红外测温原理及其应用

LOGO红外测温原理及其应用1红外测温发展过程1800年威廉·赫谢尔发现红外线1828年M’Sweeny第一个辐射温度计19世纪末消隐光学高温计1901年全辐射测温仪专利(Fery)1931年商用全辐射测温仪问世(Leeds&Northrupcompany)60年代后迅猛发展近二十年双色、光纤、扫描等WilliamHerschel1738-18221红外测温发展过程可见光紫外光红外光X-射线GammaRays无线电波EHFSHFUHFVHFHFMFLFVLF0.1A1A1UA100A0.11101001cm0.1cm10cm1m100m1km10km100km波长10m30201510864321.510.80.60.4波长(um)常用红外光谱范围2红外测温的原理红外测温仪可捕捉从所有物体辐射出的红外能量。红外辐射是电磁频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、微波、可见光、紫外线、伽玛射线和X光。2.1红外测温技术的基础在自然界中，当物体的温度高于绝对零度(-273°C)时，由于它内部热运动的存在，就会不断向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75~100μm红外线。不透明的材料制成带小孔的空腔,可近似看作黑体。2.2黑体在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，设定它的发射系数为1。其它发射系数在0-1之间的物质称为灰体。它是一个理想辐射体，表明它的自身能量可以全部向外界辐射出来，但自然界中并不存在这样的理想黑体。2.2黑体黑体炉即为人工制造的性能接近理想黑体的辐射标准源，用于定期对红外测温仪进行检测标定。2.3普朗克定理虽然自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定理，即以波长表示的黑体光谱辐射度。MaxPlanck1858-19472.3普朗克定理式中，(2-1)2.3普朗克定理图2.1黑体辐射的光谱分析2.3普朗克定理2.3普朗克定理不同温度的辐射曲线永不会相交随温度增加，辐射能量增大而峰值波长减小，波长与温度成反比黑体辐射光谱曲线的特性12345678910111213141500°C1000°C542°C260°C20°C辐射能量波长（微米）102101110-110-210-310-402.4斯特潘-玻尔兹曼定理(2-2)式中，式(2-2)中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。2.5热辐射测温的数学描述(2-3)2.5热辐射测温的数学描述所测物体的温度为：式(2-4)就是物体的热辐射测温的数学描述。(2-4)3红外测温仪工作原理窗口和光学系统目标环境探测器显示及输出453SP1470EMS?85红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。3.1红外测温仪特点非接触测量：它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。测量范围广：因其是非接触测温，所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。一般情况下可测量负几十度到三千多度。测温速度快：即响应时间快。只要接收到目标的红外辐射即可在短时间内定温。3.1红外测温仪特点准确度高：红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出，可进行微小温度场的温度测量和温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。3.1红外测温仪缺点易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等）。对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度。4红外摄像法测量切削温度本世纪五十年代以来，根据使用的测量仪器的不同，利用红外技术测量温度场的方法可分为两类：红外点温度计法和红外照相法。使用红外点温度计，被测点的温度是一定面积上的平均温度，但当前国内外被测点的面积还不能足够小，而且测量点在切削区的坐标位置不易确定。红外照相法从原理上来说是比较理想的测量方法，可以得出完整的切削区温度场。但是测温系统的响应速度太不理想，在实际应用中有较大局限性。4红外摄像法测量切削温度八十年代后期发展起来的红外摄像法较上述两种方法具有更好的准确性和更快的响应速度。工作原理是：物体发出的红外辐射经过摄像镜头后打在红外摄像机内部的红外光敏元件板上，该板将辐射能转化成电压信号，由于温度场内不同温度的各点向外辐射红外线的强度不同，所以经过红外敏感元件板后得到的电压信号的强弱也不同，当这些不同强度的电压信号在摄像机内部转化成为全电视信号并反映在电视监视器上时，就会由于其灰度值的不同而产生亮度依次变化的温度场图像。4红外摄像法测量切削温度亮度较大的地方，表示该处的温度较高；反之，表示温度较低。这些原始的温度场图像通过录像机记录在磁带上。初期录像结束后，还要对原始图像进行图像处理，主要工作是在带有彩色监视器的个人计算机上完成。原始图像经过图像接口进入计算机，进行滤波、伪着色等处理过程，根据亮度不同，设置16个灰度值，将灰度值相等的区域着上同一种颜色，不同颜色代表不同的温度值，这样就可以得到温度场图。4红外摄像法测量切削温度现场测量时，将红外摄像机对准处于切削状态的刀具，在刀头的下方加一个平行光源，这样可使温度场处于刀具轮廓的背景中，同时也既反映了温度场，又反映了温度场在刀具上的相对位置。如图4.1所示：4红外摄像法测量切削温度图4.1红外摄像法测温装置5红外摄像法测量切削温度为了准确地测定刀具刃区温度场，避免切屑干扰，在工件的外圆上磨出一个平面，刀具与工件相对运动到这个平面时，切屑断开，刀头全部露出，这时就可以测得刀具刃区温度场了。5热像仪法实测陶瓷刀具切削区温度场采用红外热成像技术接收物体发射的辐射热，并转化为数字信号以红外信号输出，同时可进行数据存储和处理，可测较高的温度、导热系数较小的物体及很微小面积上的温度，并且精度高、响应快，不破坏被测温度场，因此适宜陶瓷刀具切削区的高温动态测试。图5.1是热像仪测定陶瓷刀具前后刀面温度场的示意与装置图。5热像仪法实测陶瓷刀具切削区温度场图5.1热像仪测定陶瓷刀具后刀面（a）前刀面（b）的示意与装置5热像仪法实测陶瓷刀具切削区温度场图5.1(a)中，测量后刀面温度时，在夹持刀具的刀架(5)上引出一纵向底板(6)，其上固定放置热像仪探头(7)，使得探头与刀具相对位置不变而同时移动。另外，切削过程中，刀具后刀面势必被切削部位挡住(AB段），探头无法探测。为此，将工件预先切除颈部(N),当刀具切削至颈部A点（测试点）的瞬时，刀面露出，探头即可测出其辐射温度。5热像仪法实测陶瓷刀具切削区温度场图5.1(b)中，测量前刀面温度时，在进给机构处引出一横向底板(14)，其上焊有一支架(13)，支架上固定放置热像仪探头。底板可随纵向进给机构一同移动，使得热像仪探头可与刀具同时移动。另外，切削过程中，不断流出的切屑会挡住刀具前刀面，探头无法探测，因此也要预先切出颈部(N)。当刀具切削至颈部A点时，不再产生切屑，刀面露出瞬间，探头从刀具正上方可测出前刀面辐射能。6红外照相法采用红外照相法的车削温度测量装置，如图6.1所示。图6.1红外照相法测温装置示意图6红外照相法测温装置安装于车床横溜板的机座板上，使刀具、照相机相对于工件排成一线；照相机配有专门的红外辐射聚焦调节装置；刀夹可使照相机镜头尽可能接近工件表面，为避免切屑溅射的影响，照相机镜头用有机玻璃罩子罩住，镜头与工件表面之间设计了挡屑板，透过板上的小孔可对刀具和工件表面摄影（采用高温红外胶卷）。6红外照相法测量温度前，首先用热电偶进行定标校准，即热电偶由电加热并在不同温度下照相，所需曝光时间通过预试验确定，显影后的胶卷用显微光密度计读数，得到高温红外胶卷在不同曝光时间下光密度与温度的对应关系。根据此对应关系，可以确定切削过程中工件或刀具的温度。用红外照相法测定的切削温度可用于研究切削温度的分布情况。红外照相法近距离但非接触测量，所以可以用来测量薄壁圆筒回转件。7红外测温注意事项发射率随发射率变化(非灰体)=0.9(灰体)相对能量波长(微米)=1.0(黑体)发射率为物体的辐射度和与该物体具有相同温度的黑体的辐射度之比7红外测温注意事项发射率发射率决定了实际物体的红外辐射特性“理想黑体”“实际物体”既是完全吸收体也是完全发射体部分能量被反射部分能量透过发射率=1发射率1IIIIRATEEEE7红外测温注意事项发射率的分类材料发射率按光谱范围分为全波发射率、光谱发射率和在某光谱范围的积分发射率。根据辐射方向不同分为半球发射率和定向发射率等；定向发射率中应用最多的是法向发射率。这些不同的划分可以组合出多种不同发射率参数。常见的发射率有四种：半球全波发射率为物体的辐射出度与同温度下黑体的辐射出度之比。7红外测温注意事项发射率的分类定向全波发射率为物体在指定方向的辐射亮度与同温度下黑体的辐射亮度之比。半球光谱发射率为物体的光谱辐射出度与同温度下黑体的光谱辐射出度之比。7红外测温注意事项发射率的分类定向光谱发射率为在指定方向的物体的光谱辐射亮度与同温度下黑体的光谱辐射亮度之比。光谱发射率通常多指定向光谱发射率，即在指定方向上物体的光谱辐射亮度与同温度下黑体的光谱辐射亮度之比。7红外测温注意事项发射率的设定按照测量物理量划分，发射率测量方法可分为两大类：直接测量方法和间接测量方法。直接确定物体的发射率的方法统称为发射率的直接测量方法。直接测量法即直接利用定义式，以黑体或已知反射率标准样品为参考标准建立装置，测量物体或材料的辐射量信号与同样条件下的黑体之比为发射率。直接测量法又可以分为量热法和辐射测量法。7红外测温注意事项发射率的设定量热法为通过测量样品表面的辐射能量利用能量平衡得到发射率，一般多用于半球积分发射率的测量。由于其需要精确知道表面的辐射热量，对环境（一般要抽真空）、控温和测温水平要求较高，测量时间长，而且能量平衡状态的不容易确定和保持也为测量带来困难。因此一种同样基于量热法的非稳态方法提出，即温度衰减法。7红外测温注意事项发射率的设定温度衰减法是将一个表面积较大而质量很小的样品悬挂在具有冷却内壁的真空室内，并加热到显著高于室内壁温度后停止加热，测量样品冷却速度。从冷却速度和已知材料样品的表面积、质量、比热计算辐射热损耗速度，从而求出半球积分发射率。7红外测温注意事项发射率的设定辐射计法是直接利用发射率定义，以黑体或标准样品为参考标准建立装置，测物体或材料的发射率。这种方法的好处是直接利用了发射率的定义式，得出物体或材料的发射率，物理意义明确、简单，避免了其他方法在计算推导发射率过程中引入其他参数不确定度的影响。但同时它的难点是待测样品表面的温度很难测准，即很难保证黑体和待测样品处于同一温度。辐射计法多用来测量定向发射率。7红外测温注意事项7红外测温注意事项发射率的设定以上这种通过测量反射率得到发射率的方法统称为发射率的间接测量方法，一般应用于对低温样品的发射率测量。根据样品表面特性又可分为对镜面反射样品和漫反射样品的测量。对于漫反射样品，一般应用积分球法，通过先测得材料的反射率，然后根据不透明物体发射率同反射率的关系和已知发射率标准样品的发射率，求得待测材料的发射率。7红外测温注意事项发射率的设定本文介绍采用直接测量方法选择光栅单色仪方案，虽然测量难度大、测量速度较低，但原理经典、数学模型明确，测量光谱带宽窄，属绝对测量方法，对于建立高精度计量标准具有理论优势。装置测量原理如下图所示：7红外测温注意事项发射率的设定7红外测温注意事项发射率的设定光谱发射