红外测温的理论依据

第一章 人体红外线测温仪的理论依据

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：

()1

ex p 251-=

-T c c T P b λλλ （1）

其中，Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度；

λ—波长； T —绝对温度； c 1、c 2—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 = 2897.8 μm*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：

()4T T P b σ= (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，物体在同一波长围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0<ε<1，由式(2)可得：

()()()4;T T P T P T P b εσε==

所测物体的温度为：

()4

1⎪

⎭

⎫ ⎝⎛=εσT P T (4)

式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。 1.2人体红外线测温仪的理论依据

自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。红外辐射原理— 辐射定律：

440()E T T σε=- （2.1）

式中：E 为辐射出射度数，3W/m ；σ为斯蒂芬―波尔兹曼常数，

8245.67*10W/(m )K -⋅；ε为物体的辐射率；T 为物体的温度，单位K ；0T 为物体

周围的环境温度，单位K 。测量出所发射的E ，就可得出温度。

利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。在不同的温度围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0～100℃）围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度围和用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。根据式（2.1）的原理，仪表所测得的红外辐射为：

441212()E A T T σεε=- （2.2）

式中：A 为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；1ε为被测对象的辐射率；2

ε为红外温度计的辐射率；1T 为被测对象的温度（K ）；2T 为红外温度计的温度

（K ）；它由一个置的温度检测元件测出。

辐射率ε是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数，数值由0至1.0。所有真实的物体，包括人体各部位的表面，其ε值都是某个低于1.0的数值。人体主要辐射波长在9～10m μ的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长围的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。

通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1秒以可测试完毕。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。

第二章 人体红外线测温仪的性能指标及作用

总的来说，测温围、显示分辨率、精度、工作环境温度围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。

1、确定测温围：测温围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温围。

2、确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。否则背景会干扰测温读数，造成误差。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带辐射能量的比值来确定的。

3、确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由D ：S 之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D 与被测目标直径之比。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。光学分辨率越高，测温仪的成本也越高。

4、确定波长围 ：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。

5、确定响应时间：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。

6、信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。

7、环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。