红外辐射测温

红外测温的几种方法
• • • • • 全辐射测温法 亮度测温法 双波段测温法 多波段测温法 最大波长测温法
全辐射测温法
• 它是根据测量波长从零到无限大整个光谱 范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器 来确定物体的温度。其总辐射功率的大小 与被测对象温度之间的关系是由斯蒂芬- 玻 尔兹曼定律来描述。图6 是一种典型的全辐 射测温仪。
• 表1列出了常用的测温方法和特点，其中红外测温作为一种常用 的测温技术显示出较明显的优势。
红外辐射测温的工作原理及特点
• 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 子谐振子模型，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。
距离系数
• 距离系数(K=S:D)是测温仪到目标的距离S 与测温 目标直径D 的比值，它对红外测温的精确度有很 大影响，K 值越大，分辨率越高。因此，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，以减小测量误差。在实际使用中，许多 人忽略了测温仪的光学分辨率。不管被测目标点 直径D 大小，打开激光束对准测量目标就测试。 实际上他们忽略了该测温仪的S:D 值的要求，这 样测出的温度会有一定的误差。
红外辐射测温仪
• 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。红外辐射能量的大小按 波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。 因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能 准确地测出它的表面温度。红外测温仪能接收多 种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。红外 辐射是电磁频谱的一部分,红外位于可见光和无线 电波之间。当仪器测温时,被测物体发射出的红外 辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为 电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测 物体的表面温度。
• 4>在动力、电力业方面, 在运行及带电条件下检测动力设 备、配电设备、电缆、电器接头等温度的异常, 为设备的 安全运行提供一定的保障。 • 5>在建筑业中, 通过对建筑物墙壁、楼面、房顶热分布的 检测确定它的绝热、裂漏隐患及缺陷的位置。确定工厂、 建筑物热耗的管理。 • 6>在农业方面, 土壤、植物表面温度的测量, 粮食、种子烘 干过程中温度的测量, 农副产品如烟叶、茶叶加工过程中 温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。 • 7>在农业方面, 土壤、植物表面温度的测量, 粮食、种子 烘干过程中温度的测量, 农副产品如烟叶、茶叶加工过程 中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。 8>在科学 研究方面, 由于红外测温仪的突出优点, 使得在特殊试验条 件要求一能提供测温手段, 应用范围较广。 总之，其应用 范围很广，在就不一一列举，由此可见红外测温仪的用途 很大，对工业，农业的发展有着重要的作用。
环境因素
• 被测物体所处的环境条件对测量的 结果有很大的影响，它主要体现在 两个方面，即环境的温度和大气吸 收。
环境温度的影响
由表中可以看出，随着环境温度的升高，产生的附加辐 射影响就越大，测温的误差也就越大。
大气吸收的影响
• 红外线在辐射的传输过程中，由于大气的吸收作 用，能量总要受到一定的衰减。大气吸收是指在 传输过程中使一部分红外线辐射能量变成其它形 式的能量，或以另一种光谱分布。大气吸收程度 随空气温温变化而变化，被测物体距离越远，大 气透射对温度测量的影响就越大。所以，在室外 进行红外测温时，应尽量在无雨、无雾、空气比 较清晰的环境下进行。在室内进行红外测温时， 应在没有水蒸气的环境下进行，这样就可以在误 差最小的情况下测得较准确的数值。
• 比如，用测量距离与目标直径S:D=8:1 的测温仪，测量距
离应满足表2 的要求。
目标尺寸
• 被测物体和测温仪视场决定了仪器测量的精度。使用红外 测温仪测温时，一般只能测定被测目标表面上确定面积的 平均值。一般测试时有以下三种情况： (1)当被测目标大 于测试视场时，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影 响，就能显示被测物体位于光学目标内确定面积的真实温 度，这时的测试效果最好。 (2)当被测目标等于测试视场 时，背景温度已受到影响，但还比较小，测试效果一般。 (3)当被测目标小于测试视场时，背景辐射能量就会进入测 温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。仪器仅显示被 测物体和背景温度的加权平均值。因此建议在实际测温时， 被测目标尺寸超过视场大小的50%为好，具体情况如图5 所示
• （2） 测试角度 辐射率与测试方向有关， 测试角度越大，测试误差越大，在用红外 进行测温时，这一点很容易被忽视。一般 来说，测试角最好在30°C 之内，一般不 宜大于45°C，如果不得不大于45°C 进行 测试，可以适当地调低辐射率进行修正。 如果两个相同物体的测温数据要进行判断 分析，那么在测试时测试角一定要相同， 这样才更具有可比性。
红外测温误差分析
• 由于红外测温是非接触式的，这样会存在着各种误差，影 响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要表现在 以下几个方面：
• • • • •
辐射率 距离系数 目标尺寸 响应时间 环境因素
辐射率
• 辐射率是一个物体相对于黑体辐射能力大 小的物理量，它除了与物体的材料形状、 表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的 方向有关。若物体为光洁表面时，其方向 性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的， 红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小 正比于它的辐射率。
• 亮度测温法 它是根据测量给定波长K0 附近一窄光谱范围 的辐射用黑体定标的仪器来确定物体的温度, 适用于高温 测量。 • 双波段测温法 它是根据测量两个给定波长K1 和K2 的辐 射功率之比, 用黑体定标的仪器来确定物体的温度, 适合测 量发射率变化或未知的物体, 但只适合于测量辐射能量密 度大的高温物体。这3 种方法均由普朗克定律来描述。 • 多波段测温法 依次取多个波段, 通过计算这些波段辐射功 率之间的复杂关系来确定物体的温度。 • 最大波长测温法 由维恩位移定律, 黑体辐射峰值波长 Kmax与绝对温度T 之积为一常数, 通过测量峰值波长 Kmax来计算温度T。此法常用测量极高温(大于2 000 °C)。由此可见, 非接触红外测温有以下的缺点：测得的 温度值是测量对象的表面温度, 且必须用发射率进行修正, 增加了测量的复杂性; 周围介质的影响引起测量误差。
• （1） 辐射率的设定 根据基尔霍夫定理：物体表面的半 球单色发射率(ε)等于它的半球单色吸收率(α)，ε=α。在热 平衡条件下，物体辐射功率等于它的吸收功率，即吸收率 (α)、反射率(ρ)、透射率(γ)总和为1，即α+ρ+γ=1，图4 解 释了上述规律。对于不透明的(或具有一定厚度)的物体透 射率可视γ=0，只有辐射和反射(α+ρ=1)，当物体的辐射率 越高，反射率就越小，背景和反射的影响就会越小，测试 的准确性也就越高；反之，背景温度越高或反射率越高， 对测试的影响就越大。由此可以看出，在实际的检测过程 中必须注意不同物体和测温仪相对应的辐射率，对辐射率 的设定要尽量准确，以减小所测温度的误差。
红外辐射测温
概要 原理 分类 应用
孟令刚
201101198
概要
在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热 运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了 波段位于0. 75～100μm 的红外线.红外辐射测温就是利用 这一原理,温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工 业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺 过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品 等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的 质量和性能。传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等， 因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后 才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产 质量检验中存在一定的使用局限。目前，红外温度仪因具 有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实 现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广 应用。
红源自文库辐射测温器种类
• 红外测温仪器主要有3种类型： 红外热像仪、红外热电视、红 外测温仪（点温仪）。
应用
• 红外测温仪具有非接触和快速测温的优点, 在工业、农业、 医疗和科学研究方面都有着广泛的用途。按其使用的途径 可分为两大类首先是测量被测目标的表面温度其次是利用 测量物体的热分布状况判断物体与热分布有关的其他性质 的间接测量。举例如下： • 1>钢铁工业中使用的红外测温仪占总量的一半以上。炼钢、 轧钢、浇铸、淬火时测量控制温度对提高产品的质量起着 重要的作用。对炉壁和机械设备热故障的监测为延长使用 寿命和安全保障提供依据。 • 2>在机械加工中, 测量控制热处理部件的温度对产品质量 起着关键的作用。 • 3>在化学工业中, 化工设备都在高温高压下工作, 监测设备 的热分布状况, 判断设备工作情况, 检测热篙道接口热损耗、 热泄漏故障是十分有用的。
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红外测温仪特点:非接触式测量,测温范围广,响应速度快, 灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响,几乎不可能 测到被测对象的真实温度,测量的是表面温度。
红外测温仪的系统组成
• 红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个 局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通 过已知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。 由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同， 红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同， 但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光 电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出 等部分组成，其基本结构如图2 所示。 辐射 体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器 把红外辐射调制成交变辐射，由探测器转变成 为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处 理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校 正后转变为被测目标的温度值。
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。如果目标的运动速度很快或者 测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测 温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量 精度。但并不是所有应用都要求快速响应的红外 测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时， 测温仪的响应时间可放宽要求。因此，红外测温 仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。