红外测温原理及其应用

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
0.4
0.6 0.8 1
1.5 2
34
6 8 10 15 20 30
波长 (um)
常用红外光谱范围
2.1 红外测温技术的基础
❖ 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。
❖ 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。
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。
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
X-射线
紫外光
0.1A 1A 1UA 100A 0.1
❖ 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。
❖ 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
❖ 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。
Max Planck 1858 -1947
式中， ❖
2.3 普朗克定理
(2-1)
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 普朗克定理
黑体辐射光谱曲线的特性 ❖ 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
窗口和光学系统
目标
环境
453
SP1 470 EMS ?85
探测器
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。
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。
❖ 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一种颜色， 不同颜色代表不同的温度值，这样就可以得到 温度场图。
辐射能量
1
10-1
1500°C
1000°C源自文库
10-2
542°C 260°C
20°C
10-3
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
❖ 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。但是测温 系统的响应速度太不理想，在实际应用中有较 大局限性。
4 红外摄像法测量切削温度
❖
(2-3)
2.5 热辐射测温的数学描述
❖ 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。
❖ 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。
❖ 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，当这些不同强度的电压信号在摄 像机内部转化成为全电视信号并反映在电视监 视器上时，就会由于其灰度值的不同而产生亮 度依次变化的温度场图像。
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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 ❖ 1828年 ❖ 19世纪末 ❖ 1901年 ❖ 1931年
❖ 60年代后 ❖ 近二十年
威廉·赫谢尔发现红外线 M’Sweeny第一个辐射温度计 消隐光学高温计 全辐射测温仪专利(Fery) 商用全辐射测温仪问世 (Leeds&Northrup company) 迅猛发展 双色、光纤、扫描等