紅外測溫儀工作原理及應(yīng)用（二）

摘　要：本文簡介了紅外測溫儀器分類，闡述了紅外測溫儀的工作原理、性能及紅外測溫儀的選擇方法。3.紅外測溫　　3.1紅外測溫儀器的種類　　紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點(diǎn)溫儀）。60年代我國研制成功第一臺紅外測溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的測溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D 40mm，可達(dá)15 m）、WFHX330型（光學(xué)瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D 50 mm，可達(dá)30 m）。美國生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL－500 E可以應(yīng)用于110～500 kV變電設(shè)備上，圖像清晰，溫度準(zhǔn)確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國PM－250，瑞典AGA－ THV510、550、570。近期，國產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功，實現(xiàn)了國產(chǎn)化�！　�3.2紅外測溫儀工作原理　　了解紅外測溫儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎(chǔ)。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標(biāo)的影響及修正方法�！　∫磺袦囟雀哂诮^對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)�！　　『隗w輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱黑體輻射定律。　　物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性�！　∮绊懓l(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等�！　‘�(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標(biāo)的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。　　紅外系統(tǒng)：紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值�！　�3.3紅外測溫儀性能　　紅外測溫儀是通過接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來測量其表面溫度。測溫儀內(nèi)的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。在帶激光瞄準(zhǔn)器的型號中，激光瞄準(zhǔn)器只做瞄準(zhǔn)使用。其性能說明如表1�！　　　　　�測溫范圍　　-32℃--400℃　　顯示分辯率　　　0.1℃(<199.1℃時 )　　　　精度　　　　23 ℃時±1%　　工作環(huán)境溫度范圍　　0--50 ℃　　　　重復(fù)性　　　23 ℃時±1%　　相對濕度　　　　　30 ℃時 10—95%　　　　響應(yīng)時間　　500ms　　　　　電源　　　　　　　　9V　　　　響應(yīng)光譜　　7 -18micron　　尺寸　　　　　　　137 × 41 × 196mm　　　　最大值顯示　Have　　　　　 重量　　　　　　　270g　　　　發(fā)射率　　　0.95Preset　　 防水　　　　　　　　根據(jù)消防部隊要求特殊制作表1紅外測溫儀性能　　為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測溫儀與測試目標(biāo)之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)，所謂“光點(diǎn)尺寸”（spot size）就是測溫儀測量點(diǎn)的面積。您距離目標(biāo)越遠(yuǎn)，光點(diǎn)尺寸就越大。右圖所示為距離與光點(diǎn)尺寸的比率，或稱D：S。在激光瞄準(zhǔn)器型測溫儀上，激光點(diǎn)在目標(biāo)中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距離�！　�測量距離與光點(diǎn)尺寸　　在定測量距離時，應(yīng)確保目標(biāo)直徑等于或大于受測的光點(diǎn)尺寸。右圖所標(biāo)示的“1號物體”（object 1 ）與測量儀之間的距離正，因為目標(biāo)比被測光點(diǎn)尺寸略大一些。而“2號物體”距離太遠(yuǎn)，因為目標(biāo)小于受測的光點(diǎn)尺寸，即測溫儀同在測量背景物體，從而降低了讀數(shù)的精確性。4.紅外測溫儀正確選擇　　選擇紅外測溫儀可分為3個方面：　　（1）性能指標(biāo)方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、窗口、顯示和輸出、響應(yīng)時間、保護(hù)附件等；　　（2）環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等；　�。�3）其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價格等，也對測溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響�！　‰S著技術(shù)和不斷發(fā)展，紅外測溫儀最佳設(shè)計和新進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)大了選擇余地。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價格等。在選擇測溫儀型號時應(yīng)首先確定測量要求，如被測目標(biāo)溫度，被測目標(biāo)大小，測量距離，被測目標(biāo)材料，目標(biāo)所處環(huán)境，響應(yīng)速度，測量精度，用便攜式還是在線式等等；在現(xiàn)有各種型號的測溫儀對比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號；在諸多能夠滿足上述要求的型號中選擇出在性能、功能和價格方面的最佳搭配。 　　4.1確定測溫范圍　　確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)。如Raytek（雷泰）產(chǎn)品覆蓋范圍為-50℃- +3000℃，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時應(yīng)盡量選用短波較好。一般來說，測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測溫范圍過寬，會降低測溫精度。例如，如果被測目標(biāo)溫度為1000攝氏度，首