红外测温工作原理

红 外 测 温 原 理 与 选 型上 海 皇 龙 自 动 化 工 程 有 限 公 司021-5216028113482297687吕 江 明 红 外 测 温 发 展 过 程 1800年 赫 胥 尔 发 现 红 外 线 1828年 MSweeny第 一 个 辐 射 温 度 计 19世 纪 末 消 隐 光 学 高 温 计 1901年 全 辐 射 测 温 仪 专 利 (Fery) 1931年 商 用 全 辐 射 测 温 仪 问 世 (Leeds&Northrup company) 60年 代 后 迅 猛 发 展 近 二 十 年 双 色 、 光 纤 、 扫 描 等 红 外 测 温 的 原 理红外测温仪可捕捉从所有物体辐射出的红外能量。红外辐射是电磁频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、微波、可见光、紫外线、伽玛射线和X光。可见光紫外光红外光X-射线GammaRays无线电波EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF0.1A 1A 1UA 100A 0.1 1 10 100 1cm0.1cm 10cm 1m 100m 1km 10km 100km波长10m 30201510864321.510.80.60.4波长 (um)常用红外光谱范围 红 外 测 温 技 术 的 基 础绝 对 零 度 (-273 ) 以 上 的 物 体 都 辐 射 红 外 能 量 红外测温的几个重要概念波长发射率距离系数 温 度 与 辐 射 能 量 的 关 系黑 体 辐 射 光 谱 曲 线 的 特 性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 141500C 1000C542C 260C 20C 不 同 温 度 的 辐 射 曲 线 永 不 会 相 交随 温 度 增 加 ， 辐 射 能 量 增 大 而 峰 值 波 长 减 小波 长 与 温 度 成 反 比红外能量（温度/热像） 波长（微米） 102101110-110 -210-310-40 物 体 发 射 率随发射率变化(非灰体)= 0.9 (灰体) 相对能量波长 (微米) = 1.0 (黑体) 发 射 率 为 物 体 的 辐 射 度 与 和 与 该 物 体 具 有 相 同 温 度 的 黑 体 的 辐 射 度 之 比 MM 物 体 红 外 能 量 的 传 播发 射 率 决 定 了 实 际 物 体 的 红 外 辐 射 特 性“理 想 黑 体 ” “实 际 物 体 ” 既 是 完 全 吸 收 体也 是 完 全 发 射 体 部 分 能 量 被 反 射部 分 能 量 透 过发 射 率 =1 发 射 率 1III IR A TEEEE 影 响 发 射 率 的 主 要 因 素 材 料 种 类 表 面 状 况 (抛 光 ,粗 糙 ,氧化 ,喷 砂 ) 表 面 几 何 形 状 (平 面 ,凹面 ,凸 面 ) 表 面 理 化 结 构 状 态 （ 如沉 积 物 ， 氧 化 膜 ， 油 膜等） 透 过 率 (例 如塑 料 薄 膜 ) 测 量 温 度 测 量 角 度 距 离 系 数探 头 到 目 标 的 距 离测 量 斑 直 径 大 小2.50.1 7.50.3 140.6 210.8 331.3 mm英寸00 251 502 763 1305 mm英寸测斑直径测量距离 = D:S 黑体辐射定率普朗克定律：式中： 第一辐射常数：第二辐射常数：111)( /25 TCbb eCTM C hc W m m1 2 37415 00003 102 8 2 4 ( . . )C ch k Km2 4143879 000019 10 / (. . ) 黑体辐射定律斯藩-玻耳兹曼定率：维恩位移定率：A=2897.3 从此可看出波长与温度成反比M T M T d T W m( ) ( ) ( ) 40 2 ATm 大气传输环 境 453SP1 470EMS ?85 大气传输部分波长可以 避开大气的吸收(高于海平线0.3 公里)1.00.5 0.00.5 1 2 3 5 8 10 15 20波长 (微米)相对透过率 实 际 物 体 的 测 温 示 意 图目标探头RT E反 射 率 , 透 射 率 , 发 射 率环境温度II = 入射能量R=反射能量T =透射能量E =发射能量 背 景 能 量 的 影 响当背景温度高于目标温度时应进行背景温度补偿(T-Ambient) 背景温度目标 目 标 与 视 场要确保目标大于仪器所测圆点的大小。目标越小，则应离得越近。如果精度非常重要，则要确保目标至少是测量圆点大小的两倍最好 一般 差探头 目标大于测量视场目标等于测量视场目标小于测量视场 与 “ 真 实 值 ” 比 较 当 测 量 位 置 不 同 或 使 用 不 同 仪 器 测 同 一 物体 时 ， 精 度 非 常 重 要 指 相 同 条 件 下 输 出 比 较 (距 离 、 发 射 率 、精 度 ） 建 立 当 地 “ 基 准 ” ， 测 量 与 基 准 的 偏 差 工 艺 监 控 中 实 际 起 作 用 ， “ 工 艺 精 度 ”需 要 精 度 还 是 重 复 性 ?精 度重 复 性 响 应 速 度 分 析 对 于 运 动 的 目 标 和 快速 加 热 的 目 标 响 应 速度 快 是 必 需 的 当 温 度 变 化 缓 慢 时 ，响 应 速 度 快 通 常 是 不必 要 的 发 射 率 设 定 误 差造 成 的 测 量 温 度 误 差10864 20 500 1000 1500 2000 2500 30008-14 微米1.0微米使用尽可能短的测量波长% 误差目标温度(度)发射率误差假定为 10%5.0微米3.9微米2.2微米 特 殊 类 型 波 长 的 选 用测量聚乙烯时，选用位于透过率近似为零处的波长，波长为：3.43 。因为测得是他们的表面温度波长（微米）透过率 %1009080706050403020 1002 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14聚乙烯.03mm(1mil) 0.13mm(5密耳)10090807060504030 20100透过率 %波长（微米）火焰2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14透过火焰测量物体时，需要选择透过率高的波长，能够透过火焰的红外波长为3.9 。因为物体发出3.9 的红外波长不受火焰的干扰 指导方针测玻璃后面物体温度用 1-3微米测玻璃表面温度250以上用 5 微米测低温时用 8 - 14 微米 玻 璃 的 红 外 测 量0.2 mm (10 Mil)1.5 mm (60 Mil)6 mm (240 Mil)1.0.8.6.4.2 2 3 4 5 6 8透过率波长 (微米) 如 何 选 择 响 应 波 长 ? 近 可 能 选 择 短 的 波 长 选 择 将 反 射 ， 透 射 能 量 降 到 最 低 的 波 长 特 殊 物 体 （ 塑 料 薄 膜 ， 玻 璃 ， 火 焰 等 ） 采 用 特 殊 波 长 (被 测 物 体 不 透 明 的 波 长 ） 根 据 现 场 环 境 的 问 题 （ 如 观 察 窗 口 ） 当 视 场 被 部 分 遮 挡 时 ， 应 选 择 双 色 仪 器 测 温 范 围 /响 应 波 长 距 离 系 数 （ 测 量 距 离 与 目 标 大 小 ） 发 射 率 设 定 测 量 精 度 /重 复 性 响 应 时 间 瞄 准 方 式 （ 激 光 、 透 镜 、 视 频 、 目 视 、瞄 准 灯 /镜 ） 现 场 环 境 要 求 /输 出 方 式测 温 仪 的 选 型 参 数 红 外 测 温 仪 工 作 原 理窗口和光学系统目标环境 探测器显示及输出453SP1 470EMS ?85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 集在 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 。 双色测温仪理论公式：T：目标温度A，B：常数 ：第一波段内发射率 ：第一波段内发射率 ：第一波段内目标能量 ：第一波段内目标能量 ：坡度 （双色测温仪要调的是坡度而不是发射率）T BA ee EE log( ) log( )12 12 e e1 2/e1e2E2E1 如 何 利 用 双 色 测 温 ? 当 测 量 视 场 被 遮 挡 时 ， 或 物 体快 速 运 动 ,目 标 比 较 小 ,单 色 测 温仪 将 产 生 测 量 误 差 双 色 测 温 的 原 理 : 通 过 计 算 探 测到 的 两 个 波 长 上 的 能 量 的 比 值 ，可 以 消 除 这 种 误 差 比 值 随 目 标 温 度 变 化 而 变 化 波长 ()1.0 2.0比值(E2/E1) T00.10.20.30.40.50.60.70.80.91相对辐射能量(E) 12 双 色 与 单 色 测 量 比 较读数误差(%) 与能量衰减读数误差(%) 目标温度(度)100-10-20-30-40-50 100-10-20-30-40-50500 1000 1500* 2000 2500 3000+ 0.75%- 0.75%单色: 50% 能量衰减单色: 80% 能量衰减单色: 90% 能量衰减单色: 95% 能量衰减双色: 0% - 95% 能量衰减 双 色 测 温 仪 测 量 视 场 部 分 被 遮 挡 烟 雾 ， 水 汽 ， 灰 尘 不 洁 窗 口 目 标 比 较 小 ,小 于 测 量 红 外 测 温 仪 的 视 场 运 动 目 标 ,尤 其 是 快 速 运 动 的 物 体 目 标 发 射 率 低 或 变 化何 种 情 况 下 采 用 双 色 测 量 烟尘双 色 测 温 仪 解 决 的 问 题不洁镜头不洁窗口部分视场被遮挡小于视场的目标 输 出 选 择 热 偶 输 出 电 流 输 出 0 - 20 mA 4 - 20 mA 电 压 输 出 0 - 5 伏 标 准 1 mV /度 RS232/RS485输 出 仪 器 接 口 控 制 器 数 字 温 度 表 大 屏 幕 显 示 器 图 形 记 录 仪 监 视 器 打 印 机 计 算 机 探 头 附 件 当 环 境 很 恶 劣 时 ， 红 外 探 头 应 进 行 保 护 高 温 保 护 套 空 冷 和 水 冷 空 气 吹 扫 套 瞄 准 管 及 窗 口 高 温 电 缆 窗 口 使 探 头 与 恶 劣 环 境 隔 离 测 量 波 长 要 能 透 过 窗 口 测 高 温 时 用 硅 玻 璃 或 石 英 窗 口 AMTIR 窗 口 可 用 于 整 个 光 谱 范 围