最新人体红外线测温仪原理

人体红外线测温仪原
理
人体红外线测温仪原理
红外线测温仪原理
一，红外测温的理论原理
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，就会不断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于
0.75µm~100µm的红外线。

他最大的特点是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，并设定他的反射系数为1，其他的物质反射系数小于1，称为灰体，由于黑体的光谱辐射功率P(λＴ)与绝对温度T之间满足普朗克定。

说明在绝对温度T下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为P(λＴ)。

根据这个关系可以得到图1的关系曲线，从图中可以看出：
（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)，并且满足维恩位移定理，峰值处的波长与绝对温度T成反比，虚线为处峰值连线。

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。

二，红外线测温仪的原理
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。

被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。

两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。

显示器指出被测物体的亮度温度
三，红外线测温仪的性能指标及作用
测温范围，显示分辩率，精度，工作环境温度范围，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
1，确定测温范围：测温范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范围。

因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。

根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化。

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。

建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。

如果目标尺寸小于视场，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。

相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。

对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。

因此当被测目标很小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、
阻挡，对辐射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响。

对于细小而又处于运动或震动之中的目标，双色测温仪是最佳选择。

这是由于光线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。

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，即增大D：S比值，测温仪的成本也越高。

如果测温仪远离目标，而目标又小，就应选择高距离系数的测温仪。

对于固定焦距的测温仪，在光学系统焦点处为光斑最小位置，近于和远于焦点位置光斑都会增大。

存在两个距离系数。

4，确定波长范围：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。

在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.8～1.0μm。

其他温区可选用1.6μm,2.2μm和3.9μm。

由于有些材料在一定波长上是透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特殊的波长。

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。

如果目标的运动速度很快或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。

然而，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，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。

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）可供选用，如测温传送带上的瓶子时，就要用峰值保持，其温度的输出信号传送至控制器内。

否则测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。

若用峰值保持，设置测温仪响应时间稍长于瓶子之间的时间间隔，这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。

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。

当环境温度高，存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。

这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，实现准确测温。

在确定附件时，应尽可能要求标准化服务，以降低安装成本。

8，红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。

如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，则需退回厂家或维修中心重新标定。

四，影响红外测温仪的主要因素
1、测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。

红外
测温仪距离系数K的定义为：被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D
2、选择被测物质发射率：红外测温仪一般都是按黑体（发射率
ε=1.00）分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。

因此，在需要测量目标的真实温度时，须设置发射率值。

物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。

3、强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。

4、小目标的测量
⑴应将测温仪固定在三角架（可选附件）上
⑵需要精确调焦，即：用目镜中小黑点对准目标（目标应充满小黑点），将镜头前后调整，眼睛稍微晃动，如果被测小黑圆点之间没有相对运动，则调焦就已完成
5.温度输出功能
（1）数字信号输出——RS232、RS485，温度信号远传
（2）模拟信号输出——0～5V，1～5V，0～10V，0/4～20毫安，可以加入闭环控制中。

（3）高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里,可设置高,低报警值。

高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的LED灯闪烁，蜂鸣器响，并有AH常开继电器接通。

今后十年我国轴承产品与技术发展预测
今后十年我国轴承产品与技术发展预测
中国轴承工业协会陶必悦
洛阳轴承研究所周有华
摘要从我国轴承制造业技术进步和提高与重点主机配套能力的角度，瞄准工业发达国家轴承产品的先进水平，对今后十年(2001～2010年)我国应重点发展的十类轴承产品和十项具有共性的关键技术作了分析和预测。

轴承是关系国民经济发展的关键机械基础件，其技术水平和产品质量对主机的性能和质量有着重要的影响，被誉为机械的“关节”。

改革开放以来，我国轴承产品水平和制造技术水平有了长足进步，与重点主机配套能力有了很大提高，轴承品种规格达28000个，部分品种已具有国际水平。

目前，我国轴承生产企业约2000家；轴承年产量20亿套，居世界第三位；产值200亿元，排世界第四位；年出口10亿套，创汇5亿美元。

中国已跻身于世界轴承生产大国行列。

但与工业发达国家相比，我国轴承制造业的整体水平还存在着相当
大的差距——组织结构散乱差，重复建设严重，生产集中度低；产品设计水平低，新产品开发跟不上主机发展需求；制造技术落后，尺寸散差大，振动噪声大，性能一致性差，寿命可靠性低；产品档次低，价格乱，竞相压价争市场，国际竞争能力差。

为主机配套和维修的一些高技术含量的轴承主要依靠进口，而出口轴承则主要是低档通用轴承。

轴承制造业的这种落后状况，已经成为制约机械工业发展的重要因素之一。

通过对我国轴承制造业现状的分析和广泛征求专家意见，初步将今后十年（2001～2010年）轴承制造业发展的基本思路归纳为：结合市场需求，努力开发紧缺轴承新品种；瞄准工业发达国家轴承产品的先进水平，大力改造老产品，使我国轴承产品和制造技术水平有一个大幅度提高，促进产品质量全面迈上新台阶；适度发展生产能力。

现就我国轴承产品和关键技术在今后十年的发展作如下分析和预测。

一、轴承产品的发展
轴承产品的发展具有五个方面的特征：
⒈继续坚持产品的“三化”（标准化、通用化、系列化）方向，以最少的品种满足不同产业的多样化需求，并有利于产品规模化生产的要求。

⒉产品向轻量化、组件化、单元化、智能化发展，以配合主机产品更新换代要求。

⒊产品向高速度、高精密、高可靠性、低摩擦、低振动、低噪声发展[1]。

⒋发展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）以及计算机集成制造系统/信息管理系统（CIMS/IMS）技术。

⒌在轴承产品上采用现代高新技术、新钢种、新材料、表面改性技术以及新的设计理论等，以发展轴承可靠性技术。

重点发展的轴承产品大致可分为十类：
⒈航空航天轴承——军用飞机发动机主轴轴承、火箭发动机涡轮泵轴承以及各类飞行器和舰船导航仪表轴承（如陀螺马达轴承、陀螺框架轴承、卫星姿控轴承）
轴承是航空航天工业配套和维修所必需的关键件，与航空航天工业的发展和技术进步密切相关。

轴承的技术水平、性能和质量的优劣直接影响着飞机、火箭、卫星等航空航天飞行器的性能寿命和可靠性。

航空航天轴承较民用轴承具有更多特殊性，在精度、速度、灵敏度、寿命、可靠性、温度、真空度、腐蚀、辐射等方面均有很苛刻的要求。

为满足这些要求，在轴承的设计、选材、加工、检测、试验、润滑、使用、维护等各方面都必须采取相应的技术措施。

航空航天轴承技术含量高，在国际上亦属绝密范畴，因此必须结合我国航空航天发展计划自行开发。

我国民航现有的主力服务机群和维修轴承均为进口。

军用飞机制造历史久远，歼击机具有代表性，其配套轴承为自行研制。

对飞机发动机主轴轴承的基本要求是高速、高温和高可靠性。

国产轴承的dn
值为(1.56～1.8)×106 mm•r/min，温度200～250℃，寿命500h；国外同类产品的dn值(2.25～2.55)×106mm•r /min[2]，温度250～300℃，寿命1000h。

dn值为3×106mm•r/min的轴承，国外正在研制之中。

陀螺仪轴承，国内精度ABEC7级（P4级）、摩擦力矩0.003～
0.004mN•m；国外精度AB EC9级（P2级）、摩擦力矩0.001～
0.002mN•m。

火箭发动机涡轮泵轴承，温度-253℃（液氢）～-183℃（液氧），转速20000～40000r/min，寿命国内3h、国外7h。

航空航天轴承品种多批量小，国内外价格悬殊。

订货量50套以内，国内外价格比1:(10～15)。

为使国产航空航天轴承在今后十年内达到工业发达国家当前的先进技术水平，应重点开发高速度（dn=2.5×106mm•r/min）、大推力、耐高温（300℃,高温渗碳钢[3]）、长寿命（1000h）、高可靠性燃气涡轮发动机主轴轴承；高速度（dn=1.5×106mm•r/min）、大推力、耐低温（-253℃～-183℃）、耐腐蚀（零件表面改性处理）、自润滑（多孔含油保持架）、高强度、高可靠性火箭动力涡轮泵主轴轴承；高速度（20000r/min）、高精度（轴承精度P2级、钢球P3级）、高灵敏度（启动摩擦力矩≤0.003mN•m）、高可靠性、长寿命（50000h）、自润滑（微孔含油保持架）陀螺马达轴承；高精度（轴承精度P2级、钢球P3级）、高灵敏度（启动摩擦力矩
≤0.003mN•m）、耐高真空（真空度1013乇）、自润滑（微孔含油保持架）、长寿命（8年）、高稳定性、高可靠性的卫星轴承；其他它带各种法兰盘的异形航空轴承、陶瓷滚动体轴承等。

⒉高速铁路客车轴承（时速320km、寿命350～500万公里）
目前，我国铁路客车运行速度平均在100～120km/h，部分线路（广琛、京沪、宁沪线——准高速铁路）达到160～240km/h。

引进的高速列车样机在试运行之中。

2000年9月，我国首台时速305km的高速电力机车问世。

“十五”期间可望在京沪线、京沈线、京广线部分路段逐步实行高速化，与之配套的高速铁路客车轴承的研制势在必行。

我国年产铁路客车轴承18万套，预计今后十年内高速铁路客车轴承的年用量为1.5～2万套，约占铁路客车轴承总量的1/10。

高速铁路客车轴承附加值高，将会成为轴承制造业和社会效益不可忽视的增长点。

高速铁路客车（轮对）轴承开发的主要内容：提高轴承高速运行下寿命可靠度，开发新结构轴承及其性能试验技术、轴承新材料应用技术（套圈和滚子采用低含氧量的真空脱气钢）、高速铁路轴承专用长寿润滑脂、大型工程塑料保持架，研制工艺装备及检测仪器，开展高速铁路客车轴承模拟试验研究、高速铁路客车轴承数学分析研究。

⒊新型轿车轴承——轮毂轴承单元、自调心冲压离合器轴承单元、等速万向节总成、水泵轴承单元、发电机轴承和空调压缩机轴承
工业发达国家的轴承制造业随着轿车制造业的迅速发展而得到相应地快速发展。

轿车轴承按结构特点划分，现已发展到所谓第三、四代产品，最具代表性的为轮毂轴承、离合器轴承单元和等速万向节总成[4]。

其结构特点是，轴承零件与汽车的相关零件联结为一体，
形成轮毂轴承单元。

国外轮毂轴承单元已进入系列化、实用化、小型化、轻量化、高速化[5] 、大批量生产阶段。

由于压力加工、热处理技术的提高，已出现薄钢板冲压离合器轴承[6]。

随着我国汽车制造业的发展，为满足国产轿车配套和维修的需要，必须发展这类轴承产品。

我国目前的汽车保有量为2500～3000万辆，年产量170万辆[7]。

根据今后十年我国汽车制造业发展规划，轿车年产量将达到400～500万辆，到2010年轿车关键部位轴承年需要量为1.2亿套。

国家已将汽车制造业列为国民经济的支柱产业，轴承是汽车的主要配套件，轴承制造业的发展必须与汽车制造业同步甚至超前。

我国汽车轴承特别是轿车轴承的开发将坚持三化方向，并向单元化、组合化发展，做到同一系列车型用同结构或同型号的轴承；发展长寿命轴承（即延寿）技术，努力使轴承与整车等同使用寿命；研究开发新材料（包括密封材料）或经表面改性处理的汽车轴承、高速长寿汽车轴承润滑脂、精密成形技术和复合表面精加工技术；提高磨削、超精研、装配的技术水平和自动化程度；开发汽车轴承动态模拟试验技术和仿真试验技术。

⒋精密数控机床（数控车床、铣床、磨床、镗床和加工中心）主轴轴承
精密数控机床主轴轴承技术含量高，加工精度高，附加值高，是体现轴承制造业技术水平的标志性产品。

国外加工中心主轴的转速普遍为8000r/min，业已开发出30000～40000r/min的加工中心[8]。

机床的高速化是高效率加工优良零件的普遍追求，高转速已成为高速
加工中心的主要特征[9]。

目前我国机床年产量的数控化率约为12%,国内市场占有率约为50%[10]。

国内市场上，精密数控机床主轴轴承年需求量为5～8万组（套）。

精密数控机床主轴轴承的开发，除坚持三化方向，并向单元化、组合化、智能化、高速化发展外，还将侧重开发纳米级加工与测量技术、G3级精密钢球研磨技术、精密凸度圆滚子制造技术、轴承精度保持性技术、高速主轴轴承冷却技术和轴承组配技术。

⒌工业机器人精密薄壁轴承——常规环境下工作的机器人用薄壁轴承、高温（>150℃）环境下工作的机器人用薄壁轴承和腐蚀、辐射、污染环境下工作的机器人用薄壁轴承
我国现有工业机器人总装机量约为1200台，其中国产的约占1/3(即400多台),仅占世界机器人总装机台数70万台的万分之五点七[11]。

我国机器人的研究开发始于1986年[12]，与之配套的国产轴承起步更晚，目前多为进口。

“八五”期间安排了部分机器人轴承的试制工作，试制品仍处于展品阶段或试用阶段，尚未实现产业化。

随着21世纪的到来，我国工业现代化进程加快，特别是以计算机为主的现代工业的发展为我国工业机器人的发展创造了条件。

“十五”期间，我国工业机器人将进入小批量制造和产业化初期，有望达到年产200～500台套。

预计与之配套的精密薄壁轴承平均年产量可达1000～2000台套。

2010年全国累计工业机器人保有量为1万台左右，
工业机器人精密薄壁轴承将向精密化、小型化和智能化发展，需相应开发薄壁套圈热处理新工艺（确保套圈耐磨又不脆裂）、纳米级轴承加工设备和检测仪器，开发耐腐蚀、耐高温、抗辐射的轴承新材料。

⒍特种轴承——陶瓷轴承（陶瓷角接触球轴承如高速机床主轴轴承、陶瓷圆柱滚子轴承如高速燃气涡轮发动机主轴轴承、陶瓷深沟球轴承如高温高速电机轴承、陶瓷圆锥滚子轴承如在腐蚀环境高温条件下作业的化工机械用轴承）和磁浮轴承（高速机床主轴磁浮轴承单元）
陶瓷轴承系指用氮化硅（Si3N4）等陶瓷材料制造的轴承，可分为混合陶瓷轴承（滚动体用陶瓷制作，套圈用金属材料制作）和全陶瓷轴承（全部轴承零件用陶瓷制作）两类。

与金属材料相比，陶瓷材料具有耐高温、抗腐蚀、比重小、热胀小、无磁性、弹性好等特性[13]，从而为陶瓷轴承的应用开辟了广阔前景。

譬如，根据其比重小和耐高温的特点，制作高速燃气涡轮发动机主轴轴承、高速磨削主轴轴承；根据其耐高温，耐腐蚀的特点，制作工业锅炉、炊事机械、造纸机械、化工机械用轴承；利用其绝缘性，制作牵引电机轴承等。

国外预计，当陶瓷轴承的价格下跌后，使用陶瓷轴承将更为普遍。

目前约有20%的主轴采用陶瓷轴承，很快就会达到
50%[14]。

我国已制成陶瓷球的混合型陶瓷轴承，预计“十五”期间可完成全陶瓷轴承的研制并形成小批量生产，2010年前实现产业化生产。

各类主机对陶瓷轴承的年需要量可达3000～5000万套。

磁浮轴承（又称电磁轴承、磁力轴承、磁性轴承）是利用电磁力使轴稳定悬浮起来，且轴心位置可由控制系统控制的一种新型轴承，是集机械学、力学、控制工程学、电磁学、电子学和计算机科学于一体的机电一体化产品[15]。

它具有无接触、无摩擦磨损、无需润滑，以及一般轴承无法比拟的长寿命（几乎有无限的使用寿命[16]）等优点。

国外首批进入实用阶段的磁浮轴承是1972年法国完成的卫星导航飞轮磁浮系统和1978年德国NBB公司研制的时速360km的高速列车磁浮系统。

我国从60年代就着手研究磁浮轴承，在某些领域（如电主轴[17]）已取得实际应用效果。

主轴高速化是机床发展的重要趋势之一。

今后几年即使在一般的工厂中，主轴转速亦将逐渐增加，其平均转速超过5000r/min。

我们即将看到转速为250000r/min的主轴[14]。

没有绝对圆的滚动元件和绝对平的导轨，因而总有一点爬行和反向移动时的滞后。

陶瓷轴承可以较全钢轴承达到更高的转速(dn=(2.5～2.7)×106 mm•r/min[18.19])，但为了达到主轴的极限转速终究需要某些非接触式轴承[14. 20]，如磁浮轴承。

主轴采用磁浮轴承后，轴承允许转速设定值可比球轴承提高一倍，其dn值达到5×106mm•r/min[21]。

随着我国工业现代化，磁浮轴承的需求将会更迫切。

预计“十五”计划期间在国家支持下在控制系统方面将会有所突破，之后该项技术将进入产业化生产阶段。

对于陶瓷轴承，需研究各类陶瓷材料特性，陶瓷制粉、成型、烧结以及精加工技术和相应的陶瓷轴承制造设备[12]，陶瓷精密成品的
各种检测设备或仪器；对于磁浮轴承，需研究磁浮轴承动力学、磁浮轴承单元控制系统。

⒎自动化办公机械用轴承——计算机硬盘驱动器主轴轴承单元（高速度——转速7000～10000r/min，高精度——非重复径向跳动
<0.1μm，低噪声、长寿命、低摩擦力矩、高清洁度），激光打印机主轴轴承单元（耐高温、低噪声、长寿命、低摩擦力矩）
以计算机磁盘驱动器主轴轴承和激光打印机主轴轴承为代表的自动化办公机械用轴承，在工业发达国家已经大批量生产，国内尚处于研制阶段。

目前，与国产计算机、激光打印机配套的轴承均为进口产品。

这类产品技术含量高，制造精度、清洁度及动态性能要求高，国内无相应的轴承设备制造厂。

在当前轴承企业资金困难，而这类产品的开发和产业化又需较大投入的情况下，若无国家扶持，则短期内难有突破。

从计算机生产或拥有量来看，我国已步入“计算机大国”行列。

据粗略统计，2000年国内计算机年产量将达到500万台，加上激光打印机、摄像机、影碟机等，轴承年需求量为1.2～1.5亿套。

有鉴于此，建议国家在科研和产业化生产等方面立项，组织有关轴承科研和生产单位集中突破，可为国家带来较好的经济效益。

按1美元/套计，年节约外汇1.5亿美元。

此类轴承系列的开发应以满足国内大计算机公司的需要为目的，走引进和技术开发相结合的路子，开发纳米级轴承成套制造技术（包括制订实用先进的工艺路线，开发滚动表面超精密加工技术、滚动表面改性技术、微米级清洗技术，研制相应的关键设备、检测仪器
和专用低噪润滑脂），制订产品性能检测标准。

建议国家立项，建立此类轴承的专业化生产车间，实现大批量生产，以堵住此类轴承的进口。

⒏新型调心滚子轴承系列——CC型轴承系列和CARB型轴承系列瑞典SKF轴承公司开发的CC型、CARB型新型球面滚子轴承，由于其结构上的优越性，已引起各国轴承制造公司的普遍重视，并相继发展。

CC型与我国现行C、CA、E型相比，由于采用活动中挡圈、冲压保持架、对称滚子，以及滚道的特种光洁加工技术，从而可大幅度提高动负荷容量，降低摩擦力矩，显著提高轴承使用寿命和轴承转速，并可大量节约保持架用黄铜，降低轴承制造成本。

CARB型与我国现行C、CA、E型轴承相比，滚子的曲率半径要大得多，相应的径向截面积也小，内圈滚道无挡圈，滚子较长较粗，可允许较大的轴向偏斜而相应径向游隙变化小，不影响轴承寿命，从而可在环境温度变化大和重载且设备结构要求紧凑的情况下使用，如造纸卷筒、轧钢卷板机等。

为适应我国工业化的发展，应开发和产业化生产这两种调心滚子轴承。

作为产品更新换代的CC型应大面积发展并逐步取代现行的C、CA型。

CARB型应在“十五”完成研制，“十一五”产业化生产。

目前国产调心滚子轴承的在用量为350万套，若每年以10％的速度进行改造替换，则CC、CARB型年需要量应为30～50万套。