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紅外線測溫儀的原理及應用
摘要：
測量溫度的方法有很多種，
溫度計大致可以分為接觸式測溫儀表和非接觸
式測溫儀表兩類。
其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計，
熱電偶式溫度計和
熱電阻式溫度計等等。
關鍵詞：紅外線
測溫
輻射
光纖
*，溫度是供熱，供燃氣，通風及空調系統中zui重要的參數之一。尤其在
熱工測量過程中，
溫度的程度往往是決定實驗成敗的關鍵。
因此，
一個
度高的測溫儀器在工程中是*的。
因此本文就溫度測量工具中的紅外線測
溫儀的原理及應用進行一些介紹。
一，紅外測溫的理論原理
在自然界中，
當物體的溫度高于零度時，
由于它內部熱運動的存在，
就會不
斷的向四周輻射電磁波，
其中就包含了波段位于
0.75μm~100μm
的紅外線。
他zui
大的特點是在給定的溫度和波長下，
物體發射的輻射能有一個zui大值，
這種物質
稱為黑體，并設定他的反射系數為
1
，其他的物質反射系數小于
1
，稱為灰體，
由于黑體的光譜輻射功率
P(
λ
Ｔ
)
與溫度
T
之間滿足普朗克定。說明在
溫度
T
下，波長
λ
處單位面積上黑體的輻射功率為
P(
λ
Ｔ
)
。根據這個關系可
以得到圖
1
的關系曲線，從圖中可以看出：
（
1)
隨著溫度的升高，
物體的輻射能量越強。
這是紅外輻射理論的出發點，
也是
單波段紅外測溫儀的設計依據。
（
2)
隨著溫度升高，
輻射峰值向短波方向移動
（向左
)
，
并且滿足維恩位移定理
，
峰值處的波長
與溫度
T
成反比，
虛線為
處峰值連線。
這個公式告訴我們為
什么高溫測溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。
（
3)
輻射能量隨溫度的變化率，
短波處比長波處大，
即短波處工作的測溫儀相對
信噪比高（靈敏度高），抗干擾性強，測溫儀應盡量選擇工作在峰值波長處，特
別是低溫小目標的情況下，這一點顯得尤為重要。
二，紅外線測溫儀的原理
紅外測溫儀由光學系統、
光電探測器、
信號放大器及信號處理、
顯示輸出等
部分組成。
被測物體和反饋源的輻射線經調制器調制后輸入到紅外檢測器。
兩信
號的差值經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。顯示器指出被測物體的亮度溫度
三，紅外線測溫儀的性能指標及作用
測溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環境溫度范圍，重復性，相對濕度，響應時
間，電源
響應光譜，尺寸，zui大值顯示，重量，發射率等
1
，確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀zui重要的一個性能指標。每種型號的測溫
儀都有自己特定的測溫范圍。
因此，
用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、
周全，
既不要過窄，
也不要過寬。
根據黑體輻射定律，
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射率誤差所引起的輻射能量的變化。
2
，
確定目標尺寸
:
紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀
（輻射比
色測溫儀）
。
對于單色測溫儀，
在進行測溫時，
被測目標面積應充滿測溫儀視場。
建議被測目標尺寸超過視場大小的
50%
為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射
能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數，
造成誤差。
相反，
如果目標大于
測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。對于雙色測溫儀，
其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很
小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都
不對測量結果產生重大影響。
對于細小而又處于運動或震動之中的目標，
雙色測
溫儀是*選擇。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
，確定距離系數（光學分辨率）：距離系數由
D
：
S
之比確定，即測溫儀探頭到
目標之間的距離
D
與被測目標直徑之比。
如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝
在遠離目標之處，
而又要測量小的目標，
就應選擇高光學分辨率的測溫儀。
光學
分辨率越高，即增大
D
：
S
比值，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀遠離目標，
而目標又小，
就應選擇高距離系數的測溫儀。
對于固定焦距的測溫儀，
在光學系
統焦點處為光斑zui小位置，
近于和遠于焦點位置光斑都會增大。
存在兩個距離系
數。
4
，
確定波長范圍
：
目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對
于高反射率合金材料，
有低的或變化的發射率。
在高溫區，
測量金屬材料的*
波長是近紅外，
可選用
0.8
～
1.0
μ
m
。
其他溫區可選用
1.6
μ
m,2.2
μ
m
和
3.9
μ
m
。
由于有些材料在一定波長上是透明的，
紅外能量會穿透這些材料，
對這種材料應
選擇特殊的波長。
5
，確定響應時間：響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義
為到達zui后讀數的
95%
能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示
系統的時間常數有關。
如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，
要選
用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，
并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。
對于靜止的或目標熱過程存在熱
慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。
6
，信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產）和連續過程不同，所以要求紅
外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如
測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。
否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。
若用峰值保持，
設置測溫儀響應時間
稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。
7
，環境條件考慮：測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并
適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當環境溫度高，存在灰塵、煙霧
和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃
器等附件。
這些附件可有效地解決環境影響并保護測溫儀，
實現準確測溫。
在確
定附件時，應盡可能要求標準化服務，以降低安裝成本。
8
，紅外輻射測溫儀的標定：紅外測溫儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被
測目標的溫度。
如果所用的測溫儀在使用中出現測溫超差，
則需退回廠家或維修
中心重新標定。
四，影響紅外測溫儀的主要因素
1
、測溫目標大小與測溫距離的關系：在不同距離處，可測的目標的有效直徑
D
是不同的，
因而在測量小目標時要注意目標距離。
紅外測溫儀距離系數
K
的定義
為：被測目標的距離
L
與被測目標的直徑
D
之比，即
K=L/D
2
、選擇被測物質發射率：紅外測溫儀一般都是按黑體（發射率
ε
=1.00
）分度
的，而實際上，物質的發射率都小于
1.00
。因此，在需要測量目標的真實溫度
時，須設置發射率值。物質發射率可從《輻射測溫中有關物體發射率的數據》中
查得。
3
、強光背景里目標的測量：若被測目標有較亮背景光（特別是受太陽光或強燈
直射）
，
則測量的準確性將受到影響，
因此可用物遮擋直射目標的強光以消除背
景光干擾。
4
、小目標的測量
⑴ 應將測溫儀固定在三角架（可選附件）上
⑵ 需要調焦，即：用目鏡中小黑點對準目標（目標應充滿小黑點），將鏡
頭前后調整，
眼睛稍微晃動，
如果被測小黑圓點之間沒有相對運動，
則調焦就已
完成
5.
溫度輸出功能
（
1
）數字信號輸出——
RS232
、
RS485
，溫度信號遠傳
（
2
）模擬信號輸出——
0
～
5V
，
1
～
5V
，
0
～
10V
，
0/4
～
20
毫安，可以加入閉環
控制中。
（
3
）高報警、低報警─生產過程中要求控制溫度在某個范圍里
,
可設置高
,
低報
警值。高報警：在高報警設置打開的情況下，當溫度高于高報警值，相應的
LED
燈閃爍，蜂鳴器響，并有
AH
常開繼電器接通。
五，紅外測溫儀的特點
1.
非接觸測量：
它不需要接觸到被測溫度場的內部或表面，
因此，
不會干擾被測
溫度場的狀態，測溫儀本身也
不受溫度場的損傷。
2.
測量范圍廣：
因其是非接觸測溫，
所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，
而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。
一般情況下可測量負幾十度到三
千
多度。
3.
測溫速度快：即響應時問快。只要接收到目標的紅
外輻射即可在短時間內定溫。
4.
準確度高：
紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布，
因此測量
精度高。
5.
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，易于測出。可
進行微小溫度場的溫度測量和
6.
溫度分布測量，
以及運動物體或轉動物體的溫度測量。
使用安全及使用壽命長。
六，紅外線測溫儀的缺點
1.
易受環境因素影響（環境溫度，空氣中的灰塵等）
2.
對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數影響較大
3.
只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內部和存在障礙物時的溫度
七，紅外測溫儀的使用注意事項
（
1
）必須準確確定被測物體的發射率
;
（
2
）避免周圍環境高溫物體的影響
;
(3
）對于透明材料，環境溫度應低于被測物體溫度
;
(4
）測溫儀要垂直對準被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過
30℃
(5
）不能應用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進行測溫
;
(6
）正確選擇跟離系數，目標直徑必須充滿視場
;
(7
）如果紅外測溫儀突然處于環境溫度差為
20℃ 或更高的情況下，測量數據將
不準確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。
.
八，改進方案
由于普通紅外測溫儀只限于測量物體外部溫度，
不方便測量物體內部和存在障礙
物時的溫度，
所以可以在其檢測頭部加一段光導纖維，
并在其前端裝一個小視角
的透鏡，
這樣被測物體的輻射能經過透鏡到光導纖維內部。
在光導纖維里面經過
多次反射傳至檢測器。
因為光纖可以自由彎曲，
使輻射能自由轉向，
這就解決了
物體內部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。
例如，
在塑料擠壓機內測量塑料溫度，
渦輪機內通過靜葉片的空隙來測量動葉片
的zui高溫度和平均溫度，并可以帶有多個探頭進行循環檢測。
1
，光纖紅外測溫的原理