紅外溫度計的原理及其應用

點(diǎn)擊次數:509次發(fā)布日期:2015/2/8

紅外溫度計的工作原理及應用

摘要:紅外測溫的物理基礎是黑體輻射定律。其特點(diǎn)是非接觸測溫，測量結果快速準確。

同時(shí)，也存在一些需要注意的問(wèn)題。目前，它已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應用。關(guān)鍵詞:紅外；輻射；溫度計

1.概觀(guān)

1800年，英國物理學(xué)家赫胥黎從熱的角度研究各種顏色的光時(shí)，發(fā)現了紅外線(xiàn)。當時(shí)他稱(chēng)之為“不可見(jiàn)光”。此后，人們花了100多年的時(shí)間來(lái)理解紅外輻射的電磁性質(zhì)，建立了熱輻射的基本規律，為紅外技術(shù)的應用奠定了理論基礎。隨著(zhù)光學(xué)技術(shù)、半導體技術(shù)、電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外技術(shù)越來(lái)越完善。其中，紅外測溫技術(shù)也形成了完整的理論，并已成功應用于醫學(xué)、工農業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。

2.紅外測溫的理論基礎

(1)紅外輻射(紅外線(xiàn)、紅外線(xiàn))

紅外是電磁波譜中波長(cháng)在0.76微米至1000微米范圍內的電磁輻射，位于紅外光和無(wú)線(xiàn)電波之間。它與可見(jiàn)光的反射、折射、干涉、衍射和偏振具有相同的特性。同時(shí)具有粒子性質(zhì)。它對人眼不敏感，只能被對紅外敏感的探測器接收。紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射。熱輻射包括紫外光和可見(jiàn)光輻射，但紅外輻射的熱效應zui在0.76μm~40μm范圍內較大。

自然界中所有溫度高于零度的生物和無(wú)生命的物體一直在不斷輻射紅外線(xiàn)。輻射量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。特殊熱輻射的強度和光譜組成取決于輻射器的溫度。

(2)黑體輻射定律

黑體紅外輻射的基本規律揭示了黑體發(fā)出的紅外輻射與溫度和波長(cháng)之間的定量關(guān)系。黑體是一個(gè)理想的物體。不管黑體的具體成分和形狀如何，它們都在相同的溫度下發(fā)射相同的電磁波譜。斯特凡和玻爾茲曼通過(guò)實(shí)驗和計算得到黑體輻射定律:

40)(TTMs=

式中::(0tm)-當溫度為t時(shí)，每單位時(shí)間黑體單位面積輻射的總輻射能稱(chēng)為總輻射率；S1-斯特凡玻爾茲曼常數；t1-物體溫度。

以上公式是黑體的熱輻射定律。實(shí)際物體(非黑體)的輻射定律通常很復雜，需要借助黑體輻射定律進(jìn)行研究。

當被測物體的溫度為T(mén)時(shí)，總輻射率M等于溫度為FT時(shí)黑體的總輻射率Mo，即:

44

0，TTMMF

ess==

簡(jiǎn)化

4

1

e

FTT=

其中，E是發(fā)射率，不同物體的發(fā)射率是不同的。特定材料的電子值可以通過(guò)查閱表格或實(shí)驗獲得。t是待測物體的輻射溫度。因此，如果要測量的物體的溫度和溫度是已知的，就可以計算出物體的實(shí)際溫度。

3.紅外溫度測量系統

紅外測溫系統由光學(xué)系統、光電探測器、信號放大器、信號處理、顯示輸出等部分組成。其工作流程如下圖所示。被測物體輻射的紅外線(xiàn)首先進(jìn)入溫度計的光學(xué)系統，光學(xué)系統的任務(wù)是收集人們發(fā)出的紅外線(xiàn)，使能量更加集中；收集的紅外線(xiàn)輸入光電探測器，探測器的關(guān)鍵部件是紅外傳感器，其任務(wù)是將光信號轉換成電信號；光電探測器輸出的電信號通過(guò)電子線(xiàn)發(fā)送到信號放大器進(jìn)行處理，以將電信號降低到溫度值。醉后，顯示屏給出被測物體的溫度。

紅外測溫方法可分為兩種:全場(chǎng)分析和逐點(diǎn)分析。全場(chǎng)分析的方法是利用紅外成像鏡頭在傳感器陣列上成像物體的溫度分布圖像，從而獲得物體空間溫度場(chǎng)的全場(chǎng)分布。全場(chǎng)分布檢測系統被稱(chēng)為熱像儀。逐點(diǎn)分析將物體局部區域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測器上，并通過(guò)了解物體的發(fā)射率將輻射功率轉換成溫度。逐點(diǎn)分析系統通常被稱(chēng)為紅外溫度計。

由于被測對象、測量范圍和應用場(chǎng)合不同，紅外溫度計的外觀(guān)設計和內部結構也不同，但基本結構大體相似，主要包括紅外光學(xué)系統、紅外探測器、電信號處理系統等部分。如圖2所示，其中光學(xué)系統聚焦目標物體的輻射能。

紅外溫度計的發(fā)展方向是實(shí)現小型化和小型化。近年來(lái)，由衍射光學(xué)聚焦鏡、薄膜紅外探測器和諧振壓電調制器組成的紅外測溫系統只有大功率晶體管那么大，實(shí)現了小型化的目標。在今年豬流感爆發(fā)期間，手持紅外溫度計被用來(lái)測量體溫。沒(méi)有。

被測物體的光學(xué)系統

光電探測器

信號放大器

信號處理器

顯示輸出

與人體接觸不會(huì )造成任何傷害，并且起著(zhù)重要作用。

4.紅外溫度計的優(yōu)點(diǎn)

由于紅外溫度測量使用被測物體的紅外輻射來(lái)確定其溫度，這種溫度測量方法具有其他溫度測量方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢。主要有:

(1)紅外溫度測量是非接觸測量。因此，它可用于高溫或低溫、高壓和高速運輸的地區。

旋轉機械測溫，測量器不需要靠近這些危險環(huán)境。

(2)紅外測溫反應速度快。因為它不像往常一樣在溫度計中等待溫度測量物質(zhì)和被測量物質(zhì)溫度計

物體達到熱平衡，但只需要接收被測物體的紅外線(xiàn)。反應時(shí)間通常在毫秒到微秒的數量級。

(3)紅外測溫靈敏度高。根據40)(

TTMs=，一個(gè)物體的輻射能與溫度的4次方成正比，所以只要溫度稍有變化，輻射能就會(huì )明顯變化。

(4)高紅外溫度測量。由于是非接觸測量，測量過(guò)程不會(huì )改變被測物體的溫度，因此測量結果真實(shí)可靠。

(5)紅外測溫范圍大。紅外測溫原理決定了其測溫范圍大于正常值溫度計?，F在實(shí)用了

紅外溫度計通常分為三種類(lèi)型:高、中和低。溫度測量范圍為700℃以上、100℃ ~ 700℃以下。

5.

紅外溫度計的缺點(diǎn)及注意事項

(1)缺點(diǎn):

(1)易受環(huán)境因素(環(huán)境溫度、空氣中的灰塵等)影響。)。(2)對光亮或拋光金屬表面的測溫讀數有很大影響。

(3)它只限于測量物體外部的溫度，這對于測量物體內部的溫度和存在障礙物時(shí)是不方便的。(2)使用注意事項:

(1)必須準確確定被測物體的發(fā)射率。(2)避免高溫物體對周?chē)h(huán)境的影響。

(3)對于透明材料，環(huán)境溫度應低于被測物體的溫度。

(4)溫度計應與被測物體表面垂直對齊，在任何情況下，角度不應超過(guò)30℃。(5)不能應用于光或拋光的金屬表面溫度測量，溫度測量不能通過(guò)玻璃進(jìn)行。

⑥如果紅外溫度計突然處于20℃或更高的環(huán)境溫差下，測量數據將會(huì )不準確，溫度平衡后將會(huì )取測量溫度值。

因為普通的紅外溫度計只限于測量物體外部的溫度，所以在存在障礙物的情況下測量物體內部的溫度是不方便的，所以可以在其檢測頭上增加一段光纖，并且可以在其前端安裝具有小視角的透鏡，從而被測物體的輻射能通過(guò)透鏡到達光纖內部。它通過(guò)光纖內部的多次反射傳輸到檢測器。因為光纖可以自由彎曲，使輻射能自由轉動(dòng)，這就解決了測量物體內部溫度的問(wèn)題，并且可以測量角落和其他被障礙物阻擋的地方的溫度。

6.紅外測溫系統的應用

近年來(lái)，紅外測溫技術(shù)從一維測量發(fā)展到二維測量，并已應用于醫療、工業(yè)等領(lǐng)域。(1)醫學(xué)領(lǐng)域。當人體生病時(shí)，全身或局部的熱平衡被破壞，這反映在相應部位的皮膚溫度上。紅外熱成像可用于白血病、雷諾病和腫瘤的早期診斷，尤其是淺表乳腺癌和皮膚癌的早期診斷。此外，使用紅外溫度計測量?jì)和途癫∪说捏w溫可以省去很多麻煩。

(2)工業(yè)領(lǐng)域。紅外測溫可用于列車(chē)軸溫檢測。列車(chē)軸箱將因高溫“燒軸”而發(fā)生事故。當紅外線(xiàn)溫度計安裝在鐵路兩側時(shí)，當汽車(chē)過(guò)時(shí)時(shí)，車(chē)輪的軸箱一個(gè)接一個(gè)地掃過(guò)探測器的視野，從而產(chǎn)生一系列脈沖輸出。如果某軸箱溫度允許限制，可以采取措施，檢測精度在95%以上。另一個(gè)例子是，在高壓輸電線(xiàn)路的許多接頭中，由于某些原因，一些接頭由于加熱而變成熱接頭。紅外溫度計可用于快速連續的非接觸測量。此外，還可用于爐溫檢測、軋制鋼板的溫度分布測量等。

7.結束語(yǔ)

紅外輻射的普遍性決定了紅外測溫應用的普遍性。目前，紅外測溫技術(shù)在世界范圍內的應用方興未艾。不同的需求將促使更多類(lèi)型的紅外溫度計被生產(chǎn)出來(lái)。隨著(zhù)微型計算機和光纖的廣泛應用，紅外溫度計的性能將逐步提高。

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