紅外測溫儀的工作原理、分類及現(xiàn)代應(yīng)用

紅外測溫儀的測溫原理是將物體（如鋼水）發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體（如鋼水）本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號大小，可以確定物體（如鋼水）的溫度。紅外測溫技術(shù)已發(fā)展到可對有熱變化表面進行掃描測溫，確定其溫度分布圖像，迅速檢測出隱藏的溫差， 這就是紅外熱像儀。紅外熱像儀最先應(yīng)用于軍事上，美國TI公司19"年研制出世界上第一臺紅外掃描偵察系統(tǒng)。以后，紅外熱成像技術(shù)在西方國家陸續(xù)用于飛機、坦克、軍艦和其他武器上，作為偵察目標(biāo)的熱瞄系統(tǒng)，大大提高了搜索、命中目標(biāo)的能力。瑞典AGA公司生產(chǎn)的紅外熱像儀在民用技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。但是，怎樣使紅外測溫技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，目前仍然是一個值得研究的應(yīng)用課題。

紅外測溫儀工作原理

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布 -- 與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為 1 .但是，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，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律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱 黑體輻射定律 .所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于 1 的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因素在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標(biāo)的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。

紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。輻射體發(fā)出的紅外輻射。進入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。

紅外線測溫儀三大分類：（1）人用紅外線測溫儀：額溫型紅外線體溫計（以下簡稱額溫計）是一種利用紅外接收原理測量人體的測溫計。使用時，只須方便的將探測窗口對準(zhǔn)額頭位置，就能快速、準(zhǔn)確的測得人體溫度。（2）工業(yè)紅外測溫儀：工業(yè)紅外測溫儀測量物體的表面溫度，其光傳感器輻射、反射并傳輸能量，然后能量由探頭進行收集、聚焦，再由其它的電路將信息轉(zhuǎn)化為讀書顯示在機上，本機配備的激光燈更有效對準(zhǔn)被測物及提高測量精度。（3）畜牧業(yè)動物紅外測溫儀測溫儀：獸用紅外線非接觸體溫計根據(jù)普朗克原理，通過準(zhǔn)確測定動物體表特定部位的體表溫度，修正體表溫度與實際溫度的溫差，便能準(zhǔn)確顯示出動物的個體體溫。

確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應(yīng)或波長。對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)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由于有些材料在一定波長是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長；測低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長為宜；再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長，聚醋類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長；又如測火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長，測火焰中的C0用窄帶4.64μm波長，測量火焰中的N02用4.47μm波長。

確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%（雙色比色光纖只需要5%能量）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(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。新型紅外測溫儀響應(yīng)時間可達(dá)1ms.這要比接觸式測溫方法，快得多。如果目標(biāo)的運動速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

確定光學(xué)分辨率（距離系靈敏）

光學(xué)分辨率由D與S之比確定，是測溫儀到目標(biāo)之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D:S比值，測溫儀的成本也越高。

確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應(yīng)或波長。對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)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由于有些材料在一定波長是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm、2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長；測低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長為宜；再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長，聚酯類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長；又如測火焰中的CO2用窄帶4.24-4.3μm波長，測火焰中的CO用窄帶4.64μm波長，測量火焰中的NO2用4.47μm波長。

確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。廣州宏誠香港CEM品牌紅外測溫儀響應(yīng)時間可達(dá)1ms.這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標(biāo)的運動速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

信號處理功能：測量離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，要求紅外測溫儀有信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。如測溫傳送帶上的玻璃時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內(nèi)。

環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)加以考慮并適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過高、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(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護測溫儀，實現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。在確定附件時，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。當(dāng)煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信呈悍，雙色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場、震動或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，光纖雙色測溫儀是最佳選擇。

在密封的或危險的材料應(yīng)用中（如容器或真空箱），測溫儀通過窗口進行觀測。材料必須有足夠的強度并能通過所用測溫儀的工作波長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應(yīng)用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標(biāo)。如操作員需要通過窗口目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。

操作簡單，使用方便：紅外測溫儀應(yīng)該是直觀的，操作簡單，易于被操作人員使用，其中便攜式紅外測溫儀是一種集測溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進行測溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的可通過遙控或通過計算機軟件程序操作。

在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的系統(tǒng)，以便于安裝和配置。可選擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號輸出形式。

紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。