范文一:红外线测温的原理
1 红外线测温的原理
自然界一切温度高于绝对零度(-273.15?)的物体,由于分子的热运动,都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。
组外辐射原理——辐射定律:
式中:E为辐射出射度,W,m3;σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数,5.67×10-8W,(m2?K4);ε为物体的辐射率;T为物体的温度,单位K;T0为物体周围的环境温度,单位K。
测量出所发射的E,就可得出温度。
利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触,因此属于非接触式测量。红外温度仪表测温范围很宽,从-50?直至高于3 000?。在不同的温度范围,对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温(0,100?)范围,能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表,其具体的设计也不同。
根据式(1)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
式中:A为光学常数,与仪表的具体设计结构有关;ε1为被测对象的辐射率;ε2为红外温度计的辐射率;T1为被测对象的温度(K);T2为红外温度计的温度(K);他由一个内置的温度检测元件测出。
辐射率ε是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数,数值由0至1.0。最理想的辐射物体是辐射率1.0的物体,物理上叫做黑体。这是一个理论上的概念,实际上并没有一种物体的辐射率能达到1.0。但可以制造出极为接近于ε=1.0的实际黑体,用于温度计的校准。所有真实的物体,包括人体各部位的表面,其ε值都是某个低于1.0的数值。由于ε值极难测量而又不确定,所以在仪表测出E后,按式(2)计算出的T1就会有误差。在实际工作中,仪表是在ε=1.0的黑体上校准好出厂的,只有测量ε=1的对象,其示值才代表对象的实际温度,如果对象ε不等于1,则仪表读数不代表对象的实际温度,要进行修正。
人体主要辐射波长在9,10μm的红外线,通过对人体自身辐射红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。
人体的红外辐射特性与他的表面温度有着十分密切的关系,因此,通过对人体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快,1 s以内可测试完毕。由于他只接收人体对外发射的红外辐射,没有任何其他物理和化学因素作用于人体,所以对人体无任何害处。
范文二:红外线测温法原理
红外线测温法原理
从应用的观点看,光学器件的主要特征是视场(FOV),即在指定距离处目标尺寸是多少, 例如,在一种普遍采用的透镜系统中,15英寸工作距离处目标直径为1英寸。根据平方反比定律,通过将距离加倍(30英寸),目标区域理论上也加倍(直径为2英寸)。目标尺寸(测量区域)的实际定义将因供应商而异,并且取决于价格。其它光学配置从适用于近距离精密测量的小光斑器件(直径0.030英寸)到适合远距离瞄准的远距离光学器件(距离30英尺时直径为3英寸),不一而足。注意,如果目标占满视场(FOV),工作距离就不应影响精度,这一点很重要。在一种视场(FOV)测量技术中,可变因素是信号损失和直径。一条严格的规则是能量减少量为1%,但可以在一半功率或63.2%功率时提供一些数据。
对准(瞄准)是另一个光学方面的因素。许多传感器没有这种功能;透镜对准表面,测量表面温度。这种结构可用于不需要高精度的大目标,例如卷筒纸。对于使用小光斑光学器件的小目标,以及对于在远距离监测中使用的远距离光学器件,提供有目视瞄准、瞄准灯和激光瞄准。
选择性光谱滤光通常将短波滤光片用于 高温应用(大于1000?F),将长波滤光 片用于低温测量(–50?F)。很明显,这 与黑体能量分布曲线拟合,并且还有一 些技术方面的优势。例如,高温/短波使 用热稳定性极强的硅探测器,而且短波 设计最大限度减小了发射率变动造成的 温度误差。其它选择性滤光用于塑料薄 膜(3.43 μm和7.9 μm)、玻璃(5.1 μm)和火焰不敏感区(3.8 μm)。 多种多样的探测器的选择是为了来最大限度利用传感器的灵敏度。如图2中所示,PbS灵敏度最高,热电堆灵敏度最低。大部分探测器是光伏型(在通电时输出电压)或光导型(在激励时改变 电阻)。这些探测器响应迅速、灵敏度高的代价就是热漂移,可以通过多种方法解决热漂移,包括温度补偿(热敏电 阻)电路、温度调节、自动校零电路、斩波(AC和DC输出)以及等温保护。可提供不同程度的无漂移操作,无漂移操作取决于设备价格。
在红外线温度计的电子设备组件内,探测器的大约100-1000 μV的非线性输出信号得到处理。信号被放大1000倍,并经过调节和线性化处理,最终输出的是线性mV或mA信号。趋向于提供4 ~ 20 mA输出,以便将环境电噪声干扰降到最小。
范文三:红外线测温法原理
红外线测温法原理
供稿:OMEGA工业测量
关键词:OMEGA,温度传感器,红外测温
W. R. Barron, Williamson Corporation
红外线测温法的原理是对精确监测系统进行详细说明的重要前提。遗憾的是,许多用户没有花时间来了解基本原理,因此他们会认为非接触式温度测量是不精确的。
精确的。
温度测量可以分为两类:接触式和非接触式。接触式热电偶、RTD和温度计在温度测量应用中最为普遍。由于测量的是它们自身的温度因此它们必须接触目标,它们的响应相对较慢,但它们比较便宜。非接触式温度传感器测量目标发射的红外线能量,它们响应快,通常用来测量移动目标或间歇性目标,真空中的目标,以及测量由于恶劣环境、结构限制或安全隐患而无法接近的目标。它们的成本较高,但在某些情况下,它们的成本与非接触式设备相当。
红外线辐射由艾萨克·牛顿爵士于1666年发现,他通过让白色光透过玻璃棱镜,将白色光束分解成彩虹的颜色,从阳光中分离出电磁能量。1800年,威廉·赫歇尔爵士进一步测量了每种颜色的相对能量。他还发现了可见光以外的能量。20世纪初,普朗克、斯蒂芬、玻尔兹曼、维恩和基尔霍夫进一步确定了电磁波谱的活动,并且发展了用来确定红外线能量的定量数据和方程式。
这项研究使人们有可能利用基本黑体辐射曲线(参见图1)确定红外线能量。从该图中可以得出,温度高于-273?C的物体辐射出的能量数量与其温度的四次方成比例。黑体辐射概念是红外线测量法的基础。然而,术语"发射率"为这些基本物理定律增加了变数。发射率衡量灰体(非黑体)放射出的热辐射量与相同温度的黑体的热辐射量之比。(灰体指在所有波长具有相同光谱发射率的物体;非灰体指发射率随波长而改变的物体,例如铝。)
图1:如在600?F ~ 1200?F温度范围内黑体发射的能量分布的曲线所示,主辐射位于0.5-14 μm的红外区,远离可见光区。
能量守恒定律说明辐射(吸收)的透射、反射和发射的系数之和必须等于1: tλl + rλ + aλ = 1
并且发射率等于吸收
Eλ = aλ
因此:
Eλ = 1 - tλ - rλ
此发射率系数可以作为变量放入普朗克方程式中,描述相对于波长的物体表面特征。大多数被测物体是不透明的,发射率系数可以简化成:
Eλ = 1 - rλl
玻璃、塑料和硅等材料是例外,但是通过选择适当的光谱滤光,可以在这些物体的不透明红外线区测量它们。
通常,对于发射率误差会有很多混淆之处,但用户只需记住下面四条: ? - 红外线传感器不能辨别颜色,这是固有的。
? - 如果目标反光(例如镜子),请注意,您不仅仅按照需要的那样测量发射的辐射能量,而且还要测量反射的辐射能量。
? - 如果可以看透目标,需要选择红外线滤光(例如,在5μm波长时玻璃是不透明的)。
? - 10项应用中有9项不需要绝对温度测量。重复性和无漂移操作提供了严密的
温度控制。
如果表面闪光,可手动或者自动进行发射率调整来校正发射率误差。对于大多数应用,这是一种简单的办法。在发射率变化并且造成处理问题时,请考虑使用双波长或多波长辐射测量法解决发射率问题。
设计元素
红外线温度计有种类繁多的配置,包括光学器件、电子器件、技术、尺寸和保护性壳体。但它们都具有一系列红外线能量接收组件和电子信号输出组件。基本组件系列包括汇聚光学器件、镜头和/或光纤、光谱滤光以及探测器作为前端。动态处理有多种形式,但是可以总结为放大、热稳定性、线性化以及信号调节。普通窗户玻璃在短波长范围内适
红外线测温法原理(续)
用,石英适用于中波范围,锗或硫化锌适用于8~14 μm波长范围。光纤可用于0.5~5.0 μm波长区。
从应用的观点看,光学器件的主要特征是视场(FOV),即在指定距离处目标尺寸是多少? 例如,在一种普遍采用的透镜系统中,15英寸工作距离处目标直径为1英寸。根据平方反比定律,通过将距离加倍(30英寸),目标区域理论上也加倍(直径为2英寸)。目标尺寸(测量区域)的实际定义将因供应商而异,并且取决于价格。其它光学配置从适用于近距离精密测量的小光斑器件(直径0.030英寸)到适合远距离瞄准的远距离光学器件(距离30英尺时直径为3英寸),不一而足。注意,如果目标占满视场(FOV),工作距离就不应影响精度,这一点很重要。在一种视场(FOV)测量技术中,可变因素是信号损失和直径。一条严格的规则是能量减少量为1%,但可以在一半功率或63.2%功率时提供一些数据。 对准(瞄准)是另一个光学方面的因素。许多传感器没有这种功能;透镜对准表面,测量表面温度。这种结构可用于不需要高精度的大目标,例如卷筒纸。对于使用小光斑光学器件的小目标,以及对于在远距离监测中使用的远距离光学器件,提供有目视瞄准、瞄准灯和激光瞄准。
选择性光谱滤光通常将短波滤光片用于 高温应用(大于1000?F),将长波滤光 片用于低温测量(–50?F)。很明显,这 与黑体能量分布曲线拟合,并且还有一 些技术方面的优势。例如,高温/短波使 用热稳定性极强的硅探测器,而且短波 设计最大限度减小了发射率变动造成的 温度误差。其它选择性滤光用于塑料薄 膜(3.43 μm和7.9 μm)、玻璃(5.1 μm)和火焰不敏感区(3.8 μm)。
多种多样的探测器的选择是为了来最大限度利用传感器的灵敏度。如图2中所示,PbS灵敏度最高,热电堆灵敏度最低。大部分探测器是光伏型(在通电时输出电压)或光导型(在激励时改变 电阻)。这些探测器响应迅速、灵敏度高的代价就是热漂移,可以通过多种方法解决热漂移,包括温度补偿(热敏电 阻)电路、温度调节、自动校零电路、斩波(AC和DC输出)以及等温保护。可提供不同程度的无漂移操作,无漂移操作取决于设备价格。
在红外线温度计的电子设备组件内,探测器的大约100-1000 μV的非线性输出信号得到处理。信号被放大1000倍,并经过调节和线性化处理,最终输出的是线性mV或mA信号。趋向于提供4 ~ 20 mA输出,以便将环境电噪声干扰降到最小。
图2:若要优化红外线感应系统的响应,必须考虑探测器的光谱响应和调制特征 这种信号可以转变成RS 232信号,或者提供给PID控制器、远程显示屏或记录器。其它信号调节选项包括通/断报警、适用于间歇目标的可调峰值保持功能、可调响应时间和/或采样保持电路。
红外线温度计的平均响应时间大约为300ms,但是可以使用硅探测器获得大约10ms的信号输出。现实中,很多仪器都拥有可调节响应功能,可对接收的噪声信号进行衰减,并且可对灵敏度进行现场调节。并非总是必须提供最快的响应。 但是有一些涉及感应加热以及其它类型的应用,它们要求大约10-50 ms的响应时间,可通过红外线测温法获得。
单波长测温法
基本单波长设计用于测量表面在规定波长所发射的总能量。配置包括带简单远程仪表的手持式探头、可同时查看目标和温度的复杂便携式设备,以及记忆和/或打印输出功能,不一而足。在线固定安装式传感器从配备远程电子设备(OEM设计)的简单小型探测器到拥有远程PID控制的坚固耐用设备不等。纤维光学器件、激光瞄准、水冷、CRT显示器和扫描系统也包括在用于过程监控和控制应用的选件中。在尺寸、性能、耐用差异。
过程传感器配置、红外线光谱滤光、温度范围、光学器件、响应时间和目标发射率是重要的设计元素,它们影响性能,必须在选型过程中仔细考虑。
传感器配置可以是简单的便携式,或两线制变送器,还可以是复杂的加固型感应装置或扫描设备。目视瞄准、激光瞄准、无瞄准、光纤、水冷、输出信号及远程显示可以笼统地代表各种不同可选功能。这在某种程度上存在主观性,需要进行设计审查。多数情况下,如果是简单应用,例如测量卷筒纸温度,简单的低成本传感器就可以应付了;如果是复杂应用,例如在真空室内测量或者测量小目标,则更先进的传感器将是更好的选择。
红外线光谱响应和温度范围的选择与具体应用有关。短波适合高温测量,长波适合低温测量,这符合黑体能量分布曲线。如果涉及透明目标,例如塑料和玻璃,则需要使用选择性窄带滤光。例如,聚乙烯塑料的CH吸收光谱带为3.43 μm,,在此范围内聚乙烯塑料是不透明的。通过在该范围内滤光,
发射率因素得以简化。
同样,大多数玻璃类材料在4.6 μm光谱带时变得不透明,在5.1 μm范围内进行窄带滤光就可以精确地测量玻璃表面温度。另一方面,要透过玻璃窗观察,在1-4 μm区域被滤光的传感器允许您透过玻璃窗测量真空室和压力室温度。在测量这类舱室温度时,另一个选择是使用带有真空衬套或压力衬套的光纤电缆。 光学特征和响应时间是两个传感器特征,在允许15英寸处标准视场约为1英寸以及响应时间小于
大多数传感器具有可调响应时间,范围为0.2 ~ 5.0秒,一般设置在此范围的中段。快速响应会受到应用中噪声的干扰,而慢速响应则影响灵敏度。感应加热需要快速响应,传送带或卷筒纸监测需要慢速响应以减少应用中的干扰。快速响应型传感器需要使用快速响应型控制器、可控硅电源组件及其它调节器。可以通过下面的方程式确定综合系统
其中:
T = 总响应时间
t,t = 回路中的各个部分
考虑到时间要素,有以下两种过程动态:稳态变化,其中涉及由于过程是动态的而需要严格温度控制的快速运动产品,例如,电线的感应加热。阶跃变化或斜坡响应,与对分批式生产过程中的产品进行极快速加热有关,例如硅片的加温退火。在这些动态应用中,系统响应性和传感器视场(FOV)是关键参数。
很多情况下,被测目标的发射率并不是重要因素。正确选择窄带光谱滤光后,大多数材料的发射率都恒定在0.90±0.05范围内。如果将发射率设定在0.9μm,传感器将倾向于在绝对温度的±5?或10?范围内读取温度。这种应用误差指大约1%或2%的精度变动,然而在现实的红外线测温法中,重复性对于控制至关重要。例如,如果某个产品加热到410?F,传感器读数是400?F,并且传感器读数在390 ~ 410?F之间时您生产出的是优质产品,请使用400作为设定值进行控制。在大多数应用中,无需NIST校准标准即可生产出优质产品。
如果应用需要精确的绝对温度测量和记录,可以根据相关NIST标准校准和认证仪器。另外,需要彻底确定表面发射率仪器。另外,需要彻底确定表面发射率闪亮的滚筒的温度,首先建议测量在闪亮的滚筒上通过的产品。其次,可以使用静态测试条件在传感器上进行发射率调整,以便确定适当设置。再次,双波长测温法也是一种切实可靠的选择。
单波长红外线测温法指在数千种应用中使用的种类繁多却又简单的一种选择技术,在这些应用中,产品温度控制对生产出一贯高质量产品至关重要。 12双波长测温法
对于绝对精度是关键所在的更复杂应用,并且在这些应用中产品正经历物理或化学变化,应该考虑使用双波长或多波长测温法。自从20世纪50年代初,比值辐射计的概念就已经存在,但是最近的设计和硬件改进提高了性能、提供了低温功能并且降低了成本。
双波长(比值)测温法涉及测量两种不同波长(光谱带)区域发射的光谱能量。如果在两种波长区域发射率值相同,则可以直接从仪器中读取目标温度。当视场(FOV)的一部分被相对低温的物体遮蔽时(例如瞄准通道上有灰尘、金属网和灰色透明窗口),这类仪器也可以指示目标的正确温度。
这种设计的理论非常浅显易懂,可以用下面的方程式来说明。在这些方程式中,我们使用普朗克方程式计算一个波长区域的能量,然后求出其与另一波长区域能量的比值。
其中:
R = 光谱辐射比
T = 表面的比值温度
eλ = 光谱发射率
在此过程中,如果两种波长处的发射率相等(灰体条件),发射率因子消去了方程式,我们发现比值与温度成正比。
通过利用一小段黑体能量分布曲线并且测量不同发射率下的比值,也可以从图形中得到同一概念(参见图3) 使用0.7 μm和0.8 μm光谱段作为窄带滤光片,在最低到0.1的发射率范围内,比值因子恒定在1.428。
同样,任何其它本质上的灰度变化将不影响双波长温度计计算的温度。这些变化包括目标尺寸的变化,例如其直径在测量过程中发生变化的电线或熔化的玻璃流。即便目标比温度计的视场小,这些变化也不影响温度计测量的温度。例如,假定黑体目标仅占据温度计视场的一半,辐射度减少了50%,这种分析不变。另一个示例是目标为烟雾或灰尘所遮蔽或者隔窗(真空室的隔窗)
变得模糊不清的情况。r
只要被遮蔽介质在其辐射衰减过程中没有光谱选择性,至少在温度计使用的波长区域,分析一直是相同的。双波长辐射计测得的温度始终不受影响。 红外线测温法原理(续)
然而,始终有一些我们必须要认识到的限制。双波长对于铝等非灰体不起作用;它很难透过非灰玻璃窗或已加热的耐热玻璃;并且通常在背景比目标更热时,它往往测量背景温度。
图3:双波长系统通过计算目标在两个相邻波段(例如0.7 μm和0.8 μm)内发射的辐射能量之比值自动消除测量误差
作为一种简单、独特的传感器,双波长 温度计在行业与研究中应用广泛,它可以减少与灰体表面有关的应用误差。图4列举了多种产品的总发射率的示例,这些产品具有与温度有关的变化发射率。例如,大多数用户认为石墨的发射率很高而且恒定不变。然而,实际情况是在环境温度到2000?F范围之内,石墨的发射率在0.4 ~ 0.65之间变化。要获得精确的产品温度测量和控制,在高温下处理这些种类的灰体材料时,应该使用双波长温度计。
还有可用于非灰体材料的多波长温度计,这些材料的发射率因波长而异。在这些应用中,要对与发射率、波长、温度有表面化学有关产品的表面特点进行深入详细的分析。利用这些数据,可以生成使不同波长的光谱辐射与温度相关的算法。
图4:许多材料都有着随温度而变化的发射率级别。我们在此处比较了一些最常用的材料
总结
图5中概述了基本应用元素。待测量目标的表面是主要着眼点。在选择仪器时,用户必须考虑目标尺寸、温度限值、发射率、过程动态(因为它们与视场有关)、光谱响应以及响应时间。为了选择最适合该应用的仪器,对周围环境(例如火焰、红外线加热器、感应线圈和气氛(灰尘、脏污的窗户、火焰、过热)的特征进行描述也很重要。
图5:选择非接触式温度测量仪器时,必须要考虑不仅仅是目标及其发射率,还要考虑周围环境以及中间间隔的空气
就性能规范而论,校准精度通常0.5~0.1%的范围内,而大多数传感器的重复性将在0.25 ~ 0.75%的范围内。如果传感器安装 和使用正确,通常会在大约一两个月获得回报。
经HELMERS
PUBLISHING, INC.许可, 转载自《传感器杂志》 (1992年12月) 174 Concord St.
Peterborough, NH 03458
范文四:红外线测温仪原理
红外测温仪如何使用-关于红外及红外测温仪产品知识
发布时间:2007-9-15 上午 10:10:34 来源:jwfu.com
了解更多关于红外及红外测温仪产品知识,以便更好的了解非接触测量的原理及优势。
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,红外能量聚焦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。
使用红外测温仪的益处
- 便捷!红外测温仪可快速提供温度测量,在用热偶读取一个渗漏连接点的时间内,用红外测温仪几乎可以读取所有连接点的温度。另外由于红外测温仪坚实.轻巧.(都轻于10盎司),且不用时易于放在皮套中。所以当你在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。
-精确! 红外测温仪的另一个先进之处是精确,通常精度都是1度以内。这种性能在你做预防性维护时特别重要,如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或停机的特别事件时。因为大多数的设备和工厂运转365天,停机等同于减少收入,要防止这样的损失,通过扫描所有现场电子设备-断路器.变压器.保险丝.开关.总线和配电盘以查找热点。用红外测温仪,你甚至可快速探测操作温度的微小变化,在其萌芽之时就可将问题解决,减少因设备故障造成的开支和维修的范围。 安全! 安全是使用红外测温仪最重要的益处。不同于接触测温仪,红外测温仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度 ,你可以在仪器允许的范围内读取目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行,像蒸汽阀门或加热炉附近,他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。高于头顶25英尺的供/回风口温度的精确测量就象在手边测量一样容易。Raytek红外测温仪都有激光瞄准,便于识别目标区域。有了它你的工作变的轻松多了。
红外测温仪使用的主要领域在哪里
- 红外测温仪已被证实是检测和诊断电子设备故障的有效工具。可节省大量开支,用红外测温仪,你可连续诊断电子连接问题和通过查找在DC电池上的输出滤波器连接处的热点,以检测不间断电源(UPS)的功能状态,你可检验电池组件和功率配电盘接线端子,开关齿轮或保险丝连接,防止能源消耗;由于松的连接器和组合会产生热,红外测温仪有助于识别回路中断器的绝缘故障.或监视电子压缩机;日常扫描变压器的热点可探测开裂的绕组和接线端子。 如何用红外测温仪测量温度
- 下列为Raytek非接触测温仪的三种测温技术:
点测量:测定物体全部表面温度,像发动机或其他设备
温差测量:比较两个独立点的测量温度,像连接器或断路器
扫描测量:探测在宽的区域或连续区域目标变化。象制冷管线或配电室。
选择红外测温仪主要考虑
-温度范围: Raytek产品的温度范围为-50~3000度(分段),每种型号的测温仪都有其特定的测温范围。所选仪器的温度范围应与具体应用的温度范围相匹配。 -目标尺寸: 测温时,被测目标应大于测温仪的视场,否则测量有误差。建议被测目标尺寸超过测温仪视场的50%为好。
-光学分辨率(D:S): 即测温仪探头到目标直径之比。如果测温仪远离目标,而目标又小,应选择高分辨率的测温仪。
精确测量温度技巧
- 当测量发光物体表面温度时,如铝和不锈钢,表面的反射会影响红外测温仪的读数。在读取温度前,可在金属表面放一胶条,温度平衡后,测量胶条区域温度。
要想红外测温仪可从厨房到冷藏区来回走动仍能提供精确的温度测量,就要在新环境下经过一段时间以达到温度平衡后再测量。最好将测温仪放在经常使用的场所。
用红外测温仪读取流体食品的内部温度,像汤或酱,必须搅动,然后就可测表面温度。使测温仪远离蒸汽,以避免污染透镜,导致不正确的读数。
范文五: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(λ,)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(λ,)。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
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
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
? 应将测温仪固定在三角架(可选附件)上
? 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。