關(guān)于紅外測溫儀技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用分析

（文章來源：激光網(wǎng)）

紅外測溫儀的測溫原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)大小，可以確定物體的溫度。紅外測溫技術(shù)已發(fā)展到可對有熱變化表面進(jìn)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(yīng)用于軍事上，美國TI公司19＂年研制出世界上第一臺(tái)紅外掃描偵察系統(tǒng)。以后，紅外熱成像技術(shù)在西方國家陸續(xù)用于飛機(jī)、坦克、軍艦和其他武器上，作為偵察目標(biāo)的熱瞄系統(tǒng)，大大提高了搜索、命中目標(biāo)的能力。瑞典AGA公司生產(chǎn)的紅外熱像儀在民用技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)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(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)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(chǔ)。

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(shí)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(dǎo)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(diǎn)，故稱 黑體輻射定律 ．所有實(shí)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(gòu)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(guān)。

紅外測溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。輻射體發(fā)出的紅外輻射。進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)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(jì)是一種利用紅外接收原理測量人體的測溫計(jì)。使用時(shí)，只須方便的將探測窗口對準(zhǔn)額頭位置，就能快速、準(zhǔn)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(jìn)行收集、聚焦，再由其它的電路將信息轉(zhuǎn)化為讀書顯示在機(jī)上，本機(jī)配備的激光燈更有效對準(zhǔn)被測物及提高測量精度。（3）畜牧業(yè)動(dòng)物紅外測溫儀測溫儀：獸用紅外線非接觸體溫計(jì)根據(jù)普朗克原理，通過準(zhǔn)確測定動(dòng)物體表特定部位的體表溫度，修正體表溫度與實(shí)際溫度的溫差，便能準(zhǔn)確顯示出動(dòng)物的個(gè)體體溫。

確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應(yīng)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(huì)穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用10μm、2．2μm和3．9μm（被測玻璃要很厚，否則會(huì)透過）波長；測量玻璃內(nèi)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。

確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95％能量所需要時(shí)間，它與光電探測器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。新型紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms．這要比接觸式測溫方法，快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

光學(xué)分辨率由D與S之比確定，是測溫儀到目標(biāo)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(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)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(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應(yīng)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(huì)穿透這些材料，對這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用1．0μm、2．2μm和3．9μm（被測玻璃要很厚，否則會(huì)透過）波長；測量玻璃內(nèi)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。

確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95％能量所需要時(shí)間，它與光電探測器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。廣州宏誠香港CEM品牌紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms．這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

信號(hào)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(hào)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(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。

環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)加以考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當(dāng)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(hù)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(hù)測溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。當(dāng)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(dòng)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(xiǎn)的材料應(yīng)用中（如容器或真空箱），測溫儀通過窗口進(jìn)行觀測。材料必須有足夠的強(qiáng)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(jìn)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(yīng)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(biāo)。如操作員需要通過窗口目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過可見光的光學(xué)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(yīng)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(jìn)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(jì)算機(jī)軟件程序操作。

在環(huán)境條件惡劣復(fù)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。可選擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)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(biāo)定。
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