1、ELECTRONICS QUALITY 25 2007 第 01 期 测试技术卷Test Technology1. 引言温度是工业生产中很重要的一个热工参数, 它直接影响到产品的质量和性能。 传统的接触式测温仪表如热电偶、 水银温度计等, 因要与被测物质进行充分的热交换, 且经过一定的时间后才能达到热平衡, 存在着测温的延迟现象, 故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。 目前, 红外温度仪因具有使用方便, 反应速度快, 灵敏度高,测温范围广, 可实现在线非接触连续测量等众多优点, 正在逐步地得以推广应用。2. 红外测温仪测试的基本原理红外测温是辐射式测温的一种, 是利用物体的热辐射现象来测
2、量物体温度的。 红外辐射的基本依据是斯特藩玻耳兹曼、 普朗克等人的黑体辐射定律 1 。 黑体是一种理想物体, 它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱, 而与黑体的具体成分和形状等特性无关。 斯特藩和玻耳兹曼通过实现和计算得出黑体辐射定律 : M 0 ( T )= T 4式中 , M 0 ( T ) 温度为 T 时,单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能, 称为总辐射度 ; 斯特藩玻耳兹曼常量 ;T 物体温度。上式是黑体的热辐射定律。 实际物体 ( 非黑体 ) 的辐射定律一般比较复杂, 需借助于黑体的辐射定律来研究。 设被测物体的温度为 T时, 总辐出度为 M 等于黑体在温度为 T F 时的总
3、辐出度 M 0 , 即 M = M 0 , T 4 F = ? T 4 化简得 。 其中 ?为发射率, 不同物体的发射率不同, 具体材料的 ? 值可通过查表或实验得到, T 被测物体的辐射温度, 所以已知被测物体的 ?和 T F , 就可以算出物体的真实温度。3. 红外测温仪系统组成红外测温采用逐点分析的方式, 即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上, 并通过已知物体的发射率, 将辐射功率转化为温度。 由于被检测的对象、 测量范围和使用场合不同, 红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同, 但基本结构大体相似, 主要包括光学系统、 光电探测器、 信号放大器及信号处理、 显示输出等部分组成
4、 2 ,其基本结构如图 3-1 所示。辐射体发出的红外辐射, 进入光学系统, 经调制器把红外辐射调制成交变辐射, 由探测器转变成为相应的电信号。 该信号经过放大器和信号处理电路, 并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。4. 红外测温仪的测量误差分析由于红外测温是非接触式的,这样会存在着各种误差, 影响误差的因素很多, 除了仪器本身的因素外, 主要表现在以下几个方面。红外测温仪的工作原理及应用Principle and Application of Infra-Red TemperatureMeasurement曾强, 舒芳誉, 李清华( 福建厦门卷烟厂 技术中心,厦门 3
5、61022)Zeng Qiang,Shu Fang-yu,Li Qing-hua(Research and Development Center,Fujian Xiamen Cigarette Factory,Xiamen361022,China)摘 要 : 从黑体辐射原理出发分析了红外测温的工作原理, 从发射率、 距离系数、 环境等几个方面, 探讨和分析了测温误差的原因, 介绍了红外测温的应用领域以及使用过程中应注意的问题和一些使用经验。关键词 : 红外 ; 温度测量 ; 测量误差中图分类号 : TN98 文献标识码 :A 文章编号 :1003-0107(2007)01-0025-02Abs
6、tract:In this paper, the theory of infra-red temperature measurement was analyzed accordingto the principle of blackbody radiation. We discussed the main factors for measurementaccuracy,such as reflectance, distance coefficient and environment.An improved method forthe elimination of measurement err
7、ors and some experience were proposed.Key words:Infra-Red;Temperature measurement;Measurement errorCLC number:TN98 Document code:A Article ID:1003-0107(2007)01-0025-02图 3-1 红外测温仪结构简图检测与制作Test and Produce 2007 第 01 期 26测试技术卷Test TechnologyELECTRONICS QUALITY4.1 发射率发射率除了与物体的材料形状、 表面粗糙度、 凹凸度等有关, 还与测试的方
8、向有关。 若物体为光洁表面时, 其方向性更为敏感。 不同物质的辐射率是不同的, 红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小正比于它的辐射率。 一般红外测温仪内部都具有发射率设定功能, 只要事先知道被测物体的发射率, 并在测温仪上加以设定, 便可得到正确的测量结果。4.2 距离系数距离系数 (K=S:D) 是测温仪到目标的距离 S 与测温目标直径 D的比值, 它对红外测温的精确度有很大影响, K 值越大, 分辨率越高。因此, 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, 以减小测量误差。在实际使用中, 许多人忽略了测温仪的光学分辨率。 不管被
9、测目标点直径 D 大小, 打开激光束对准测量目标就测试。 实际上他们忽略了该测温仪的 S:D 值的要求, 这样测出的温度会有一定的误差。 比如,用测量距离与目标直径 S:D =8:1的测温仪, 测量距离应满足表 4-1的要求。4.3 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者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。 但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
10、时, 测温仪的响应时间就可以放宽要求了。4.4 环境因素使用红外测温仪测量温度时,往往会受到测试环境的影响 ( 如温度、 粉尘等 ) 。 在实际操作中, 可掌握这一规律, 即当被测物体的发射率越高, 环境影响越小 ; 环境温度越高, 环境的影响越大 ; 当被测物体温度与环境温度相近时, 环境影响所引起的误差最大。 另外, 当环境存在灰尘、 烟雾和蒸汽时, 可选用厂商提供的保护套、 水冷却、 空气冷却系统、 空气吹扫器等附件,这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪, 实现准确测温。5. 红外测温仪的应用领域近年来, 红外测温技术由于具有响应速度快、 灵敏度高等特点,其应用领域不断扩大, 已在食
11、品加工、 医疗等行业广泛地得到了应用。5.1 食品检验领域冷冻食品发出的红外辐射经过红外测温仪显示出温度。 如果温度过高, 红外测温仪立即发现指令报警, 或自动将温度调低, 以使食品在运输或储存期间始终保持适宜的低温。5.2 医疗领域红外测温可以对白血病、 雷诺氏病及肿瘤作早期诊断, 特别是对浅表性乳腺癌和皮肤癌的早期诊断更有效。 另外, 用红外测温给小儿和精神病患者测量体温省去了许多麻烦。6. 几点使用经验笔者在长期进行红外辐射测温过程中总结了一些利于提高测量精度的经验, 在此与读者共享 :(1) 必须准确确定被测物体的发射率 ;(2) 避免周围环境高温物体的影响 ;(3) 对于透明材料,
12、环境温度应低于被测物体温度 ;(4) 测温仪要垂直对准被测物体表面, 在任何情况下, 角度都不能超过 30 ;(5) 不能应用于光亮的或抛光的金属表面的测温, 不能透过玻璃进行测温 ;(6) 正确选择距离系数, 目标直径必须充满视场 ;(7) 如果红外测温仪突然处于环境温度差为 20 或更高的情况下, 测量数据将不准确, 需温度平衡后再取其测量的温度值。 参考文献 :1 由富恩等 . 辐射测温原理及检定M. 北京 : 中国计量出版社, 1990.2 陈衡 . 红外物理学 M. 北京 : 国防工业出版社, 1985.表 4-1 S 值应满足的要求目标大小 D(mm) 15 50 100 200测量距离 S(mm) 120 400 800 1600检测与制作Test and Produce