红外原理及应用.

比率测温仪（双波长测温仪/双色测温仪） 多波长测温仪（其它测温仪）
27
威廉姆逊传感器技术和应用
22

非金属材料
-
水和二氧化碳在空气中的红外频谱图
传
导
波
长
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冷轧带钢的发射率和波长的关系
Norm al Spectral Em issivity of Cold Rolled Steel 冷轧钢的普通光谱发射率 0.55 0.5 0.45
Touloukian and DeWit t Iuchi Gaskey Eqn. Met allic Theor y ( Fe @800 C)
发 射 0.35 率 0.3
0.25 0.2 0.15 0.1 0 1 2 3 Wavelength (m icrons) 4
Emissivity
0.4
波长(m)
5
6
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温度测定的方法


传统的温度传感器 - 产品: 热电偶、电阻式温度计、测温仪 - 特点: 测量自身温度, 响应时间长, 必须与被 测目标接触测量, 低价格 红外温度传感器 - 测量目标温度, 响应时间短, 无需接触测量, 价格范围广 - 和传统的接触型温度传感器无直接的竞争
水的沸点
水的冰点
绝对零度 开氏 摄氏 华氏
8
能量和温度的关系


辐射的能量和物体的温度之间存在比例关系 - 物体辐射出的能量随着物体温度上升而增加 - 物体辐射出的能量随着物体温度下降而减少 辐射出的总能量是温度和发射率之间的函数关系 完全不能透过的物体对于所有波长都存在 - 温度在 650℃以上时，能量是肉眼可见的


灰体：发射率恒定，不随波长而变化 - 例如大部分陶瓷和非金属材料 非灰体：发射率随波长而变化 - 例如大部分金属制品，如钢、不锈钢、电炉钢、 高强度钢、优质合金、镀锌、镀锡和镀铝层都是 非灰体 - 非灰体波长越短发射率越高
14
发射率和表面特征
1.0
0.8 发射率
黑体/近黑体：发射率高且恒定 灰体：发射率较低且可变化
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发射率和表面特征

下列因素的改变可能引起发射率的改变 - 材料或合金 - 表面氧化度 - 表面粗糙度 - 微观结构 - 表面污垢 - 测量角度 - 波长
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几种常见材料的发射率

金属材料及其氧化物
抛光铝 钝化铝 抛光不锈钢 轻度氧化不锈钢 高度氧化不锈钢 混凝土 油漆 / 氧化锌 耐火砖 瓷土砖 水 .04 .82 .23 .33 .67 .88 - .93 .92 .40 .70 .92
它是类似于可见光、X-射线和无线电波的电磁波 它是由物体内的分子和原子的运动产生的 它具有微米级分子振动的特点 例如：无线电发射器发射和接收无线电波
5
电磁波频谱图
可见光 X-射线
紫外线 红外线 微波 T.V. 无线电波
1km
10cm 1m 0.1 1 10 100 0.1µ 1 µ 10 µ 100 µ 0.1cm 1cm
10m 100m
可见光
近红外
中红外
3µ 4µ
远红外
超远红外
.4µ .6µ .8µ
1.5µ 2µ
6µ 8µ 10µ 15µ
20µ
30µ
可见光：紫、蓝、绿、黄、红
6
红外能的属性

所有的物体散发红外能 红外能具有和可见光同样的属性 - 以光速直线传播 - 会被物体表面反射 - 能穿透红外窗口
7
热能和温度 - 绝对零度的关系
• 维恩分配法则
0
7 波长
14
12
黑体的定义



假设有一种物体，在任何温度下都能全部地吸收 投射到其表面上的任何波长的辐射能量，称之为 黑体 黑体吸收所有的入射能 所有的黑体辐射与方向无关 在给定的温度和波长条件下，没有任何一种其它 物体的表面能够比黑体发射出更多的能量
13
灰体表面和非灰体表面
1
热能、红外能和温度的
基本原理
2
热能
箭头越长，移动速度越快
3
光谱强度



热能储存在高于-273ºC的物体内 这些能量使原子振动并产生电磁波 高温的物体具有大量的红外能，使原子运动更活 跃并产生大量的红外辐射 用表面系数－发射率来衡量物体辐射 发射率反映物体的灰度
4
红外辐射



波长 发射率 = 1.0 发射率 = 0.75 发射率 = 0.50
19
发射率和表面特征



发射率 - 与目标物体材质和表面状况有关 - 数值介于0.000-1.000，1为黑体（完全辐射） - 与颜色无关 对于大部分材料，发射率相对高而稳定 诸如金属这样的材料，发射率小于1，而且会随着表 面氧化程度、粗糙度、晶体结构以及镀层材料的变 化而改变
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需采取非接触式测温的对象





移动的目标 间断的目标 由于恶劣的环境、接近困难、安全问题和电磁干 扰等原因无法接近的目标 需要快速响应的目标 真空中的目标 传统的热电偶和电阻式温度计无法准确测量的目 标
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红外测温仪

亮度测温仪（单波长测温仪/单色测温仪） - 实际物体（非黑体）在某一波长下的单色辐射 亮度同绝对黑体在同一波长下的单色辐射亮度相 等时，则该黑体的温度称之为实际物体的亮度温 度。实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度
1 2
0.6
0.4 0.2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 非灰体 = 发射率低且 随波长而变化
M
波长
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发射率的科学定义
发射率: 理论上一个物体发射出的红外能量与完全黑体（理 想发射体）在相同温度下发射出的红外能量的比 值
E = 测量值/理论值
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发射率的简单定义
发射率:
对于不透明的材料，发射率与反射率是相对的
发射率（E） = 100% - 反射率
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发射率的定义
发射率就是：
某一物体发射出的红外能等同于它吸收的红外能的 属性
发射率 = 吸收率 发射率 = 100% - 反射率 - 透过率
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发射率的定义
实际发射能量 E = 理论发射能量
能量 E = 1 - r - t E = 发射率 r = 反射率 t = 透射率
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红外能和波长的关系
辐射能量随温度的升高而向短波方向移动
10
能量的穿透、吸收和反射
入射能
E
入射能被吸收、发射或穿透
EA
E = ER + E T + E A
ER
吸收能量
来自百度文库
反射能量
ET
透过能量 发射率 = EA / E
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黑体能量曲线
1000℉
• 史蒂凡 - 伯兹曼法则 • 普朗克分配法则
能量
750℉ 500℉ 150℉