红外测温原理及其应用
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红外测温原理及其应用
1 红外测温发展过程
1800年 威廉·赫谢尔发现红外线 1828年 M’Sweeny第一个辐射温度计 19世纪末 消隐光学高温计 1901年 全辐射测温仪专利(Fery) 1931年 商用全辐射测温仪问世
(Leeds&Northrup company) 60年代后 迅猛发展
窗口和光学系统
目标
环境
探测器
453 SP1 470 EMS ?85
显示及输出
3.1 红外测温仪特点
非接触测量：它不需要接触到被测温度场的 内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的 状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。
测量范围广：因其是非接触测温，所以测温 仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工 作在正常的温度或测温仪允许的条件下。一 般情况下可测量负几十度到三千多度。
使用安全及使用寿命长。
3.1 红外测温仪缺点
易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰 尘等）。
对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影 响较大。
只限于测量物体外部温度，不方便测量物体 内部和存在障碍物时的温度。
4 红外摄像法测量切削温度
本世纪五十年代以来，根据使用的测量仪器 的不同，利用红外技术测量温度场的方法可 分为两类：红外点温度计法和红外照相法。
所测物体的温度为：
(2-4)
式(2-4)就是物体的热辐射测温的数学描述。
3 红外测温仪工作原理
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。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能 量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信 号再经换算转变为被测目标的温度值。
工作原理是：物体发出的红外辐射经过摄像 镜头后打在红外摄像机内部的红外光敏元件 板上，该板将辐射能转化成电压信号，由于 温度场内不同温度的各点向外辐射红外线的 强度不同，所以经过红外敏感元件板后得到 的电压信号的强弱也不同，当这些不同强度
4 红外摄像法测量切削温度
亮度较大的地方，表示该处的温度较高；反 之，表示温度较低。这些原始的温度场图像 通过录像机记录在磁带上。
使用红外点温度计，被测点的温度是一定面 积上的平均温度，但当前国内外被测点的面 积还不能足够小，而且测量点在切削区的坐 标位置不易确定。
红外照相法从原理上来说是比较理想的测量 方法，可以得出完整的切削区温度场。但是
4 红外摄像法测量切削温度
八十年代后期发展起来的红外摄像法较上述 两种方法具有更好的准确性和更快的响应速 度。
测温速度快：即响应时间快。只要接收到目 标的红外辐射即可在短时间内定温。
3.1 红外测温仪特点
准确度高：红外测温不会与接触式测温一样 破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。
灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射 能量就有较大改变，易于测出，可进行微小 温度场的温度测量和温度分布测量，以及运 动物体或转动物体的温度测量。
10-3
1500°C
1000°C 542°C 260°C
20°C
10-4 01
23
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
波长（微米）
2.4 斯特潘-玻尔兹曼定理
式中，
(2-2)
式(2-2)中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。
2.5 热辐射测温的数学描述
(2-3)
2.5 热辐射测温的数学描述
黑体炉即为人工制造的性能接近理想黑体的辐射标准源， 用于定期对红外测温仪进行检测标定。
2.3 普朗克定理
虽然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理，即以波长表示的 黑体光谱辐射度。
2.2 黑体
在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大 值，这种物质称为黑体，设定它的发射系数为1。其它 发射系数在0-1之间的物质称为灰体。
它是一个理想辐射体，表明它的自身能量可以全部向外 界辐射出来，但自然界中并不存在这样的理想黑体。
不透明的材料制成带小孔的空腔, 可近似看作黑体。
2.2 黑体
初期录像结束后，还要对原始图像进行图像 处理，主要工作是在带有彩色监视器的个人 计算机上完成。
原始图像经过图像接口进入计算机，进行滤 波、伪着色等处理过程，根据亮度不同，设 置16个灰度值，将灰度值相等的区域着上同
4 红外摄像法测量切削温度
现场测量时，将红外摄像机对准处于切削状 态的刀具，在刀头的下方加一个平行光源， 这样可使温度场处于刀具轮廓的背景中，同 时也既反映了温度场，又反映了温度场在刀 具上的相对位置。如图4.1所示：
0.1
红外光
无线电波 EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF
1
10
100
0.1cm 1cm 10cm
1m
10m 100m 1km 10km 100km
波长
Βιβλιοθήκη Baidu
0.4
0.6 0.8 1
1.5
2
3
4
常用红外光谱范围
6
8 10
15
20
30
波长 (um)
2.1 红外测温技术的基础
在自然界中，当物体的温度高于绝对零度 (-273°C)时，由于它内部热运动的存在，就 会不断向四周辐射电磁波，其中就包含了波 段位于0.75~100μm红外线。
4 红外摄像法测量切削温度
图4.1 红外摄像法测温装置
5 红外摄像法测量切削温度
为了准确地测定刀具刃区温度场，避免切屑 干扰，在工件的外圆上磨出一个平面，刀具 与工件相对运动到这个平面时，切屑断开， 刀头全部露出，这时就可以测得刀具刃区温 度场了。
1 红外测温发展过程
William Herschel 1738 - 1822
2 红外测温的原理
红外测温仪可捕捉从所有物体辐射出的红外能量。红外 辐射是电磁频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、 微波、可见光、紫外线、伽玛射线和X光。
可见光
Gamma Rays
0.1A
1A
X-射线
紫外光
1UA
100A
Max Planck 1858 -1947
2.3 普朗克定理
(2-1)
式中，
2.3 普朗克定理
图2.1 黑体辐射的光谱分析
2.3 普朗克定理
2.3 黑普体朗辐克射定光谱理曲线的特性
不同温度的辐射曲线永不会相交 随温度增加，辐射能量增大而峰值波长减小，波长与温
度成反比102
101
辐射能量
1 10-1 10-2
1 红外测温发展过程
1800年 威廉·赫谢尔发现红外线 1828年 M’Sweeny第一个辐射温度计 19世纪末 消隐光学高温计 1901年 全辐射测温仪专利(Fery) 1931年 商用全辐射测温仪问世
(Leeds&Northrup company) 60年代后 迅猛发展
窗口和光学系统
目标
环境
探测器
453 SP1 470 EMS ?85
显示及输出
3.1 红外测温仪特点
非接触测量：它不需要接触到被测温度场的 内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的 状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。
测量范围广：因其是非接触测温，所以测温 仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工 作在正常的温度或测温仪允许的条件下。一 般情况下可测量负几十度到三千多度。
使用安全及使用寿命长。
3.1 红外测温仪缺点
易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰 尘等）。
对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影 响较大。
只限于测量物体外部温度，不方便测量物体 内部和存在障碍物时的温度。
4 红外摄像法测量切削温度
本世纪五十年代以来，根据使用的测量仪器 的不同，利用红外技术测量温度场的方法可 分为两类：红外点温度计法和红外照相法。
所测物体的温度为：
(2-4)
式(2-4)就是物体的热辐射测温的数学描述。
3 红外测温仪工作原理
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。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能 量，红外能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信 号再经换算转变为被测目标的温度值。
工作原理是：物体发出的红外辐射经过摄像 镜头后打在红外摄像机内部的红外光敏元件 板上，该板将辐射能转化成电压信号，由于 温度场内不同温度的各点向外辐射红外线的 强度不同，所以经过红外敏感元件板后得到 的电压信号的强弱也不同，当这些不同强度
4 红外摄像法测量切削温度
亮度较大的地方，表示该处的温度较高；反 之，表示温度较低。这些原始的温度场图像 通过录像机记录在磁带上。
使用红外点温度计，被测点的温度是一定面 积上的平均温度，但当前国内外被测点的面 积还不能足够小，而且测量点在切削区的坐 标位置不易确定。
红外照相法从原理上来说是比较理想的测量 方法，可以得出完整的切削区温度场。但是
4 红外摄像法测量切削温度
八十年代后期发展起来的红外摄像法较上述 两种方法具有更好的准确性和更快的响应速 度。
测温速度快：即响应时间快。只要接收到目 标的红外辐射即可在短时间内定温。
3.1 红外测温仪特点
准确度高：红外测温不会与接触式测温一样 破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。
灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射 能量就有较大改变，易于测出，可进行微小 温度场的温度测量和温度分布测量，以及运 动物体或转动物体的温度测量。
10-3
1500°C
1000°C 542°C 260°C
20°C
10-4 01
23
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
波长（微米）
2.4 斯特潘-玻尔兹曼定理
式中，
(2-2)
式(2-2)中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。
2.5 热辐射测温的数学描述
(2-3)
2.5 热辐射测温的数学描述
黑体炉即为人工制造的性能接近理想黑体的辐射标准源， 用于定期对红外测温仪进行检测标定。
2.3 普朗克定理
虽然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理，即以波长表示的 黑体光谱辐射度。
2.2 黑体
在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大 值，这种物质称为黑体，设定它的发射系数为1。其它 发射系数在0-1之间的物质称为灰体。
它是一个理想辐射体，表明它的自身能量可以全部向外 界辐射出来，但自然界中并不存在这样的理想黑体。
不透明的材料制成带小孔的空腔, 可近似看作黑体。
2.2 黑体
初期录像结束后，还要对原始图像进行图像 处理，主要工作是在带有彩色监视器的个人 计算机上完成。
原始图像经过图像接口进入计算机，进行滤 波、伪着色等处理过程，根据亮度不同，设 置16个灰度值，将灰度值相等的区域着上同
4 红外摄像法测量切削温度
现场测量时，将红外摄像机对准处于切削状 态的刀具，在刀头的下方加一个平行光源， 这样可使温度场处于刀具轮廓的背景中，同 时也既反映了温度场，又反映了温度场在刀 具上的相对位置。如图4.1所示：
0.1
红外光
无线电波 EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF
1
10
100
0.1cm 1cm 10cm
1m
10m 100m 1km 10km 100km
波长
Βιβλιοθήκη Baidu
0.4
0.6 0.8 1
1.5
2
3
4
常用红外光谱范围
6
8 10
15
20
30
波长 (um)
2.1 红外测温技术的基础
在自然界中，当物体的温度高于绝对零度 (-273°C)时，由于它内部热运动的存在，就 会不断向四周辐射电磁波，其中就包含了波 段位于0.75~100μm红外线。
4 红外摄像法测量切削温度
图4.1 红外摄像法测温装置
5 红外摄像法测量切削温度
为了准确地测定刀具刃区温度场，避免切屑 干扰，在工件的外圆上磨出一个平面，刀具 与工件相对运动到这个平面时，切屑断开， 刀头全部露出，这时就可以测得刀具刃区温 度场了。
1 红外测温发展过程
William Herschel 1738 - 1822
2 红外测温的原理
红外测温仪可捕捉从所有物体辐射出的红外能量。红外 辐射是电磁频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、 微波、可见光、紫外线、伽玛射线和X光。
可见光
Gamma Rays
0.1A
1A
X-射线
紫外光
1UA
100A
Max Planck 1858 -1947
2.3 普朗克定理
(2-1)
式中，
2.3 普朗克定理
图2.1 黑体辐射的光谱分析
2.3 普朗克定理
2.3 黑普体朗辐克射定光谱理曲线的特性
不同温度的辐射曲线永不会相交 随温度增加，辐射能量增大而峰值波长减小，波长与温
度成反比102
101
辐射能量
1 10-1 10-2