红外温度计的设计

红外温度计的设计1.红外的发现红外光也叫红外线，它是一位英国科学家发现的。1800年，赫胥尔在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，他用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。试验中。他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带洪广外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。经过反复试验。这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种人的肉眼看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。(不过，要说明的是，事实上太阳发出的能量以波长580nm的绿光最强。)红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质。红外线的波长在0.76～100μm之间，位于无线电波与可见光之间。任何物体，只要它的温度比零下273度高，就无一例外地发射出红外线。2.红外测温的原理红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度有关的原理而组成测温的系统。将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这就为红外测温奠定了理论基础。2.1普朗克定律黑体的光谱辐射出射度是波长和黑体温度的函数，即：51,2exp/1TcMcT（1—1）式中：1c—第一辐射常数，2162123.74183310chcWm；2c—第二辐射常数，221.43883210hccmKK；其中：K—玻耳兹曼常数；h—普朗克常数；c—电磁波在真空中的传播速度。图1-1表示了不同温度下黑体辐射的频谱分布，从图中可以看出:黑体总的辐射能量随温度的增高而增加，这是单波段测温仪的依据。随着温度升高辐射峰所在的波长向短波方向移动，其规律符合维恩位移定律。显然高温测温仪适用于较短的工作波长，低温测温仪宜选用较长的工作波段；短波长处辐射能量随温度增加比长波长处快，这意味着短波长处比长波长处测温灵敏度高。2.2斯蒂芬一玻耳兹曼定律将普朗克公式1-1对所有波长积分，便可得到描述单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射功率，即4,0TTMMdT（1—2）式中，8245.67010WmK，称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数。2.3实际物体温度的计算式（1—1）,（1—2）中的T均为绝对温度。计算实际物体的辐射出射度只需在式（1—1）,（1—2）中乘以发射率即可。物体的辐射出射度与辐射的温度T和发射率有关。只要测出物体的辐射出射度又以知物体的发射率即可求出温度T。实际上物体的测量是通过辐射量的测量得到的。3.红外测温技术的发展状况1800年，英国物理学家F.W赫胥尔发现了红外辐射，其占据的波段为0.76～1000m，反映了一定温度物体的热特性，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。红外辐射测温技术的发展主要从两方面来看：一是红外辐射测温仪器的发展；二是红外辐射测温技术的发展。3.1红外辐射测温仪器的分类及发展利用红外辐射的原理进行温度测量的仪器是从简单到复杂逐渐发展而成的。早期的红外测温仪仅限于检测物体的某一点的温度，而后可以测量一条线的温图1—1度，而不能显示物体的形状和表面上的温度分布。直到了20世纪五六十年代，由于红外探测器的改进和快速灵敏的光子探测器的问世，才导致了实验性、原理性热成像系统的诞生。发展到目前的热成像系统，它己经是窄禁带半导体技术、精密光学、精密机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程学的产物。根据红外测温的方式，红外测温仪器可以分为全场分析探测系统和逐点分析探测系统两种。全场分析是用红外成像镜头把物体的温度分布图像成像在传感器阵列上，从而获得物体空间温度场的全场分布，全场分布探测系统称为红外热像仪。逐点分析是把物体一个局部区域的热辐射聚焦到单个探测器上，并通过己知物体的发射率，将辐射功率转化为温度，逐点分析系统常称为红外测温仪。红外测温仪包括红外点温仪、红外热电视、红外行扫仪。六十年代我国研制成功第一台红外测温仪。我国最早开发应用的是红外光电测温仪，它相当于一个自动光学高温计，响应时间不快，测温精度不高，己经被淘汰。进入九十年代，我国的红外测温仪采用当今国际上通用的工作原理，由反射式、折射式或干涉式光学系统收集被测物发出的红外辐射，经滤光片选取一定波长范围的辐射，射入红外探测器，探测器输出的电信号经过放大，线性化处理后送入数字电压表显示被测物体的温度。并且陆续生产了小目标、远距离、适合工业生产特点的测温仪器，如西光IRT-1200D型、HCW-III型、HCW-V型；YHCW-9400型；WHD4015型(双瞄准，目标直径为40mm时，测距可达15m)、WFHX330型(光学瞄准，目标直径为50mm，测距可达30m)。九十年代末期，我国也产生了用光纤束作为光学系统的测温仪，用单板机或单片机作信号处理和线性化及数字显示的测温仪。3.2红外辐射测温技术的分类及发展到二十世纪初，辐射法测温的理论准备已基本完善。又经过了几十年的努力，应用于工业现场的红外测温仪，已有了三种类型的传统形式。即全辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪。全辐射测温仪是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度。单色测温仪是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮温的仪器。比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的。1954年Pyatt建议使用3个波长的比色温度计，以得到发射率与波长的关系。到70年代末80年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。1979年Cashdolla研制成功了3波长高温计，在1.8，1.9及1.0m三种波长下测量火焰及爆炸粉尘的温度，测量上限可至2000K，同时可换用滤光片方法形成4波长及6波长高温计。同年Svet等研制成4波长高温计用以测量物体表面真实温度，测温范围为：300～3000K。Lyzenga和Ahrens于同年推出了6波长的温度测量装置，采用硅光电二极管作和0.48～0.8m波长范围内的检测元件，用以测量冲击波后的物体的真实温度，测温范围为:4000～8000K，精度可至20%。1981年，Gardner及Jones等研制成了6波长高温计，工作波长为0.75～1.65m，测温范围为1000～1600K，精度为1%。1982年欧共体Babelot及美国Hoch等人继续研究多波长高温计，并研制成6波长高温计，采用光导纤维束分光，硅光电二极管，用于材料热物性的快速动态测量，在5000K时分辨率为5K，并拟向10000K方向继续发展。同年Cashdollar在3色高温计基础上推出了6波长高温计，用于测量粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度，使用PbSe探测器，6个工作波长分别为：1.57，2.30，3.84，4.42，4.57，5m。1986年欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人研制成功了亚毫秒级6波长高温计，用于2000～5000K温区内真温和光谱发射率的同时测量，温度测量精度为0.5%，发射率测量精度为1～5%。1992年Levendis等人研制成了3色辐射温度计，工作波长分别为0.65，0.8和0.95m，并用于燃烧粒子瞬态响应测量，在数据处理上，采用比色思想，3个比色结果在2500K时相差小于100K。1992年Cezairliyan等人亦报导了亚毫秒级6波长高温计的研制情况，采用光导纤维束分光方法，6个工作波长分别为0.5，0.6，0.65，0.7，0.8和0.9m，在脉冲加热下测量了铌金属试样的亮度温度。1984年北京武汉光学技术研究所研制成功3波长HDW-1型红外测温仪。1988年北京联大提出了多光潜温度自动检测法。1989年王瑞才研制成功4波长高温计并应用于电弧加热下烧蚀材料的温度测量。但都没有应用多波长测温理论中的数据拟合法，而还只是停留在比色、单色高温计处理思想上，多个通道数据只是为了相互校验。1991年戴景民与罗马大学G.Ruffino教授合作研制成功国际首创的棱镜分光式35波长高温计，并成功地用于烧蚀材料真温及发射率测量。1999年他又研制成功6目标8波长高温计并应用于固体火箭发动机羽焰温度和发射率的同时测量。2001年又成功地研究红外多波长辐射温度计用于导弹发射车的隐身测量。近年来，多波长辐射测温理论亦有了相应的发展。4.红外测温仪的应用红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。国产的品牌主要有INFR(红外时代），光盛等，进口的有雷泰，欧普士等，国产的优势在与性价比高，相对进口的价格低，售后方便快捷。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。非接触红外测温仪和传统的接触类测温仪有何不同.非接触红外测温仪接触类测温仪1.非接触测温对物体无影响1．接触测温对被测物温度场有影响2.检测物体表面温度2．不适合测瞬态温度3.反应速度快,可测运动中的物体和瞬态温度3．不便于测运动中的物体4.测量范围宽4．测量范围不够宽，且耗材5.测量精度高,分辨率小5．不适合测量有毒、高压等危险场合使用6.可对小面积测温7.可同时对点,线,面测温8.可测绝对温度,也可测相对温度5.红外测温的展望在大量的科研与工业中，离不开测温，红外温度计有快速、准确、便捷、使用寿命长等优势，正被越来越多的人们所认识，在冶金、电子、石化、交通、能源、橡胶、食品等行业得到了广泛应用，成为企业故障检测，产品质量控制和提高经济效益的重要手段。利用红外测温的远距离、不接触、准确、实时、快速等特点发展起来的红外检测技术由于在不停电、不取样、不解体的情况下能快速实时地在线监测和诊断大多数故障，所以倍受国内外的重视，并得到快速发展。非典疫情过后，人们越来越注重公共卫生安全。非接触、高精度医用红外温度计的研究，对于在公共场合、大流量人群的快速检测具有重要的意义。它不仅具有巨大的商业价值，而且具有重大的社会价值。随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测温仪器正逐步替代传统的测试手段。目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力(如自动人工目标分类)，便携式整机配个人计算机可产生实时、高分辨力图像来解决研究领域和工业领域中的问题。世界上除了一些大军工企业公司(如美国的Honeuwell公司、休斯飞机公司)之外，许多大商业公司(如三菱电气、日本横河电机(株)、瑞典AGA公司、法国Pyro公司、Sofradier公司、HGH红外系统工程公司等)也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品开发。在国内，近年来随着我国工业迅速发展和产品更新换代的加速，对测温仪器的需求量越来越大，尽管热电偶(热电阻)一类接触性测温传感器件仍然具有很大的优势，但非接触性的红外测温仪器正日益受到各行业的关注。4.结论随着科学技术的迅猛发展，先进的红外传感器的出现以及高性能单片机的不断推出，使得红外测温技术迅速发展并且得到了广泛的应用。利用红外测温技术制作的红外体温计具有非接触、响应速度快、利于环保等优点,在人民生活水平不断提高的现代社会，必然会取代水银温度计成为人们的首选产品。在欧美,热释电耳道式测温仪已成功用于体温测量，1991年后基本已经普及。但是，我国在这方面起步较晚。2003年，由中科院物理研究所王树铎教授研制的“非接触、口腔式红外线电子体温仪”才获得专利授权。在此之前，完全不与人体接触、又满足医疗测量精度的要求的体温计，还没有面世。因此，对测量温度范围在24.0℃到45.0℃，精度要求为0.1℃的红外体温计的设计具有一定商业与社会价值。参考文献1.范书彦.红