紅外測(cè)溫原理及其應(yīng)用精要

1、logo1 紅外測(cè)溫發(fā)展過程紅外測(cè)溫發(fā)展過程v1800年 威廉赫謝爾發(fā)現(xiàn)紅外線v1828年 msweeny第一個(gè)輻射溫度計(jì)v19世紀(jì)末 消隱光學(xué)高溫計(jì)v1901年 全輻射測(cè)溫儀專利(fery)v1931年 商用全輻射測(cè)溫儀問世 (leeds&northrup company)v60年代后 迅猛發(fā)展v近二十年 雙色、光纖、掃描等william herschel1738 - 18221 紅外測(cè)溫發(fā)展過程紅外測(cè)溫發(fā)展過程可見光紫外光紫外光紅外光紅外光x-射線射線gammarays無線電波無線電波ehf shf uhf vhf hf mf lf vlf0.1a1a1ua100a0.111010

2、01cm0.1cm10cm1m100m 1km10km 100km波長(zhǎng)10m30201510864321.510.80.60.4波長(zhǎng) (um)常用紅外光譜范圍2 紅外測(cè)溫的原理紅外測(cè)溫的原理v紅外測(cè)溫儀可捕捉從所有物體輻射出的紅外能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分，電磁頻譜中包括無線電波、微波、可見光、紫外線、伽瑪射線和x光。2.1 紅外測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)紅外測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)v在自然界中，當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度 (-273c)時(shí)，由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在，就會(huì)不斷向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75100m紅外線。不透明的材料制成帶小孔的空腔,可近似看作黑體。2.2 黑體黑體v在給定的溫度和

3、波長(zhǎng)下，物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)最大值，這種物質(zhì)稱為黑體，設(shè)定它的發(fā)射系數(shù)為1。其它發(fā)射系數(shù)在0-1之間的物質(zhì)稱為灰體。v它是一個(gè)理想輻射體，表明它的自身能量可以全部向外界輻射出來，但自然界中并不存在這樣的理想黑體。2.2 黑體黑體v黑體爐即為人工制造的性能接近理想黑體的輻射標(biāo)準(zhǔn)源，用于定期對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定。 2.3 普朗克定理普朗克定理v雖然自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定理，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度。max planck 1858 -19472.

4、3 普朗克定理普朗克定理v式中，式中，(2-1)2.3 普朗克定理普朗克定理圖2.1 黑體輻射的光譜分析2.3 普朗克定理普朗克定理v2.3 普朗克定理普朗克定理v不同溫度的輻射曲線永不會(huì)相交v隨溫度增加，輻射能量增大而峰值波長(zhǎng)減小，波長(zhǎng)與溫度成反比黑體輻射光譜黑體輻射光譜曲線曲線的特性的特性123456 7 8 9 10 11 12 13 141500c 1000c542c 260c 20c 輻射能量輻射能量波長(zhǎng)（微米）波長(zhǎng)（微米）102101110-110-210-310-402.4 斯特潘斯特潘-玻爾茲曼定理玻爾茲曼定理v(2-2)式中，式(2-2)中黑體的熱輻射定律正是紅外測(cè)溫技術(shù)的理

5、論基礎(chǔ)。2.5 熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述v(2-3)2.5 熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述v所測(cè)物體的溫度為：v式(2-4)就是物體的熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述。(2-4)3 紅外測(cè)溫儀工作原理紅外測(cè)溫儀工作原理窗口和光學(xué)系統(tǒng)窗口和光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)目標(biāo)環(huán)境環(huán)境探測(cè)器探測(cè)器顯示及輸出顯示及輸出453sp1 470ems ?85紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚集在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。3.1 紅外測(cè)溫儀特點(diǎn)紅外測(cè)溫儀特點(diǎn)v非接觸測(cè)量：它不需

6、要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷。v測(cè)量范圍廣：因其是非接觸測(cè)溫，所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下。一般情況下可測(cè)量負(fù)幾十度到三千多度。v測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)間快。只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。3.1 紅外測(cè)溫儀特點(diǎn)紅外測(cè)溫儀特點(diǎn)v準(zhǔn)確度高：紅外測(cè)溫不會(huì)與接觸式測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布，因此測(cè)量精度高。v靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測(cè)出，可進(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量和溫度分布測(cè)量，以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。v使用安全及使用壽命長(zhǎng)。3

7、.1 紅外測(cè)溫儀缺點(diǎn)紅外測(cè)溫儀缺點(diǎn)v易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）。v對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大。v只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度。4 紅外攝像法測(cè)量切削溫度紅外攝像法測(cè)量切削溫度v本世紀(jì)五十年代以來，根據(jù)使用的測(cè)量?jī)x器的不同，利用紅外技術(shù)測(cè)量溫度場(chǎng)的方法可分為兩類：紅外點(diǎn)溫度計(jì)法和紅外照相法。v使用紅外點(diǎn)溫度計(jì)，被測(cè)點(diǎn)的溫度是一定面積上的平均溫度，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)外被測(cè)點(diǎn)的面積還不能足夠小，而且測(cè)量點(diǎn)在切削區(qū)的坐標(biāo)位置不易確定。v紅外照相法從原理上來說是比較理想的測(cè)量方法，可以得出完整的切削區(qū)溫度場(chǎng)。但是測(cè)溫系統(tǒng)的響應(yīng)速度太不理想，在

8、實(shí)際應(yīng)用中有較大局限性。4 紅外攝像法測(cè)量切削溫度紅外攝像法測(cè)量切削溫度v八十年代后期發(fā)展起來的紅外攝像法較上述兩種方法具有更好的準(zhǔn)確性和更快的響應(yīng)速度。v工作原理是：物體發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過攝像鏡頭后打在紅外攝像機(jī)內(nèi)部的紅外光敏元件板上，該板將輻射能轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，由于溫度場(chǎng)內(nèi)不同溫度的各點(diǎn)向外輻射紅外線的強(qiáng)度不同，所以經(jīng)過紅外敏感元件板后得到的電壓信號(hào)的強(qiáng)弱也不同，當(dāng)這些不同強(qiáng)度的電壓信號(hào)在攝像機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)化成為全電視信號(hào)并反映在電視監(jiān)視器上時(shí)，就會(huì)由于其灰度值的不同而產(chǎn)生亮度依次變化的溫度場(chǎng)圖像。4 紅外攝像法測(cè)量切削溫度紅外攝像法測(cè)量切削溫度v亮度較大的地方，表示該處的溫度較高；反之，表示溫

9、度較低。這些原始的溫度場(chǎng)圖像通過錄像機(jī)記錄在磁帶上。v初期錄像結(jié)束后，還要對(duì)原始圖像進(jìn)行圖像處理，主要工作是在帶有彩色監(jiān)視器的個(gè)人計(jì)算機(jī)上完成。v原始圖像經(jīng)過圖像接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行濾波、偽著色等處理過程，根據(jù)亮度不同，設(shè)置16個(gè)灰度值，將灰度值相等的區(qū)域著上同一種顏色，不同顏色代表不同的溫度值，這樣就可以得到溫度場(chǎng)圖。4 紅外攝像法測(cè)量切削溫度紅外攝像法測(cè)量切削溫度v現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，將紅外攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)處于切削狀態(tài)的刀具，在刀頭的下方加一個(gè)平行光源，這樣可使溫度場(chǎng)處于刀具輪廓的背景中，同時(shí)也既反映了溫度場(chǎng)，又反映了溫度場(chǎng)在刀具上的相對(duì)位置。如圖4.1所示：4 紅外攝像法測(cè)量切削溫度紅外攝像法測(cè)量切削

10、溫度圖4.1 紅外攝像法測(cè)溫裝置5 紅外攝像法測(cè)量切削溫度紅外攝像法測(cè)量切削溫度v為了準(zhǔn)確地測(cè)定刀具刃區(qū)溫度場(chǎng)，避免切屑干擾，在工件的外圓上磨出一個(gè)平面，刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)到這個(gè)平面時(shí)，切屑斷開，刀頭全部露出，這時(shí)就可以測(cè)得刀具刃區(qū)溫度場(chǎng)了。5 熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)v采用紅外熱成像技術(shù)接收物體發(fā)射的輻射熱，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以紅外信號(hào)輸出，同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，可測(cè)較高的溫度、導(dǎo)熱系數(shù)較小的物體及很微小面積上的溫度，并且精度高、響應(yīng)快，不破壞被測(cè)溫度場(chǎng)，因此適宜陶瓷刀具切削區(qū)的高溫動(dòng)態(tài)測(cè)試。v圖5.1是熱像儀測(cè)定陶瓷刀具前后刀面溫度場(chǎng)的示意與裝置圖

11、。5 熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)圖5.1 熱像儀測(cè)定陶瓷刀具后刀面（a）前刀面（b）的示意與裝置5 熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)v圖5.1(a)中，測(cè)量后刀面溫度時(shí)，在夾持刀具的刀架(5)上引出一縱向底板(6)，其上固定放置熱像儀探頭(7)，使得探頭與刀具相對(duì)位置不變而同時(shí)移動(dòng)。另外，切削過程中，刀具后刀面勢(shì)必被切削部位擋住(ab段），探頭無法探測(cè)。為此，將工件預(yù)先切除頸部(n),當(dāng)?shù)毒咔邢髦令i部a點(diǎn)（測(cè)試點(diǎn)）的瞬時(shí)，刀面露出，探頭即可測(cè)出其輻射溫度。5 熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)熱像儀法實(shí)測(cè)陶瓷刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)v

12、圖5.1(b)中，測(cè)量前刀面溫度時(shí)，在進(jìn)給機(jī)構(gòu)處引出一橫向底板(14)，其上焊有一支架(13)，支架上固定放置熱像儀探頭。底板可隨縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)一同移動(dòng)，使得熱像儀探頭可與刀具同時(shí)移動(dòng)。另外，切削過程中，不斷流出的切屑會(huì)擋住刀具前刀面，探頭無法探測(cè)，因此也要預(yù)先切出頸部(n)。當(dāng)?shù)毒咔邢髦令i部a點(diǎn)時(shí)，不再產(chǎn)生切屑，刀面露出瞬間，探頭從刀具正上方可測(cè)出前刀面輻射能。6 紅外照相法紅外照相法 v采用紅外照相法的車削溫度測(cè)量裝置，如圖6.1所示。圖6.1 紅外照相法測(cè)溫裝置示意圖6 紅外照相法紅外照相法 v測(cè)溫裝置安裝于車床橫溜板的機(jī)座板上，使刀具、照相機(jī)相對(duì)于工件排成一線；照相機(jī)配有專門的紅外輻射聚

13、焦調(diào)節(jié)裝置；刀夾可使照相機(jī)鏡頭盡可能接近工件表面，為避免切屑濺射的影響，照相機(jī)鏡頭用有機(jī)玻璃罩子罩住，鏡頭與工件表面之間設(shè)計(jì)了擋屑板，透過板上的小孔可對(duì)刀具和工件表面攝影（采用高溫紅外膠卷）。6 紅外照相法紅外照相法 v測(cè)量溫度前，首先用熱電偶進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)，即熱電偶由電加熱并在不同溫度下照相，所需曝光時(shí)間通過預(yù)試驗(yàn)確定，顯影后的膠卷用顯微光密度計(jì)讀數(shù)，得到高溫紅外膠卷在不同曝光時(shí)間下光密度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定切削過程中工件或刀具的溫度。v用紅外照相法測(cè)定的切削溫度可用于研究切削溫度的分布情況。v紅外照相法近距離但非接觸測(cè)量，所以可以用來測(cè)量薄壁圓筒回轉(zhuǎn)件。7 紅外測(cè)溫注意

14、事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率發(fā)射率隨發(fā)射率變化隨發(fā)射率變化(非灰體非灰體)= 0.9 (灰體灰體)相對(duì)能量相對(duì)能量波長(zhǎng)波長(zhǎng) (微米微米)= 1.0 (黑體黑體) 發(fā)射率為物體的輻射度和與該物體具有相同溫度的黑體的輻射度之比7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率發(fā)射率發(fā)射率決定了實(shí)際物體的紅外輻射特性“理想黑體理想黑體”“實(shí)際物體實(shí)際物體”既是完全吸收體既是完全吸收體也是完全發(fā)射體也是完全發(fā)射體部分能量被反射部分能量被反射部分能量透過部分能量透過發(fā)射率發(fā)射率 =1=1發(fā)射率發(fā)射率 11iiiirateeee7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的分類發(fā)射率的分類材料發(fā)射率按光譜范圍分

15、為全波發(fā)射率、光譜發(fā)射率和在某光譜范圍的積分發(fā)射率。根據(jù)輻射方向不同分為半球發(fā)射率和定向發(fā)射率等；定向發(fā)射率中應(yīng)用最多的是法向發(fā)射率。這些不同的劃分可以組合出多種不同發(fā)射率參數(shù)。常見的發(fā)射率有四種：半球全波發(fā)射率為物體的輻射出度與同溫度下黑體的輻射出度之比。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的分類發(fā)射率的分類定向全波發(fā)射率為物體在指定方向的輻射亮度與同溫度下黑體的輻射亮度之比。半球光譜發(fā)射率為物體的光譜輻射出度與同溫度下黑體的光譜輻射出度之比。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的分類發(fā)射率的分類定向光譜發(fā)射率為在指定方向的物體的光譜輻射亮度與同溫度下黑體的光譜輻射亮度之比。

16、光譜發(fā)射率通常多指定向光譜發(fā)射率，即在指定方向上物體的光譜輻射亮度與同溫度下黑體的光譜輻射亮度之比。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定按照測(cè)量物理量劃分，發(fā)射率測(cè)量方法可分為兩大類：直接測(cè)量方法和間接測(cè)量方法。直接確定物體的發(fā)射率的方法統(tǒng)稱為發(fā)射率的直接測(cè)量方法。直接測(cè)量法即直接利用定義式，以黑體或已知反射率標(biāo)準(zhǔn)樣品為參考標(biāo)準(zhǔn)建立裝置，測(cè)量物體或材料的輻射量信號(hào)與同樣條件下的黑體之比為發(fā)射率。直接測(cè)量法又可以分為量熱法和輻射測(cè)量法。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定量熱法為通過測(cè)量樣品表面的輻射能量利用能量平衡得到發(fā)射率，一般多用于半球積

17、分發(fā)射率的測(cè)量。由于其需要精確知道表面的輻射熱量，對(duì)環(huán)境（一般要抽真空）、控溫和測(cè)溫水平要求較高，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，而且能量平衡狀態(tài)的不容易確定和保持也為測(cè)量帶來困難。因此一種同樣基于量熱法的非穩(wěn)態(tài)方法提出，即溫度衰減法。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定溫度衰減法是將一個(gè)表面積較大而質(zhì)量很小的樣品懸掛在具有冷卻內(nèi)壁的真空室內(nèi)，并加熱到顯著高于室內(nèi)壁溫度后停止加熱，測(cè)量樣品冷卻速度。從冷卻速度和已知材料樣品的表面積、質(zhì)量、比熱計(jì)算輻射熱損耗速度，從而求出半球積分發(fā)射率。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定輻射計(jì)法是直接利用發(fā)射率定義，以黑體或標(biāo)準(zhǔn)

18、樣品為參考標(biāo)準(zhǔn)建立裝置，測(cè)物體或材料的發(fā)射率。這種方法的好處是直接利用了發(fā)射率的定義式，得出物體或材料的發(fā)射率，物理意義明確、簡(jiǎn)單，避免了其他方法在計(jì)算推導(dǎo)發(fā)射率過程中引入其他參數(shù)不確定度的影響。但同時(shí)它的難點(diǎn)是待測(cè)樣品表面的溫度很難測(cè)準(zhǔn)，即很難保證黑體和待測(cè)樣品處于同一溫度。輻射計(jì)法多用來測(cè)量定向發(fā)射率。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定以上這種通過測(cè)量反射率得到發(fā)射率的方法統(tǒng)稱為發(fā)射率的間接測(cè)量方法，一般應(yīng)用于對(duì)低溫樣品的發(fā)射率測(cè)量。根據(jù)樣品表面特性又可分為對(duì)鏡面反射樣品和漫反射樣品的測(cè)量。對(duì)于漫反射樣品，一般應(yīng)用積分球法，

19、通過先測(cè)得材料的反射率，然后根據(jù)不透明物體發(fā)射率同反射率的關(guān)系和已知發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)樣品的發(fā)射率，求得待測(cè)材料的發(fā)射率。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定本文介紹采用直接測(cè)量方法選擇光柵單色儀方案，雖然測(cè)量難度大、測(cè)量速度較低，但原理經(jīng)典、數(shù)學(xué)模型明確，測(cè)量光譜帶寬窄，屬絕對(duì)測(cè)量方法，對(duì)于建立高精度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)具有理論優(yōu)勢(shì)。裝置測(cè)量原理如下圖所示：7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定光譜發(fā)射率測(cè)量裝置包括輻射源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。輻射源系統(tǒng)包括被測(cè)樣品加熱器、

20、黑體輻射源以及被測(cè)輻射體位移系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括光學(xué)平臺(tái)、紅外成像光路、單色儀。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)送入電測(cè)系統(tǒng)的鎖相放大器，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、計(jì)算。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過溫度控制器3將樣品穩(wěn)定在設(shè)定溫度，樣品加熱裝置1和黑體爐2通過電動(dòng)平移臺(tái)11的移動(dòng)，黑體和樣品先后經(jīng)過光路，經(jīng)鍍金球面反射鏡4、鍍金平面反射鏡5成像于光柵單色儀8的入射狹縫，單色儀入口前方加濾光片轉(zhuǎn)輪7；斬波器6置于單色儀入射狹縫前，以設(shè)定的頻率反復(fù)遮擋光路，使光路以固定的頻率通、斷；7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率的設(shè)定發(fā)射率的設(shè)定光路通的時(shí)候

21、探測(cè)器9探知的是黑體或樣品的輻射，斷的時(shí)候，探測(cè)器探知的是斬波器的輻射，由于斬波器以固定的頻率遮擋光路，且黑體和樣品的溫度遠(yuǎn)高于室溫，而斬波器的溫度約為室溫，所以探測(cè)器9上產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的交流電信號(hào)；鎖相放大器10對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集、處理。通過轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)12可以與樣品表面法向成一定角度，測(cè)量其他角度定向光譜發(fā)射率。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v發(fā)射率設(shè)定誤差造成的測(cè)量溫度誤差發(fā)射率設(shè)定誤差造成的測(cè)量溫度誤差1086420500100015002000250030008-14 微米微米1.0

22、微米微米使用盡可能短的測(cè)量波長(zhǎng)% 誤差誤差目標(biāo)溫度目標(biāo)溫度(度度)發(fā)射率誤差假定為 10%5.0微米微米3.9微米微米2.2微米微米7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v影響發(fā)射率的主要因素影響發(fā)射率的主要因素v材料種類v表面狀況(拋光,粗糙,氧化,噴砂)v表面幾何形狀(平面,凹面,凸面)v表面理化結(jié)構(gòu)狀態(tài)（如沉積物，氧化膜，油膜等）v透過率(例如塑料薄膜)v測(cè)量溫度v測(cè)量角度一般條件下測(cè)量非金屬物體表面溫度可以選擇固定發(fā)射率的紅外測(cè)溫儀。測(cè)量金屬表面溫度時(shí)應(yīng)采用發(fā)射率可調(diào)節(jié)的紅外溫度計(jì)。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v確定溫度范圍確定溫度范圍測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型

23、號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。因此，測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v確定距離系數(shù)確定距離系數(shù)探頭到目標(biāo)的距離測(cè)量斑直徑大小2.50.17.50.3140.6210.8331.3mm英寸002515027631305mm英寸測(cè)斑直徑測(cè)量距離= d:s7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v確定距離系數(shù)確定距離系數(shù)如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)該選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑最小位置

24、，近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v確定波長(zhǎng)范圍確定波長(zhǎng)范圍v并不是所有紅外波長(zhǎng)都適宜測(cè)量溫度，能夠順利通過大氣的紅外輻射主要有三個(gè)波長(zhǎng)范圍：0.9-2.5m、3-5m、8-14m，通常把這三個(gè)波長(zhǎng)范圍稱為紅外測(cè)溫儀的大氣窗口。在高溫區(qū)，測(cè)量金屬材料的最佳波長(zhǎng)是近紅外，可選用0.9-2.5m。低溫區(qū)測(cè)量一般選擇8-14m波長(zhǎng)的紅外測(cè)溫儀。其他溫區(qū)可選用1.6m、2.2m和3.9m。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v大氣窗口大氣窗口大氣中的水蒸氣、二氧化碳等對(duì)某些紅外輻射波段不吸收或極少吸收，有利于能量進(jìn)行傳輸從而能被紅外測(cè)溫儀探測(cè)到。這樣的特殊紅外波段即

25、為所謂“大氣窗口”。紅外波段的選取要考慮 “大氣窗口”的影響7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v目標(biāo)與視場(chǎng)目標(biāo)與視場(chǎng)要確保目標(biāo)大于儀器所測(cè)圓點(diǎn)的大小。目標(biāo)越小，則應(yīng)離得越近。如果精度非常重要，則要確保目標(biāo)至少是測(cè)量圓點(diǎn)大小的兩倍最好最好 一般一般 差差探頭探頭目標(biāo)大于測(cè)量視場(chǎng)目標(biāo)大于測(cè)量視場(chǎng)目標(biāo)等于測(cè)量視場(chǎng)目標(biāo)等于測(cè)量視場(chǎng)目標(biāo)小于測(cè)量視場(chǎng)目標(biāo)小于測(cè)量視場(chǎng)7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間表示紅外線測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要的時(shí)間。v對(duì)于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和快速加熱的目標(biāo)響應(yīng)速度快是必需的。v當(dāng)溫度變化緩慢時(shí)，響應(yīng)速度快通常是不必要的。v通

26、常響應(yīng)時(shí)間可調(diào)為最佳選擇。7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v環(huán)境條件環(huán)境條件當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。探頭附件7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)實(shí)際物體的測(cè)溫示意圖實(shí)際物體的測(cè)溫示意圖目標(biāo)目標(biāo)探頭探頭rte環(huán)境溫度環(huán)境溫度ii = 入射能量入射能量r= 反射能量反射能量t = 透射能量透射能量e= 發(fā)射能量發(fā)射能量7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)背景能量的影響背景能量的影響當(dāng)背景溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)應(yīng)進(jìn)行背景溫度補(bǔ)償背景溫度目標(biāo)7 紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)紅外測(cè)溫注意事項(xiàng)v紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定

27、紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。 8 雙色測(cè)溫儀雙色測(cè)溫儀v理論公式：t：目標(biāo)溫度a，b：常數(shù) ：第一波段內(nèi)發(fā)射率 ：第一波段內(nèi)發(fā)射率 ：第一波段內(nèi)目標(biāo)能量 ：第一波段內(nèi)目標(biāo)能量 ：坡度 （雙色測(cè)溫儀要調(diào)的是坡度而不是發(fā)射率）tbaeeeelo g()lo g()1212ee12/e1e2e2e18.1 如何利用雙色測(cè)溫儀？如何利用雙色測(cè)溫儀？v當(dāng)測(cè)量視場(chǎng)被遮擋時(shí)，或物體快速運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)比較小，單色測(cè)溫儀將產(chǎn)生測(cè)量誤差。v雙色測(cè)溫的原理：通過計(jì)算探測(cè)到的兩個(gè)波長(zhǎng)上的能量的比值，可以消除這種誤差。v比值

28、隨目標(biāo)溫度變化而變化。波長(zhǎng)波長(zhǎng) (m m)1.02.0比值比值(el l2/el l1) t00.10.20.30.40.50.60.70.80.91相對(duì)輻射能量相對(duì)輻射能量(e)l ll l128.2 雙色與單色測(cè)量比較雙色與單色測(cè)量比較讀數(shù)誤差(%) 與能量衰減讀數(shù)誤差(%)目標(biāo)溫度(度)100-10-20-30-40-50100-10-20-30-40-5050010001500*200025003000+ 0.75%- 0.75%單色: 50% 能量衰減單色: 80% 能量衰減單色: 90% 能量衰減單色: 95% 能量衰減雙色: 0% - 95% 能量衰減從右圖可見,雙色測(cè)量的誤差很

29、小,幾乎不變化。而且雙色只需要吸收物體5%的能量就可以測(cè)量到。不像單色紅外測(cè)溫儀需要吸收到物體95%的能量才能測(cè)量準(zhǔn)確。8.3 雙色測(cè)溫儀的應(yīng)用場(chǎng)合雙色測(cè)溫儀的應(yīng)用場(chǎng)合v測(cè)量視場(chǎng)部分被遮擋 煙霧，水汽，灰塵 不潔窗口v目標(biāo)比較小，小于測(cè)量紅外測(cè)溫儀的視場(chǎng)v運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，尤其是快速運(yùn)動(dòng)的物體v目標(biāo)發(fā)射率低或變化8.4 雙色測(cè)溫儀解決的問題雙色測(cè)溫儀解決的問題煙塵煙塵不潔鏡頭不潔鏡頭不潔窗口不潔窗口部分視場(chǎng)被遮擋部分視場(chǎng)被遮擋小于視場(chǎng)的目標(biāo)小于視場(chǎng)的目標(biāo)9 測(cè)溫儀的選型參數(shù)測(cè)溫儀的選型參數(shù)v測(cè)溫范圍/響應(yīng)波長(zhǎng)v距離系數(shù)（測(cè)量距離與目標(biāo)大小）v發(fā)射率設(shè)定v測(cè)量精度/重復(fù)性v響應(yīng)時(shí)間v瞄準(zhǔn)方式（激光、透鏡

30、、視頻、目視、瞄準(zhǔn)燈/鏡）v現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求/輸出方式10 紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用v紅外測(cè)溫儀具有非接觸和快速測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，按其使用的途徑可分為兩大類，首先是測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的表面溫度，其次是利用測(cè)量物體的熱分布狀況判斷物體與熱分布有關(guān)的其他性質(zhì)的間接測(cè)量。v舉例如下：v鋼鐵工業(yè)中使用的紅外測(cè)溫儀占總量的一半以上。10 紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用v在化學(xué)工業(yè)中，化工設(shè)備都在高溫高壓下工作， 監(jiān)測(cè)設(shè)備的熱分布狀況，判斷設(shè)備工作情況，檢測(cè)熱管道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。v在動(dòng)力、電力業(yè)方面，在運(yùn)行及帶電條件下檢測(cè)動(dòng)力設(shè)備、配電設(shè)備、電纜、電器接頭等溫度的異常，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供一

31、定的保障。v在建筑業(yè)中，通過對(duì)建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測(cè)確定它的絕熱、裂漏隱患及缺陷的位置。確定工廠、建筑物熱耗的管理。10 紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用v在農(nóng)業(yè)方面，土壤、植物表面溫度的測(cè)量，糧食、種子烘干過程中溫度的測(cè)量，農(nóng)副產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測(cè)，中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測(cè)。v在科學(xué)研究方面，由于紅外測(cè)溫儀的突出優(yōu)點(diǎn)，使得在特殊試驗(yàn)條件要求一能提供測(cè)溫手段，應(yīng)用范圍較廣。logo1 接觸式測(cè)量方法接觸式測(cè)量方法v接觸式測(cè)量?jī)x表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。但是因?yàn)闇y(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，所以其需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡。v接觸式測(cè)量?jī)x存在測(cè)溫延遲

32、現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫和耐低溫材料的限制，不能應(yīng)用于這些極端的溫度測(cè)量。1.1 膨脹式溫度測(cè)量膨脹式溫度測(cè)量v原理：利用物質(zhì)的熱脹冷縮原理即根據(jù)物體體積或幾何形變與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量。熱脹冷縮式溫度計(jì)包括玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬膨脹式溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)等。 v優(yōu)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可直接讀數(shù)，使用方便，非電量測(cè)量方式，適用于防爆場(chǎng)合。v缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度比較低，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且容易損壞。 1.2 電量式測(cè)溫方法電量式測(cè)溫方法v利用材料的電勢(shì)、電阻或其它電性能與溫度的單值關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量，包括：熱電偶溫度測(cè)量、熱電阻和熱敏電阻溫度測(cè)量、集成芯片溫度測(cè)量等。v熱電偶熱電偶的原理是兩種不同材料的金

33、屬焊接在一起，當(dāng)參考端和測(cè)量端有溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，根據(jù)該熱電勢(shì)與溫度的單值關(guān)系就可以測(cè)量溫度。v熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，適宜遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。 1.2 電量式測(cè)溫方法電量式測(cè)溫方法v熱電阻熱電阻是根據(jù)材料的電阻和溫度的關(guān)系來進(jìn)行測(cè)量的，輸出信號(hào)大，準(zhǔn)確度比較高，穩(wěn)定性好，但元件結(jié)構(gòu)一般比較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，不適宜測(cè)量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。v熱敏電阻熱敏電阻是一種電阻值隨溫度呈指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏感元件，具有靈敏度高、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，但其電阻值和溫度的關(guān)系線性度差，且穩(wěn)定性和互換性也不好。1.2 電量式測(cè)溫方法電量式測(cè)溫方法v石英溫度傳感器石英溫度傳感器是以石英晶體的固有頻率隨溫度而變化的特性來測(cè)量溫度的。石英晶體溫度傳感器穩(wěn)定性很好，可用于高精度和高分辨力