红外原理及应用

1热能、红外能和温度的

基本原理2热能箭头越长，移动速度越快3光谱强度热能储存在高于-273ºC的物体内这些能量使原子振动并产生电磁波高温的物体具有大量的红外能，使原子运动更活跃并产生大量的红外辐射用表面系数－发射率来衡量物体辐射发射率反映物体的灰度4红外辐射它是类似于可见光、X-射线和无线电波的电磁波它是由物体内的分子和原子的运动产生的它具有微米级分子振动的特点例如：无线电发射器发射和接收无线电波5X-射线紫外线可见光红外线微波T.V.无线电波可见光近红外中红外远红外超远红外0.11101000.1µ1µ10µ100µ0.1cm1cm10cm1m10m100m1km.4µ.6µ.8µ1.5µ2µ3µ4µ6µ8µ10µ15µ20µ30µ可见光：紫、蓝、绿、黄、红电磁波频谱图6红外能的属性所有的物体散发红外能红外能具有和可见光同样的属性

-以光速直线传播

-会被物体表面反射

-能穿透红外窗口7热能和温度-

绝对零度的关系绝对零度水的冰点水的沸点开氏摄氏华氏8能量和温度的关系辐射的能量和物体的温度之间存在比例关系-物体辐射出的能量随着物体温度上升而增加-物体辐射出的能量随着物体温度下降而减少辐射出的总能量是温度和发射率之间的函数关系完全不能透过的物体对于所有波长都存在

-温度在650℃以上时，能量是肉眼可见的9红外能和波长的关系辐射能量随温度的升高而向短波方向移动10能量的穿透、吸收和反射反射能量入射能吸收能量透过能量EEREAET发射率=EA/E入射能被吸收、发射或穿透E=ER+ET+EA11黑体能量曲线1000℉0714能量史蒂凡-伯兹曼法则普朗克分配法则维恩分配法则波长750℉500℉150℉12黑体的定义假设有一种物体，在任何温度下都能全部地吸收投射到其表面上的任何波长的辐射能量，称之为黑体黑体吸收所有的入射能所有的黑体辐射与方向无关在给定的温度和波长条件下，没有任何一种其它物体的表面能够比黑体发射出更多的能量13灰体表面和非灰体表面灰体：发射率恒定，不随波长而变化

-例如大部分陶瓷和非金属材料非灰体：发射率随波长而变化

-例如大部分金属制品，如钢、不锈钢、电炉钢、高强度钢、优质合金、镀锌、镀锡和镀铝层都是非灰体-非灰体波长越短发射率越高14发射率和表面特征非灰体=发射率低且随波长而变化发射率123456789101.00.80.60.40.2黑体/近黑体：发射率高且恒定灰体：发射率较低且可变化12M波长15发射率的科学定义发射率:理论上一个物体发射出的红外能量与完全黑体（理想发射体）在相同温度下发射出的红外能量的比值E=测量值/理论值16发射率的简单定义发射率:对于不透明的材料，发射率与反射率是相对的发射率（E）=100%-反射率17发射率的定义发射率就是：某一物体发射出的红外能等同于它吸收的红外能的属性发射率=吸收率发射率=100%-反射率-透过率18发射率的定义波长能量发射率=1.0发射率=0.75发射率=0.50

实际发射能量

理论发射能量

E=1-r-tE=发射率r=反射率t=透射率E=19发射率和表面特征发射率

-与目标物体材质和表面状况有关-数值介于0.000-1.000，1为黑体（完全辐射）-与颜色无关对于大部分材料，发射率相对高而稳定诸如金属这样的材料，发射率小于1，而且会随着表面氧化程度、粗糙度、晶体结构以及镀层材料的变化而改变20发射率和表面特征下列因素的改变可能引起发射率的改变-材料或合金

-表面氧化度-表面粗糙度-微观结构-表面污垢-测量角度

-波长21几种常见材料的发射率金属材料及其氧化物

-抛光铝.04-钝化铝.82-抛光不锈钢.23-轻度氧化不锈钢.33-高度氧化不锈钢.67非金属材料

-混凝土.88-.93-油漆/氧化锌.92-耐火砖.40-瓷土砖.70-水.9222水和二氧化碳在空气中的红外频谱图波长传导23冷轧带钢的发射率和波长的关系冷轧钢的普通光谱发射率发射率波长(m)24温度测定的方法传统的温度传感器

-产品:热电偶、电阻式温度计、测温仪-特点:测量自身温度,响应时间长,必须与被测目标接触测量,低价格红外温度传感器

-测量目标温度,响应时间短,无需接触测量,价格范围广-和传统的接触型温度传感器无直接的竞争25需采取非接触式测温的对象移动的目标间断的目标

由于恶劣的环境、接近困难、安全问题和电磁干扰等原因无法接近的目标需要快速响应的目标真空中的目标传统的热电偶和电阻式温度计无法准确测量的目标26红外测温仪亮度测温仪（单波长测温仪/单色测温仪）

-实际物体（非黑体）在某一波长下的单色辐射亮度同绝对黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时，则该黑体的温度称之为实际物体的亮度温度。实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度比率测温仪（双波长测温仪/双色测温仪）多波长测温仪（其它测温仪）27威廉姆逊传感器技术和应用28公司简史牛顿在1720年发现了光谱普朗克、维恩、史蒂凡-伯兹曼在1900年研究出红外线的运算法则威廉姆逊于1959年制造出第一台便携式测温仪威廉姆逊于1969年开始进行穿透火焰的测量威廉姆逊于1970年开始测量塑料制品威廉姆逊于1977年获得低温自动校零专利威廉姆逊于1985年获得多波长专利威廉姆逊于2000年开始测量发射率29威廉姆逊产品的特点产品齐全强大的问题解决能力(以应用为导向)从基本情况到复杂情况下的应用先进的在线红外设计技术在红外应用方面超过50年的知识和经验遍及全球的销售渠道具有竞争力的价格优势卓越的顾客支持和售后服务威廉姆逊特有的产品性能30威廉姆逊产品相比同类产品的优势单波长、短波长低温自动校零设计双波长单检测器设计在苛刻的环境下可应用多波长独特的光纤光学能力，适合低温为行业领先的企业提供最好的设计为各种独特的钢应用场合提供多样性的设计铸造和热连轧（表面毛刺、水和蒸汽）有色加工和冷轧板材涂镀解决温度控制诊断包括发射率和带ESP过滤器的信号稀释等问题31双波长测温仪PRO-80系列PRO-90系列32红外温度传感器工作原理辐射能量红外传感器镜头和过滤器检测器电子元件机械包装目标温度监视和控制被测目标显示/电脑3334温度传感器的组成光学镜头收集辐射能量并准确地反映给检测器.这些镜头包括玻璃、石英、消色差透镜、锗和锌过滤器通过选择0.5到14微米之间的能量波长使得传感器的工作最优化检测器将接收到的红外能量信号转变为电信号.检测器的类型有锗、硅、铅等电子元件处理检测器接收到的信号并提供目标温度输出.输出可以被显示在仪表上或者被表现为与温度成线性关系的电流或电压的形式输出机械包装保护光学元件和电子元件并简化传感器的安装和维护35高级红外技术单波长技术

-在低温，短波和单波测定时的自动校零技术-低温（低于200-300℃）情况下低且可变的发射率测定-通过视窗测定的低温环境-用窄小的波长来避免干扰或测定可选的发射率双波长技术

-对可变的发射率、光的干扰、温度斜坡和错误的校准进行补偿-对于透过水和蒸汽观测和低温观测时提供独特的波长选择-有ESP技术支持的高级信号调节多波长技术

-用于非灰体的测量-有ESP技术支持的高级信号调节36独特的单检测器设计双波长

目标发射的红外能量双色目标发射的红外能量光学系统能量选择性滤光片交替的

A&B信号检测器比率温度计算光学系统红外滤光片

A:0.7-1.08µm顶部检测器比率温度计算A&B输出信号底部检测器

B:1.0-1.08µm能量37三明治类型处理器的响应

m0.60.50.40.30.20.10.00.00.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2顶部检测器绝对响应率底部检测器38零点漂移的热稳定性随检测器温度变化的输出变化%+5+4+3+2+1

0-1-3-4-5-20.40.50.60.70.80.91.01.11.2典型的过滤器威廉姆逊双波长0.71&0.81µm+/-0.02µm其它同类产品双色/比色0.7-1.08µm&1.0-1.08µm+10F+1F-1F-10F波长(m)39自动校零的优势自动校零传感器为低温、低发射率的应用场合提供更高精度和重复性的测量

-一个短的波长将对发射率变化和光学污染的敏感度减小至最小程度-此类型传感器的专利设计提供２０次／秒的自动校核，以消除噪声和漂移。用于测量低温度的金属通过蒸汽和一般的窗体来观测40可重复性（零点漂移）每一台传感器都以完全黑体为标准在测试室中被检测标定检测可重复性并寻找产品瑕疵在环境温度为0到60℃的范围内重复度误差为1℃我们将产品安装在最合适的环境中过热是我们产品最主要的维修原因后台软件记录温度数据41高级电子信号的调节发射率测定自动诊断的维护长期稳定性长期可靠性高级电子信号的调节测量温度测量信号强度不带ESP带ESP测量温度带ESP不带ESP测量信号稀释42信号稀释能力当信号被稀释时能准确地测量典型的应用对象稀释能量信号的因素是

-低的表面发射率、错误的校准、光学污染（脏的镜头、灰尘、蒸汽…）和表面污染43信号稀释因子的特性传感器温度范围红外能量低能量级别双色双波长

传感器信号低能量界限信号稀释因子=低中高传感器信号44光纤的应用带瞄准光源或激光瞄准的光纤传感器机械障碍镜筒组件视野(FOV)光纤光纤附件-铠装-不锈钢管-鹅颈管-柔软的光纤套管-密封套-单纤维丝被测目标45耐久度很高的传感器包装带铠装的PRO-90系列46校准精度以黑体物质为标准使用NIST校准手册提供NIST校验证书和相关文件校准由电脑完成47黑体校准500型校准系统500–1500℃452型校准系统40–875℃48环境温度实验室49温度应用-红外测温仪T(系统误差)=T(发射)+T(透过)+T(背景)+T(仪表)+T(校准)完全视野目标充满整个测量区域局部视野目标未充满整个测量区域，但居中曲折视野目标不充斥整个测量区域，并且在此区域内移动测量目标区域背景反射传感器的视野目视的传感器被测物体的复杂的发射率特性光学介质烟尘蒸汽水雾等离子脏的视窗部分被遮挡50单波长传感器测定目标平均温度值受到发射率的变化、光的干扰以及幅射背景能量的影响需要手动设定发射率受波长影响!51单波长传感器特点短波长可减少由于发射率变化、光的干扰以及错误校准引起的误差透过蒸汽、火焰以及燃烧物体观测时，波长可以被调节为最佳观测火焰或烟雾时，波长可以被调节为最佳52单波长传感器的应用焦炭输送带保护CO火焰监测钢包/耐火材料预热加热炉加热区双相钢退火低温带钢或棒材（冷轧、镀线）热处理炉热金属检测53发射率补偿单波长传感器假定发射率是恒定的短波传感器(1-2微米)将由发射率和光学污染物引起的误差减至最小特殊波长可以透过蒸汽、火焰和普通的窗体材料来进行观测其中测量的可重复性是一个需要特别重视的问题54短波传感器与长波传感器的比较发射率变化10％或光的干扰增加10％时短波(2m)传感器与长波(8-14m)传感器产生的误差比较测量温度测量温度传感器传感器温度变化温度变化55高性能双波长设计单检测器设计可以灵活选择最优的波长并提高在热辐射区域、火焰、水和蒸汽等环境下的使用效率单检测器设计的优势

-高信号稀释能力

-经挑选的测温仪产品可透过蒸汽和水雾观测-校准的长期稳定性PRO系列对信号稀释和发射率的显示、报警、监测和高级的信号处理能力56双波长的特征对发射率的自动补偿对表面毛刺和氧化物进行补偿可透过灰尘、脏的镜头和水雾进行观测记录观测到的最高温度

-即使只通过局部观测也能准确完成测量-对于小的和移动的目标,如金属丝和熔流(连铸)的测温有良好的效果

测量目标发射率和信号稀释在信号稀释和信号强化上使用高级ESP过滤器校准的长期稳定性57双波长传感器特点波长分离可使传感器测量更加稳定而且更加适应范围和温度的变化抗光干扰的能力可由信号稀释因子测量可选择性的波长可适应水、蒸汽、火焰以及燃烧物体

58双波长传感器补偿发射率的变化，通常测量观测到的最高温度值能够透过干扰介质进行观测只要充满部分视野时就能进行有效的测量，如线材和棒材受到E斜坡系数、波长可变的光学干扰以及过热背景反射的影响受波长影响！59双波长传感器的应用焦化应用烧结矿块铁水/真空炉连铸结晶HSM二次加热炉均热区热轧(表面毛刺、水和蒸汽）焊接温度热处理炉60双波长传感器的水层光谱图100806040200

0.60.70.80.91.01.11.21.31.41.5波长(m)透过率%透过0.094英寸水层透过0.375英寸水层61蒸汽和燃烧物体在常用工作波段下对测量的影响波长（m）相对响应率来自蒸汽、火焰和燃烧的副产品的干扰常用波段62透过蒸汽和燃烧物体观测时对波长的选择波长（m）相对响应率威廉姆逊的波长来自蒸汽、火焰和燃烧的副产品的干扰63对来自干扰介质的信号稀释的补偿加热目标观测视野(FOV)传感器干扰介质-烟-雾-灰尘-不干净的视窗蒸汽-不完全的视野

电磁干扰64穿透、反射和障碍物对能量的干扰最小化干扰的方针

-将传感器设置在远离反射的地方-在传感器的操作波长下被测目标是不透明的(即不被穿透的)

-视线清晰被测目标来自环境的能量反射目标辐射的能量穿透背景能量传感器视野65多波长传感器为难以测定的材料和有挑战性的应用对象设计。广泛应用于各种场合，包括普通传感器不能应用的场合用多个波长来测定被测物体的发射率多波长传感器利用可编程的ESP算法为非灰体物体测量提供了“即瞄即读”功能，而用单波长或者双波长传感器都无法精确测量非灰体物质的温度66多波长传感器的应用场合钢退火线冷轧带钢有色金属和合金

-预热、锻模、热处理有色金属的镀层作业玻璃烧铸的温度测定单波长和双波长不能使用的场合67对复杂的发射率的补偿运算法则对由诸如以下物质的表面变化而引起的非灰体发射率的变化进行补偿-氧化程度

-合金成分-温度-机械粗糙度-表面化学反应68多波长运算法则传感器类型关于发射率的假设方程式单波长传感器发射率()恒定或很高T/T=(*T/C2)*(/)双波长传感器发射率低或变化并且1=2能量1/能量2多波长传感器发射率低或变化并且12T=F(能量、发射率、波长)69发射率特性的样本1.00.10.20.30.40.50.60.70.80.900500100015002000250030003500氧化铁石墨抛光钢温度(℉)发射率总量70在镀锌板用单波长、双波长和多波长传感器进行测量的特性比较双波长多波长71单波长、双波长和多波长传感器用于钢材退火线的特性假定带钢温度为760℃单波长传感器：发射率设定为0.3双波长传感器：E斜坡设定为1.0多波长传感器：ESP运算设定为退火表面发射率温度误差℉温度误差℃72退火线上温度和发射率的变化

多波长和单波长温度传感器的比较多波长单波长测量的发射率温度发射率时间（24小时）73单波长传感器误差和发射率的关系（薄板退火线,发射率=0.460）74镀锌薄板75不同波长的不锈钢温度测量

ESP算法能够补偿发射率从0.4到0.9的变化温度传感器单波长传感器双波长传感器多波长传感器平均变化标准偏差-23℉29℉1℉32℉53℉5℉76铁水灰度的测量样本温度℉经过的时间信号强度/信号稀释参考温度PRO系列温度信号强度:ESP过滤器<0.5信号稀释/1000:ESP过滤器>0.177带有ESP算法的温度输出经过的时间温度℉由于反射，不带有ESP过滤器的传感器读数比实际要高由于烟的干扰，不带有ESP过滤器的传感器读数比实际要低参考温度带有ESP过滤器的传感器当烟雾减少了接收信号时自动打开，而当反射过高以致影响到测量准确度时自动关闭78红外测温仪在钢铁企业的应用钢铁企业的应用焦炉高炉炼钢热连轧(板材和棒材)退火线冷连轧镀板线连铸80焦炉炭化室推焦机火焰监测11281焦炉光纤PRO91用于记录炭化室完整的温度变化需要确定不均匀的温度范围和查找热点和冷点导航眼传感器用于检测火焰导航82焦炉独特的双波长光纤传感器和铠装套管记录焦碳释放的温度从而确定热点和冷点独特的热点探测器能够保护橡胶传送带独特的CO火焰探测器确保了焦化过程的完整和燃料的节省83高炉热风炉热风鼓风口铁水包出渣口鱼雷铁水车高炉本体监测221212284高炉光纤PRO91用来得到难以监测的炉内温度PRO81安装在出渣口后部接近出铁口的位置以测量铁水温度温度指示被灌入鱼雷铁水车的铁水的温度状态Transtemp1500测量热风中的CO285高炉独特的可选择波长使用单波长或双波长传感器透过燃烧的gasses来监测炉内砌体耐火材料的温度是否合适.独特的ESP过滤器被安装在出铁口，出渣口的后部或鱼雷铁水车内，以监测铁水温度.独特的CO火焰探测器确保了焦化过程的完整和燃料的节省.86炼钢钢包衬里温度监测精炼炉带护罩的探测器火焰监视器122287炼钢使用光纤传感器来控制耐火材料预热温度，从而减少燃料消耗铁水灌入钢包时的温度监测和对炉渣的自动监测带护罩的热点探测器对炉内耐火材料的损耗程度进行监测88炼钢在预热过程中对耐火材料温度的直接测量不仅可以节省预热时间和燃料消耗，也可以延长耐火材料寿命.观测铁水灌入钢包时的温度，从而实现对炉渣的自动监测.耐火材料损耗至一定程度时，炉内探测器会发出警报.89连铸结晶器出口水冷装置输出辊道222单辊/多辊测量90连铸对结晶器出口温度监控以控制流入原料的恒温状态PRO81和91用以密封容器（水冷装置）的观测，从而防止不均匀的冷却，破裂和装备损耗PRO81用来监控输出辊道的温度91连铸

通过在结晶器出口和输出辊道等位置对板材温度的监控，调节最佳的钢水流出速度以避免破裂和膨胀，并将夹辊的损耗减少至最小。92热连轧(板材或棒材)加热炉炉口探测器轧辊板材/带钢的上部和下部卷取机1122293热连轧应用背景补偿系统对加热区的温度监控对入炉板坯和出炉板坯的温度监控Pro81用来测定板材顶端的温度，PRO91用来测定板材底端的温度PRO82用来测定卷取机的温度

94热连轧/加热炉板材进入温度短波测板的温度确保了板材进入时准确可靠的温度读取板材温度–加热炉浸泡区独特的双波长设计对表面毛刺,炉壁,燃烧的gasses和火焰进行补偿热连轧机独特的双波长设计使得透过很浓的蒸汽和水观测成为可能

热轧卷取机双波长对透过水观测进行补偿,多波长对辐射率进行补偿适用于双面钢的独特产品独特的热金属探测器

保障了在高蒸汽,高灰尘和高水雾的条件下的观测95加热炉温度监控温度℃加热均热开门96在加热炉内使用威廉姆逊传感器PRO81-50和PRO91-50系列具有独特的优势过滤器的合理设计和选择将背景能量问题最小化红外过滤器的分离克服了使用时的噪音问题提供诸如水冷视觉瞄准或铠装光纤等附件产品在传感器诊断方面使用辐射率和信号稀释数据

97带铠装的Pro90系列测温仪测定带钢底部温度98威廉姆逊在热连轧方面的优势对带钢和棒材温度实时监控，从而调节最佳速度准确的温度监测保障了产品良好的机械特性消除了破裂和弯曲，并且操作更简易提高了对外型的控制对发射率的实时监控解决了表面质量问题透过蒸汽、水雾和表面毛刺进行观测将温度、压力和速度作为三个重要的变量予以考虑提高了生产的效率和质量99红外测温仪在退火线上的应用100退火线焊机加热带钢浸泡区/冷却区带钢21M101退火线–热背景补偿H测温仪水冷视管R热耐火材料热带钢102退火线-热背景补偿可视管高度和半径比（H/R）测量误差℃背景温度℃背景温度误差模拟103退火线–低角度技术qXR104退火线-低角度技术表面发射