能吸收全部入射的辐射而没有反射的物体称为黑体。 良好的吸收体必然也是良好的辐射体,因此黑体的辐射效率最高，其比辐射率定为1。任何实 际物体的辐射发射量与同一温度下黑体的辐射发射量之比，称为该物体的比辐射率，其值总 是小于1。物体的比辐射率，与物体的材料种类、表面特

18、性、温度、波长等因素有关。黑体 的辐射特性可用普朗克定律描述，该定律给出了黑体辐射作为温度函数的光谱分布。对某一 温度，辐射量最大的波长与其温度的乘积为常数，这个关系称维恩定律（适用于在温度较低， 波长较短的范围内）。对所有波长积分所得到的总辐射量与温度的四次方成正比，这个关系 称为斯蒂芬一玻尔兹曼定律。物体发出的辐射，大都要通过大气才能到达红外光学系统。由于大气中二氧化碳、水汽 等气体对红外辐射会产生选择性吸收和其他微粒的散射，使红外辐射发生不同程度的衰减。 人们把某些衰减较小的波段，称为大气窗口。在0.7620微米波段内有3个大气窗口:12.7 微米,35微米，814微米。目前红外系统所使

19、用的波段，大都限于上述大气窗口之中（大 气窗口还与大气成份、温度和相对湿度等因素有关）。由于红外系统所探测的目标处于各自 的特定背景之中，从而使探测过程复杂化。因此，在设计红外系统时，不但要考虑红外辐射 在大气中的传输效应，还要采用抑制背景技术，以提高红外系统探测和识别目标的能力。分类红外系统按工作原理，可分为主动式和被动式两类。主动式系统需自带红外光源照射目 标；被动式系统则直接探测目标的红外辐射。后者是占主导地位的军用红外系统，如热成像 系统、搜索跟踪系统、红外辐射计和警戒系统等。按信息提供方式，可分为成像和点源系统。 按工作方式，还可分为扫描和非扫描系统，扫描系统又分为光机扫描和电子扫描

20、系统。组成和工作原理红外系统一般由红外光学系统、红外探测器、信号放大和处理、显示记录系统等组成。 其工作原理如图所示：红外光学系统把目标的红外辐射集聚到红外探测器上，并以光谱和空间滤波方式抑制背 景干扰。红外探测器将集聚的辐射能转换成电信号。微弱的电信号经放大和处理后，输送给 控制和跟踪执行机构或送往显示记录装置。红外光学系统的结构，一般可分为反射式、折射 式和折反射式三种，后两种结构需采用具有良好红外光学性能的材料。红外探测器一般有光子探测器、热释电探测器、热敏探测器、电荷耦合器件和红外电真 空器件等。有些探测器要在低温下工作，需采用致冷器。致冷器有辐射致冷器、热电致冷器 和冷冻剂致冷器等。

21、采用何种致冷器，需视系统结构、所用探测器类型和使用环境而定。置 于红外探测器前的光学调制器，将目标辐射进行调制编码，以便从背景中提取目标信号或目 标的空间位置信息。前置放大器将探测器输出的微弱信号进行初级放大，并给探测器提供合 适的偏置条件。它的噪声指数很低，从而使探测器的噪声有可能成为系统的极限噪声。信号 处理系统把前置放大器输出的信号进一步放大和处理，从信号中提取控制装置或显示记录设 备所需的信息。一般非成像系统视目标为点辐射源，相应的信号处理、显示记录系统比较简 单。红外成像系统，通常需将目标红外辐射转换成黑白照片和假彩色照片或电视图像。这种 图像不象可见光照相机所得的图像那样直观，它反

22、映的是目标的辐射温度分布 红外测温仪测量原理、标准、技术基础用红外测温仪进行非接触温度测量有许多的优点，它的运用范围从很小或难以接触到的物体 至腐蚀性的化学物和敏感的表面物。本文将讨论此优点，给予正确选择红外测温仪的决定性 等加以说明运用范畴。由于原子和分子的运动，每一物体都会辐射电磁波，对非接触温度测量最重要的波长或光谱 范围是在0.2至2.0pm。这一范围内的自然射线，人们称作为热辐射或红外线。由被测物辐射的红外线所进行温度测量的测试仪器，按照德国工业标准DIN16160被称为辐 射温度计，辐射高温计或红外测温仪。这些名称也适用于那些由被测体辐射的可见彩色射线 所进行温度测量的仪器，及由相

23、对频谱的辐射密度导出温度的仪器。一、红外测温仪温度测量的优点通过接收被测体辐射的红外线而进行的非接触温度测量有很多的优点。这样那些难以接触到 或运动着的物体就可毫无问题的进行温度测量，如传热性能差的或很小的热容量材料。红外 测温仪很短的响应时间能快速地实现有效调节回路。高温计不拥有会磨损的部件，因而就不 存在如使用温度计所存在的连续费用。特别是在很小的被测物体，如用接触测量，由于物体 的导热性将产生很大的测量误差。这里可毫无疑问的使用高温计，及用于腐蚀性的化学物或 敏感的表层，如在油漆，纸张和塑料轨上。通过远距离的摇控测量，可远离危险区域，使操 作人员无危险性。二、红外测温仪的原理构造把从被测

24、物接收的红外线，由透镜经过滤波器聚焦在检波器上。检波器通过被测物辐射密度 的积分，产生一个与温度成比例的电流或电压信号，在此后相连接的电器部件中，把此温度 信号线性化，发射率区域的修正，及转换成一个标准的输出信号。原理上有便携式高温计和固定式高温计两种，因此，在选择合适的红外测温仪用于不同的测 量点时，以下的特征将是主要的：1、瞄准器瞄准器有此作用，高温计所指的测量块或测量点可以看见，大面积的被测物可以经常不要瞄 准器。在小的被测物和较远的测量距离时，瞄准器以透光镜形式带有仪表板刻度或激光指向 点是值得推荐的。2、透镜透镜确定高温计的被测点，对大面积的物体来说，一般带有固定焦距的高温计足够可以

25、。但 在测量距离远离聚焦点时，测量点边缘的图像将不清楚。为此，采用变焦镜更好，在所给予 的变焦范围内，高温计可调整测量距离，最新的高温计带有变焦的可替换镜头，近透镜和远 透镜可不需校准复检进行更换。3、传感器，即光谱接收器温度是与波长成反比的。在低物体温度时，对长波光谱区域敏感的传感器（热膜传感器或热 电传感器）是很合适的，在高温度时，将用对短波敏感受的，由错，硅，铟-镓等组成的光 电传感器。在选择光谱敏感性时，还要考虑对氢气和二氧化碳的吸收光谱带。在一定的波长范围内，即 所谓的“大气层窗”，H2和CO2对红外线几乎是穿透的，因此高温计的光变敏感性必须在 此范围内，以便排除大气层浓度变化带来的

26、影响，在测量薄膜或玻璃时，还要考虑到这些材 料在一定波长内不易穿透的。为了避免背景光线引起的测量误差，运用相宜的，只接收表面 温度的传感器，金属有此物理特性，发射率随着波长的减小而增大，经验而谈，测量金属的 温度，一般选择最短的测量波长。三、发展趋向如许多的传感技术领域，高温计的发展趋向也走向小型的，精巧的造型，圆型的，带有中央 螺纹的外壳是最理想地安装于机器和设备的造型，这一发展趋向的实现，是通过不断的电器 部件微型化，及高度的微积分使得愈来愈小的，愈来愈精致的电器部件浓缩于愈来愈小的空 间。与过去模拟技术相比，通过微控件的应用，提高了检波器信号线性化高度的精密性，因 而也提高了仪器的精确度

27、。市场供应需要快速的，价廉的测量值接收，它能直接输出一个与温度成比例的，线性的电流/电压信号，测量值得处理，如平整功能，特殊值储存，或边界接触将放置在智能显示器， 调节器或SPS（程序控制器）上，通过电缆外接的发射率调整，可以危险区外，即便机器开 动着，也可修正，这时也可由SPS来调整。通过身控件的运用，现在可毫无问题地实现数据总线接口，但网络连接至今还未实现，对信 号的继续处理，还延用过去的标准模拟信号。在检波器段，用了新的材料作光电传感器，证 实了敏感性的提高，乃至分辨率的提高。在热膜传感器中，新的传感器只需要更短的调整时 间，带瞄准器高温计的最新发展，是变焦的更换镜头，不用校准复检即可替

28、换，对不同的测 量位置用同一基础仪器，节约了仓库管理费用。四、选择高温计的主要标准高温计的运用主要由测量范围所决定，不论是测量电压，还是测量区域的始值，都应与测量 工作的要求相符，选择愈大的测量电压，分辨率就俞小，因而准确性就差，特别在低测量温 度始值时，选用大的测量电压，准确性将成倍的减小，因而值得推荐的是，选择可能的最小 测量电压。测量区域的始值时决定了光谱的敏感性，以至也决定了检波器的型号，测量的误差由于发射 率的错误调整，在短波的传感器要明显地比长波传感器小，所以在热膜传感器（814pm） 800r时，由于发射率的错误调整所引起的测量误差，将五倍的大于错-光电二级管的传感器 （1,11

29、,6pm）。错-光电二级管的传感器容许的测量范围从大约250C起。举例说明，在陶瓷工业或发电厂的燃烧过程，测量范围通常在01300C。为了避免大的误 差产生，应该选用短波检波器的高温计。尽管它的高测温值从2501300C另一个选择合适高温计的标准是间距比例。这里指的是测量距离和测量点直径的比例关系， 如果被测物小，测量距离大，或所谓的“热点”在大面积上，那就需要大的间距比例。相反 如果大面积的测量点，由于传感器对测量点的是间值有一个稳定的输出信号，固选用小的间 距比例。另外要确定的是，高温计是否带瞄准器装置，因为瞄准器装置将提高50%的成本，这里关 键是一个价钱的部下，在大面积的测量物体时，通

30、常可以不要组装进瞄准器，代之的是一个 外接的瞄准器，它将用于高温计在安装时的矫正，这样就有价格上优势，众多的测量处只需 一个瞄准器。对小的测量物体或者远离的测量距离就需随时能瞄准的可能。在一个带仪表板刻度的透光 镜，人们可看清测量点的实际大小，价格便宜的是用激光指向点，但它只能逐点进行测量， 在测量闭式炉等相似类时，需要一个透视窗。由此需要决定，高温计是否需要，及南非要哪些功能？如平整功能，特殊值储存，边界接触 或电脑接口，为了高温计的相适于测量物表面，发射率调整的可能有性是必须的，其他的功 能可以价廉地通过连接记录仪，调节器或程控机来实现。此外，对某些运用来说，外型结构也是决定因素，在较高的

31、环境温度下，高温计以镜头只带 光学部分，由光导电缆连接电器部分，放置于远离高温地带，优点在于，可以节约冷却装置。最后是高温计型号，是光谱高温计，还是比率（双色）高温计，光谱高温计接收一个波长的 辐射密度，与此不同的是比率高温计带双重传感器二个单一的传感器，它将测量二个不同波 长的辐射密度，这二个检波器信号的比便再现温度的比例关系，由于中间介质如蒸汽，灰尘 在高温计的辐射内，或发射率的变动，至一定的范围内，这二条线路不显示信号变动。但单 色光谱高温计将马上显示此变动，故此率高温计优先用行管式转炉或在金属制造和加工业 中，辐射干扰较严重的场合。五、运用举例不同高温计的运用可能性是极其广泛的，近几年内的价格大幅度下降开辟了愈来愈多的运用 领域，特别在低温区域或用于替换一般的传统温度计，下面的实例是关于使用及解答案的概 况。1、混凝土加工业在混凝土加工时，温度是对凝结时间和由此而定的坚固性起关键作用，特别是安全混凝土， 得达到一定的加工温度，接触探针将机械地由于水泥的腐蚀作用而很快损坏。而高温计即可 直接接受搅拌滚筒的温度，也可是混凝土出口时的温度，因为ISO9000的质量检验的需要， 温度必须与其它的生产参数一起以文件形式被记录下来，上于脏乱的工业环境，需要十分坚 固的，如防尘，防水的测量镜头，为了防护高温计