红外测温的理论依据

第一章人体红外线测温仪的理论依据1.1黑体辐射与红外测温原理一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它的物质反射系数小于1，称为灰体。应该指出，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律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。由于黑体的光谱辐射功率Pb(λΤ)与绝对温度Τ之间满足普朗克定理：1exp251TccTPb（1）其中，Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度；λ—波长；T—绝对温度；c1、c2—辐射常数。式（1）说明在绝对温度Τ下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为Pb(λΤ)。根据这个关系可以得到下图1的关系曲线：图1黑体辐射的光谱分析从图1中可以看出：(1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。(2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动(向左)，并满足维恩位移定理T*λm=2897.8μm*K，峰值处的波长λm与绝对温度Τ成反比，虚线为λm处峰值连线。这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。(3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高(灵敏度高)，抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。根据斯特藩—玻耳兹曼定理黑体的辐出度Pb(Τ)与温度Τ的四次方成正比，即：4TTPb(2)式中，Pb(T)—温度为T时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐射度；σ—斯特藩—玻耳兹曼常量；T—物体温度。式（2）中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。如果在条件相同情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的单色辐出度Pb(Τ)小于黑体的单色黑度ε(λ)，即实际物体接近黑体的程度。ε(λ)=P(T)/Pb(T)(3)考虑到物体的单色黑度ε(λ)是不随波长变化的常数，即ε(λ)=ε，称此物体为灰体。它是随不同物质而值不同，即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体ε=1，而一般灰体0ε1，由式(2)可得：4;TTPTPTPb所测物体的温度为：41TPT(4)式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。1.2人体红外线测温仪的理论依据自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。红外辐射原理—辐射定律：440()ETT（2.1）式中：E为辐射出射度数，3W/m；为斯蒂芬―波尔兹曼常数，8245.67*10W/(m)K；为物体的辐射率；T为物体的温度，单位K；0T为物体周围的环境温度，单位K。测量出所发射的E，就可得出温度。利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0～100℃）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。根据式（2.1）的原理，仪表所测得的红外辐射为：441212()EATT（2.2）式中：A为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；1为被测对象的辐射率；2为红外温度计的辐射率；1T为被测对象的温度（K）；2T为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。辐射率是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数，数值由0至1.0。所有真实的物体，包括人体各部位的表面，其值都是某个低于1.0的数值。人体主要辐射波长在9～10m的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1秒以内可测试完毕。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。第二章人体红外线测温仪的性能指标及作用总的来说，测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。1、确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。2、确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。否则背景会干扰测温读数，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。3、确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，测温仪的成本也越高。4、确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。5、确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。6、信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。7、环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。8、红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。第三章影响温度测量的主要因素及修正方法3.1红外测温误差分析由于红外测温是非接触式的，这样会存在着各种误差，影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要表现在以下几个方面：1、辐射率辐射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关。若物体为光洁表面时，其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小正比于它的辐射率。（1）辐射率的设定根据基尔霍夫定理：物体表面的半球单色发射率(ε)等于它的半球单色吸收率(α)，ε=α。在热平衡条件下，物体辐射功率等于它的吸收功率，即吸收率(α)、反射率(ρ)、透射率(γ)总和为1，即α+ρ+γ=1，图4解释了上述规律。对于不透明的(或具有一定厚度)的物体透射率可视γ=0，只有辐射和反射(α+ρ=1)，当物体的辐射率越高，反射率就越小，背景和反射的影响就会越小，测试的准确性也就越高；反之，背景温度越高或反射率越高，对测试的影响就越大。由此可以看出，在实际的检测过程中必须注意不同物体和测温仪相对应的辐射率，对辐射率的设定要尽量准确，以减小所测温度的误差。图4目标的红外辐射（2）测试角度辐射率与测试方向有关，测试角度越大，测试误差越大，在用红外进行测温时，这一点很容易被忽视。一般来说，测试角最好在30°C之内，一般不宜大于45°C，如果不得不大于45°C进行测试，可以适当地调低辐射率进行修正。如果两个相同物体的测温数据要进行判断分析，那么在测试时测试角一定要相同，这样才更具有可比性。2、距离系数距离系数(K=S:D)是测温仪到目标的距离S与测温目标直径D的比值，它对红外测温的精确度有很大影响，K值越大，分辨率越高。因此，如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪，以减小测量误差。在实际使用中，许多人忽略了测温仪的光学分辨率。不管被测目标点直径D大小，打开激光束对准测量目标就测试。实际上他们忽略了该测温仪的S:D值的要求，这样测出的温度会有一定的误差。比如，用测量距离与目标直径S:D=8:1的测温仪，测量距离应满足表2的要求。表2S值应满足的要求目标大小D(mm)1550100200测量距离S(mm)12040080016003、目标尺寸被测物体和测温仪视场决定了仪器测量的精度。使用红外测温仪测温时，一般只能测定被测目标表面上确定面积的平均值。一般测试时有以下三种情况：(1)当被测目标大于测试视场时，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响，就能显示被测物体位于光学目标内确定面积的真实温度，这时的测试效果最好。(2)当被测目标等于测试视场时，背景温度已受到影响，但还比较小，测试效果一般。(3)当被测目标小于测试视场时，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。仪器仅显示被测物体和背景温度的加权平均值。因此建议在实际测温时，被测目标尺寸超过视场大小的50%为好，具体情况如图5所示。图5目标与视场示意图4、响应时间响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。如果目标的运动速度很快或者测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。但并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时，测温仪的响应时间可放宽要求。因此，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。5、环境因素被测物体所处的环境条件对测量的结果有很大的影响，它主要体现在两个方面，即环境的温度和精晰度。(1)环境温度的影响设被测目标的温度为T1，环境温度为T2时，该目标单位面积表面发射的辐射能为41TA，而相应地被它所吸收辐射能为42TA，则该物体发出的净辐射能Q为:Q=41TA-42TA（5）式中，A—单位面积；ε—物体的辐射率；α—吸收率。设被测物体的ε和α两者相等，由式(5)可得：4241TTAQ(6)表3提供了感受波长在(9~12μm)的测温仪在环境温度为270K~330K范围，对从300K~1000K目标温度进行测量时产生的能量误差(%)。由表中可以看出，随着环境温度的升高，产生的附加辐射影响就越大，测温的误差也就越大。表3能量误差随目标温度计环境温度的变化曲线目标温度KT1环境温度KT227028029030031032033030020.3723.5026.7430.0033.2336.4539.594007.298.6310.0911.6513.2815.0016.775003.644.355.125.956.867.828.836002.232．663.153.684.254.865.527001.531.842．172.542.943.373.848001.141.371.621.902.202.532.889000.931.121.331.551.802.072.3510000.750.901.071.251.451.661.90(2)大气吸收的影响红外线在辐射的传输过程中，由于大气的吸收作用，能量总要受到一定的衰减。大气吸收是指在传输过程中使一部分红外线辐射能量变成其它形式的能量，或以另一种光谱分布。大气吸收程度随空气温温变化而变化，被测物体距离越远，大气透射对温度测量的影响就越大。所以，在室外进行红外测温时，应尽量在无雨、无雾、空气比较清晰的环境下进行。在室内进行红外测温时，应在没有水蒸气的环境下进行，