红外测温方法的工作原理及测温

红外测温方法的工作原理及测温仪(北京化工大学信息科学与技术学院)摘要：本文从黑体辐射原理出发分析了红外测温的工作原理，从发射率、距离系数、环境等几个方面，探讨和分析了测温误差的原因，以及基于红外测温技术的测温仪的简单的概述,并对红外测温仪的分类、性能、选择及应用简要的说明。关键词：黑体辐射、红外测温仪、温度测量InfraredThermometerandtheworkingprincipleofInfraredTemperaturemeasurement(CollegeofScienceandTechnology，BeijingUniversityofChemicalTechnology)Abstract:Inthispaper,thetheoryofinfra-redtemperaturemeasurementwasanalyzedaccordingtotheprincipleofblackbodyradiation.Wediscussedthemainfactorsformeasurementaccuracy,suchasreflectance,distancecoefficientandenvironment.Basedoninfraredtemperaturemeasurementtechnology,wemakeasimpleoverviewofinfraredthermometer,andabriefdescriptionofitsclassification,performance,selectionandapplication.Keywords:Blackbodyradiation;infraredthermometer;temperaturemeasurement0引言在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线.红外测温仪就是利用这一原理制作而成的,温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。目前，红外温度仪因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广应用。表1列出了常用的测温方法和特点，其中红外测温作为一种常用的测温技术显示出较明显的优势。表1常用测温方法对比测温方法温度传感器测温范围（°C）精度（%）接触式热电偶-200～18000.2～1.0热电阻-50～3000.1～0.5非接触式红外测温-50～33001其它示温材料-35～200011红外测温仪的工作原理及特点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红外测温仪特点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。红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能准确地测出它的表面温度。红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。红外辐射是电磁频谱的一部分,红外位于可见光和无线电波之间。当仪器测温时,被测物体发射出的红外辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。红外测温仪特点:非接触式测量,测温范围广,响应速度快,灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响,几乎不可能测到被测对象的真实温度,测量的是表面温度。2红外测温仪的系统组成红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过已知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同，红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图2所示。辐射体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器把红外辐射调制成交变辐射，由探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。调制盘电子放大器调制盘图2红外测温仪结构图如图2所示红外测温仪是根据物体的红外辐射特性,依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器(传感器),并转换成电信号,再通过放大电路、补偿电路及线性处理后,在显示终端显示被测物体的温度。系统由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成,其核心是红外探测器,将入射辐射能转换成可测量的电信号(见3图)。图3红外测温系统结构3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)，热辐射体光学系统红外探测器显示器被测目标光学系统探测器调制电机信号处理电路补偿电路显示器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