紅外溫度計(jì)的原理及其應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):509次發(fā)布日期:2015/2/8

紅外溫度計(jì)的工作原理及應(yīng)用

摘要:紅外測(cè)溫的物理基礎(chǔ)是黑體輻射定律。其特點(diǎn)是非接觸測(cè)溫，測(cè)量結(jié)果快速準(zhǔn)確。

同時(shí)，也存在一些需要注意的問(wèn)題。目前，它已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。關(guān)鍵詞:紅外；輻射；溫度計(jì)

1.概觀

1800年，英國(guó)物理學(xué)家赫胥黎從熱的角度研究各種顏色的光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。當(dāng)時(shí)他稱(chēng)之為“不可見(jiàn)光”。此后，人們花了100多年的時(shí)間來(lái)理解紅外輻射的電磁性質(zhì)，建立了熱輻射的基本規(guī)律，為紅外技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。隨著光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外技術(shù)越來(lái)越完善。其中，紅外測(cè)溫技術(shù)也形成了完整的理論，并已成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。

2.紅外測(cè)溫的理論基礎(chǔ)

(1)紅外輻射(紅外線、紅外線)

紅外是電磁波譜中波長(zhǎng)在0.76微米至1000微米范圍內(nèi)的電磁輻射，位于紅外光和無(wú)線電波之間。它與可見(jiàn)光的反射、折射、干涉、衍射和偏振具有相同的特性。同時(shí)具有粒子性質(zhì)。它對(duì)人眼不敏感，只能被對(duì)紅外敏感的探測(cè)器接收。紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射。熱輻射包括紫外光和可見(jiàn)光輻射，但紅外輻射的熱效應(yīng)zui在0.76μm~40μm范圍內(nèi)較大。

自然界中所有溫度高于零度的生物和無(wú)生命的物體一直在不斷輻射紅外線。輻射量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。特殊熱輻射的強(qiáng)度和光譜組成取決于輻射器的溫度。

(2)黑體輻射定律

黑體紅外輻射的基本規(guī)律揭示了黑體發(fā)出的紅外輻射與溫度和波長(zhǎng)之間的定量關(guān)系。黑體是一個(gè)理想的物體。不管黑體的具體成分和形狀如何，它們都在相同的溫度下發(fā)射相同的電磁波譜。斯特凡和玻爾茲曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得到黑體輻射定律:

40)(TTMs=

式中::(0tm)-當(dāng)溫度為t時(shí)，每單位時(shí)間黑體單位面積輻射的總輻射能稱(chēng)為總輻射率；S1-斯特凡玻爾茲曼常數(shù)；t1-物體溫度。

以上公式是黑體的熱輻射定律。實(shí)際物體(非黑體)的輻射定律通常很復(fù)雜，需要借助黑體輻射定律進(jìn)行研究。

當(dāng)被測(cè)物體的溫度為T(mén)時(shí)，總輻射率M等于溫度為FT時(shí)黑體的總輻射率Mo，即:

44

0，TTMMF

ess==

簡(jiǎn)化

4

1

e

FTT=

其中，E是發(fā)射率，不同物體的發(fā)射率是不同的。特定材料的電子值可以通過(guò)查閱表格或?qū)嶒?yàn)獲得。t是待測(cè)物體的輻射溫度。因此，如果要測(cè)量的物體的溫度和溫度是已知的，就可以計(jì)算出物體的實(shí)際溫度。

3.紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)

紅外測(cè)溫系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器、信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。其工作流程如下圖所示。被測(cè)物體輻射的紅外線首先進(jìn)入溫度計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)是收集人們發(fā)出的紅外線，使能量更加集中；收集的紅外線輸入光電探測(cè)器，探測(cè)器的關(guān)鍵部件是紅外傳感器，其任務(wù)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)通過(guò)電子線發(fā)送到信號(hào)放大器進(jìn)行處理，以將電信號(hào)降低到溫度值。醉后，顯示屏給出被測(cè)物體的溫度。

紅外測(cè)溫方法可分為兩種:全場(chǎng)分析和逐點(diǎn)分析。全場(chǎng)分析的方法是利用紅外成像鏡頭在傳感器陣列上成像物體的溫度分布圖像，從而獲得物體空間溫度場(chǎng)的全場(chǎng)分布。全場(chǎng)分布檢測(cè)系統(tǒng)被稱(chēng)為熱像儀。逐點(diǎn)分析將物體局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過(guò)了解物體的發(fā)射率將輻射功率轉(zhuǎn)換成溫度。逐點(diǎn)分析系統(tǒng)通常被稱(chēng)為紅外溫度計(jì)。

由于被測(cè)對(duì)象、測(cè)量范圍和應(yīng)用場(chǎng)合不同，紅外溫度計(jì)的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、電信號(hào)處理系統(tǒng)等部分。如圖2所示，其中光學(xué)系統(tǒng)聚焦目標(biāo)物體的輻射能。

紅外溫度計(jì)的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)小型化和小型化。近年來(lái)，由衍射光學(xué)聚焦鏡、薄膜紅外探測(cè)器和諧振壓電調(diào)制器組成的紅外測(cè)溫系統(tǒng)只有大功率晶體管那么大，實(shí)現(xiàn)了小型化的目標(biāo)。在今年豬流感爆發(fā)期間，手持紅外溫度計(jì)被用來(lái)測(cè)量體溫。沒(méi)有。

被測(cè)物體的光學(xué)系統(tǒng)

光電探測(cè)器

信號(hào)放大器

信號(hào)處理器

顯示輸出

與人體接觸不會(huì)造成任何傷害，并且起著重要作用。

4.紅外溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

由于紅外溫度測(cè)量使用被測(cè)物體的紅外輻射來(lái)確定其溫度，這種溫度測(cè)量方法具有其他溫度測(cè)量方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。主要有:

(1)紅外溫度測(cè)量是非接觸測(cè)量。因此，它可用于高溫或低溫、高壓和高速運(yùn)輸?shù)牡貐^(qū)。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)溫，測(cè)量器不需要靠近這些危險(xiǎn)環(huán)境。

(2)紅外測(cè)溫反應(yīng)速度快。因?yàn)樗幌裢Ｒ粯釉跍囟扔?jì)中等待溫度測(cè)量物質(zhì)和被測(cè)量物質(zhì)溫度計(jì)

物體達(dá)到熱平衡，但只需要接收被測(cè)物體的紅外線。反應(yīng)時(shí)間通常在毫秒到微秒的數(shù)量級(jí)。

(3)紅外測(cè)溫靈敏度高。根據(jù)40)(

TTMs=，一個(gè)物體的輻射能與溫度的4次方成正比，所以只要溫度稍有變化，輻射能就會(huì)明顯變化。

(4)高紅外溫度測(cè)量。由于是非接觸測(cè)量，測(cè)量過(guò)程不會(huì)改變被測(cè)物體的溫度，因此測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。

(5)紅外測(cè)溫范圍大。紅外測(cè)溫原理決定了其測(cè)溫范圍大于正常值溫度計(jì)?，F(xiàn)在實(shí)用了

紅外溫度計(jì)通常分為三種類(lèi)型:高、中和低。溫度測(cè)量范圍為700℃以上、100℃ ~ 700℃以下。

5.

紅外溫度計(jì)的缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)

(1)缺點(diǎn):

(1)易受環(huán)境因素(環(huán)境溫度、空氣中的灰塵等)影響。)。(2)對(duì)光亮或拋光金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)有很大影響。

(3)它只限于測(cè)量物體外部的溫度，這對(duì)于測(cè)量物體內(nèi)部的溫度和存在障礙物時(shí)是不方便的。(2)使用注意事項(xiàng):

(1)必須準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率。(2)避免高溫物體對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

(3)對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體的溫度。

(4)溫度計(jì)應(yīng)與被測(cè)物體表面垂直對(duì)齊，在任何情況下，角度不應(yīng)超過(guò)30℃。(5)不能應(yīng)用于光或拋光的金屬表面溫度測(cè)量，溫度測(cè)量不能通過(guò)玻璃進(jìn)行。

⑥如果紅外溫度計(jì)突然處于20℃或更高的環(huán)境溫差下，測(cè)量數(shù)據(jù)將會(huì)不準(zhǔn)確，溫度平衡后將會(huì)取測(cè)量溫度值。

因?yàn)槠胀ǖ募t外溫度計(jì)只限于測(cè)量物體外部的溫度，所以在存在障礙物的情況下測(cè)量物體內(nèi)部的溫度是不方便的，所以可以在其檢測(cè)頭上增加一段光纖，并且可以在其前端安裝具有小視角的透鏡，從而被測(cè)物體的輻射能通過(guò)透鏡到達(dá)光纖內(nèi)部。它通過(guò)光纖內(nèi)部的多次反射傳輸?shù)綑z測(cè)器。因?yàn)楣饫w可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這就解決了測(cè)量物體內(nèi)部溫度的問(wèn)題，并且可以測(cè)量角落和其他被障礙物阻擋的地方的溫度。

6.紅外測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用

近年來(lái)，紅外測(cè)溫技術(shù)從一維測(cè)量發(fā)展到二維測(cè)量，并已應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。(1)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)人體生病時(shí)，全身或局部的熱平衡被破壞，這反映在相應(yīng)部位的皮膚溫度上。紅外熱成像可用于白血病、雷諾病和腫瘤的早期診斷，尤其是淺表乳腺癌和皮膚癌的早期診斷。此外，使用紅外溫度計(jì)測(cè)量?jī)和途癫∪说捏w溫可以省去很多麻煩。

(2)工業(yè)領(lǐng)域。紅外測(cè)溫可用于列車(chē)軸溫檢測(cè)。列車(chē)軸箱將因高溫“燒軸”而發(fā)生事故。當(dāng)紅外線溫度計(jì)安裝在鐵路兩側(cè)時(shí)，當(dāng)汽車(chē)過(guò)時(shí)時(shí)，車(chē)輪的軸箱一個(gè)接一個(gè)地掃過(guò)探測(cè)器的視野，從而產(chǎn)生一系列脈沖輸出。如果某軸箱溫度允許限制，可以采取措施，檢測(cè)精度在95%以上。另一個(gè)例子是，在高壓輸電線路的許多接頭中，由于某些原因，一些接頭由于加熱而變成熱接頭。紅外溫度計(jì)可用于快速連續(xù)的非接觸測(cè)量。此外，還可用于爐溫檢測(cè)、軋制鋼板的溫度分布測(cè)量等。

7.結(jié)束語(yǔ)

紅外輻射的普遍性決定了紅外測(cè)溫應(yīng)用的普遍性。目前，紅外測(cè)溫技術(shù)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用方興未艾。不同的需求將促使更多類(lèi)型的紅外溫度計(jì)被生產(chǎn)出來(lái)。隨著微型計(jì)算機(jī)和光纖的廣泛應(yīng)用，紅外溫度計(jì)的性能將逐步提高。

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