紅外測溫儀的工作原理、分類及現(xiàn)代應用

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，根據(jù)轉變成電信號大小，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，作為偵察目標的熱瞄系統(tǒng)，大大提高了搜索、命中目標的能力。瑞典AGA公司生產(chǎn)的紅外熱像儀在民用技術上處于領先地位。但是，怎樣使紅外測溫技術得到廣泛應用，目前仍然是一個值得研究的應用課題。

紅外測溫儀工作原理

紅外測溫儀由光學系統(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。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

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系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準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。

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。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及表面狀態(tài)有關的比例系數(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、理化結構和材料厚度等。當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；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計和內部結構不盡相同，但基本結構大體相似，主要包括光學系統(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。進入光學系統(tǒng)，經(jīng)調制器把紅外輻射調制成交變輻射，由探測器轉變成為相應的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

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額頭位置，就能快速、準確的測得人體溫度。（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化為讀書顯示在機上，本機配備的激光燈更有效對準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，便能準確顯示出動物的個體體溫。

確定波長范圍：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長。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，對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用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。

確定響應時間：響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數(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。新型紅外測溫儀響應時間可達1ms.這要比接觸式測溫方法，快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。

確定光學分辨率（距離系靈敏）

光學分辨率由D與S之比確定，是測溫儀到目標之間的距離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離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高，即增大D:S比值，測溫儀的成本也越高。

確定波長范圍：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長。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，對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部溫度選用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。

確定響應時間：響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數(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。廣州宏誠香港CEM品牌紅外測溫儀響應時間可達1ms.這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。

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。

環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結果有很大影響，應加以考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當環(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)準確測溫。在確定附件時，應盡可能要求標準化服務，以降低安裝成本。當煙霧、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。如操作員需要通過窗口目標，應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，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?？蛇x擇與現(xiàn)行控制設備相匹配的信號輸出形式。

紅外輻射測溫儀的標定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。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定。