整理紅外線測(cè)溫儀原理及應(yīng)用

1、精品文檔精品文檔紅外線測(cè)溫儀原理及應(yīng)用摘要：測(cè)量溫度的方法有很多種， 溫度計(jì)大致可以分為接觸式測(cè)溫儀表和非接觸式測(cè)溫儀表兩類(lèi)。 其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計(jì)， 熱電偶式溫度計(jì)和熱電阻式溫度計(jì)等等。關(guān)鍵詞：紅外線 測(cè)溫 輻射 光纖 眾所周知，溫度是供熱，供燃?xì)?，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一。尤其在 熱工測(cè)量過(guò)程中， 溫度的精準(zhǔn)程度往往是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。 因此，一個(gè)精確 度高的測(cè)溫儀器在工程中是必不可少的。 因此本文就溫度測(cè)量工具中的紅外線測(cè) 溫儀的原理及應(yīng)用進(jìn)行一些介紹。一，紅外測(cè)溫的理論原理在自然界中， 當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)， 由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在， 就會(huì)不 斷的向四周

2、輻射電磁波，其中就包含了波段位于 0.750.75 卩 m10Qxmm10Qxm 的紅外線。他最 大的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長(zhǎng)下， 物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)最大值， 這種物質(zhì) 稱(chēng)為黑體，并設(shè)定他的反射系數(shù)為 1 1，其他的物質(zhì)反射系數(shù)小于 1 1，稱(chēng)為灰體， 由于黑體的光譜輻射功率 P P（入 T）與絕對(duì)溫度 T T 之間滿(mǎn)足普朗克定。說(shuō)明在絕對(duì) 溫度 T T 下，波長(zhǎng)入處單位面積上黑體的輻射功率為 P P（X T）。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可 以得到圖 1 1 的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：（1 1）隨著溫度的升高， 物體的輻射能量越強(qiáng)。 這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)， 也是 單波段紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。（2

3、2）隨著溫度升高， 輻射峰值向短波方向移動(dòng) （向左） ，并且滿(mǎn)足維恩位移定理 ， 峰值處的波長(zhǎng) 與絕對(duì)溫度 T T 成反比，虛線為 處峰值連線。這個(gè)公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y(cè)溫儀多工作在短波處，低溫測(cè)溫儀多工作在長(zhǎng)波處。（3 3）輻射能量隨溫度的變化率， 短波處比長(zhǎng)波處大， 即短波處工作的測(cè)溫儀相對(duì)信噪比高（靈敏度高），抗干擾性強(qiáng)，測(cè)溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長(zhǎng)處，特 別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。二，紅外線測(cè)溫儀的原理紅外測(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。 被測(cè)物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測(cè)器。 兩信 號(hào)的精品文檔精

4、品文檔差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度， 使反饋源的光譜輻射亮度和物體 的光譜輻射亮度一樣。顯示器指出被測(cè)物體的亮度溫度 三，紅外線測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用 測(cè)溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性，相對(duì)濕度，響應(yīng)時(shí) 間，電源 響應(yīng)光譜，尺寸，最大值顯示，重量，發(fā)射率等 1 1，確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫 儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。 因此，用戶(hù)的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、 周全， 既不要過(guò)窄， 也不要過(guò)寬。 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(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。2 2，確定目標(biāo)尺寸 : :

5、 紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀 （輻射比 色測(cè)溫儀） 。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)， 被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿(mǎn)測(cè)溫儀視場(chǎng)。 建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的 50%50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射 能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)， 造成誤差。 相反，如果目標(biāo)大于 測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于雙色測(cè)溫儀， 其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很 小，不充滿(mǎn)視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都 不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。 對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)， 雙色測(cè) 溫儀是最佳選擇

6、。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通 道上傳輸光輻射能量。3 3，確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由 D D：S S 之比確定，即測(cè)溫儀探頭到 目標(biāo)之間的距離 D D 與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。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)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。 光學(xué) 分辨率越高，即增大 D:D: S S 比值，測(cè)溫儀的成本也越高。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)， 而目標(biāo)又小， 就應(yīng)選擇高距離系數(shù)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， 近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。 存在兩個(gè)距離系 數(shù)。4 4，確定波長(zhǎng)范圍 ：目標(biāo)材

7、料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì) 于高反射率合金材料， 有低的或變化的發(fā)射率。 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 0.80.81.01.0 卩 m m 其他溫區(qū)可選用 1.61.6 卩 m,2.2m,2.2 卩 m m 和 3.93.9 卩 m m。 由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的， 紅外能量會(huì)穿透這些材料， 對(duì)這種材料應(yīng) 選擇特殊的波長(zhǎng)。精品文檔精品文檔5 5，確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(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%95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示 系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。 如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)

8、量快速加熱的目標(biāo)時(shí)， 要選 用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量精度。然而， 并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫儀。 對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱 慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。6 6，信號(hào)處理功能：鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，所以要求紅 外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如 測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。 否則測(cè)溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。 若用峰值保持， 設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間 稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。7 7，環(huán)境條件考慮：測(cè)溫

9、儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并 適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。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。 這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè)溫儀， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。 在確 定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。8 8，紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定：紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)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。四，影響紅外測(cè)溫儀的主要因素1 1 、測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測(cè)的目標(biāo)的有效直徑 D D

10、是不同的， 因而在測(cè)量小目標(biāo)時(shí)要注意目標(biāo)距離。 紅外測(cè)溫儀距離系數(shù) K K 的定義 為：被測(cè)目標(biāo)的距離 L L 與被測(cè)目標(biāo)的直徑 D D 之比，即 K=L/DK=L/D2 2、 選擇被測(cè)物質(zhì)發(fā)射率：紅外測(cè)溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率& =1.00=1.00）分度 的，而實(shí)際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于 1.001.00。因此，在需要測(cè)量目標(biāo)的真實(shí)溫度 時(shí)，須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從輻射測(cè)溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)中 查得。3 3、 強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量：若被測(cè)目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽(yáng)光或強(qiáng)燈 直射） ，則測(cè)量的準(zhǔn)確性將受到影響， 因此可用物遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背 景光干擾。精品文檔

11、精品文檔4 4、 小目標(biāo)的測(cè)量 應(yīng)將測(cè)溫儀固定在三角架（可選附件）上 需要精確調(diào)焦，即：用目鏡中小黑點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)（目標(biāo)應(yīng)充滿(mǎn)小黑點(diǎn)），將鏡 頭前后調(diào)整， 眼睛稍微晃動(dòng)， 如果被測(cè)小黑圓點(diǎn)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 則調(diào)焦就已 完成5 5、 溫度輸出功能（1 1）數(shù)字信號(hào)輸出一一 RS232RS232 RS485RS485 溫度信號(hào)遠(yuǎn)傳（2 2）模擬信號(hào)輸出一一 0 05V,5V, 1 15V,5V, 0 010V,10V, 0/40/42020 毫安，可以加入閉環(huán) 控制中。（3 3） 高報(bào)警、低報(bào)警一生產(chǎn)過(guò)程中要求控制溫度在某個(gè)范圍里 ， 可設(shè)置高， 低報(bào) 警值。高報(bào)警：在高報(bào)警設(shè)置打開(kāi)的情況下,當(dāng)溫度

12、高于高報(bào)警值,相應(yīng)的 LEDLED 燈閃爍，蜂鳴器響，并有 AHAH 常開(kāi)繼電器接通。五,紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)1.1. 非接觸測(cè)量： 它不需要接觸到被測(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。2.2. 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。3.3. 測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)問(wèn)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。4.4. 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。5.5. 靈敏度高：只要

13、物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測(cè)出?？?進(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量和6.6. 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。使用安全及使用壽命長(zhǎng)。六，紅外線測(cè)溫儀的缺點(diǎn)1.1. 易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等)2.2. 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3.3. 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)的溫度精品文檔精品文檔七，紅外測(cè)溫儀的使用注意事項(xiàng)( 1 1)必須準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率 ; ;( 2 2)避免周?chē)h(huán)境高溫物體的影響 ; ;(3(3 )對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體溫度 ; ;(4(4 )測(cè)溫儀要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體表

14、面，在任何情況下，角度都不能超過(guò)3030C(5(5 )不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測(cè)溫，不能透過(guò)玻璃進(jìn)行測(cè)溫 ; ;(6(6 )正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿(mǎn)視場(chǎng) ; ;(7(7 )如果紅外測(cè)溫儀突然處于環(huán)境溫度差為 2020E 或更高的情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測(cè)量的溫度值。 . .八，改進(jìn)方案由于普通紅外測(cè)溫儀只限于測(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， 所以可以在其檢測(cè)頭部加一段光導(dǎo)纖維， 并在其前端裝一個(gè)小視角 的透鏡，這樣被測(cè)物體的輻射能經(jīng)過(guò)透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。 在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過(guò) 多次反射傳至檢測(cè)器。 因?yàn)楣饫w可以自由彎曲， 使輻射能自由轉(zhuǎn)向， 這就解決了 物體內(nèi)部溫度的測(cè)量問(wèn)題，可以測(cè)量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。例如，在塑料擠壓機(jī)內(nèi)測(cè)量塑料溫度， 渦輪機(jī)內(nèi)通過(guò)靜葉片的空隙來(lái)測(cè)量動(dòng)葉片 的最高溫度和平均溫度，并可以帶有多個(gè)探頭進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。1 1，光纖紅外測(cè)溫的原理 光纖傳光原理是光在不同介質(zhì)中的全反射現(xiàn)象。光從光密介質(zhì)像光疏介質(zhì)傳播 時(shí)，光會(huì)在邊界全部折回光密介質(zhì)。光在纖心中就會(huì)曲折前進(jìn)，而不會(huì)泄露。2 2，結(jié)構(gòu)圖 被測(cè)物體的紅外輻射經(jīng)紅外探頭透鏡匯聚到光纖前端， 通過(guò)光纖傳輸及紅精品文檔精品文檔外濾光 片過(guò)濾后的紅外能量， 被紅