紅外測(cè)溫儀工作原理及其應(yīng)用

紅外測(cè)溫儀工作原理

紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)，光電探測(cè)器，信號(hào)大器及信號(hào)處理.顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

使用紅外測(cè)溫儀的益處

便捷!紅外測(cè)溫儀可快速提供溫度測(cè)量，在用熱偶讀取一個(gè)滲漏連接點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，用紅外測(cè)溫儀幾乎可以讀取所有連接點(diǎn)的溫度。另外由于紅外測(cè)溫儀堅(jiān)實(shí)、輕巧(都輕于10盎司)，且不用時(shí)易于放在皮套中。所以當(dāng)你在工廠巡視和日常檢驗(yàn)工作時(shí)都可攜帶。

精確!紅外測(cè)溫儀的另一個(gè)先進(jìn)之處是精確，通常精度都是1度以內(nèi)。這種性能在你做預(yù)防性維護(hù)時(shí)特別重要，如監(jiān)視惡劣生產(chǎn)條件和將導(dǎo)致設(shè)備損壞或停機(jī)的特別事件時(shí)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的設(shè)備和工廠運(yùn)轉(zhuǎn)365天，停機(jī)等同于減少收入，要防止這樣的損失，通過(guò)掃描所有現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備-斷路器、變壓器、保險(xiǎn)絲、開關(guān)、總線和配電盤以查找熱點(diǎn)。用紅外測(cè)溫儀，你甚至可快速探測(cè)操作溫度的微小變化，在其萌芽之時(shí)就可將問(wèn)題解決，減少因設(shè)備故障造成的開支和維修的范圍。

安全!安全是使用紅外測(cè)溫儀最重要的益處。不同于接觸測(cè)溫儀，紅外測(cè)溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達(dá)的目標(biāo)溫度，你可以在儀器允許的范圍內(nèi)讀取目標(biāo)溫度。非接觸溫度測(cè)量還可在不安全的或接觸測(cè)溫較困難的區(qū)域進(jìn)行，像蒸汽閥門或加熱爐附近，他們不需在冒接觸測(cè)溫時(shí)一不留神就燒傷手指的風(fēng)險(xiǎn)。高于頭頂25英尺的供/回風(fēng)口溫度的精確測(cè)量就象在手邊測(cè)量一樣容易。福祿克、歐普士紅外測(cè)溫儀都有激光瞄準(zhǔn)，便于識(shí)別目標(biāo)區(qū)域。有了它你的工作變的輕松多了。

紅外測(cè)溫儀使用的主要領(lǐng)域在哪里

紅外測(cè)溫儀已被證實(shí)是檢測(cè)和診斷電子設(shè)備故障的有效工具。可節(jié)省大量開支，用紅外測(cè)溫儀，你可連續(xù)診斷電子連接問(wèn)題和通過(guò)查找在DC電池上的輸出濾波器連接處的熱點(diǎn)，以檢測(cè)不間斷電源(UPS)的功能狀態(tài)，你可檢驗(yàn)電池組件和功率配電盤接線端子，開關(guān)齒輪或保險(xiǎn)絲連接，防止能源消耗;由于松的連接器和組合會(huì)產(chǎn)生熱，紅外測(cè)溫儀有助于識(shí)別回路中斷器的絕緣故障.或監(jiān)視電子壓縮機(jī);日常掃描變壓器的熱點(diǎn)可探測(cè)開裂的繞組和接線端子。

如何用紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度

福祿克、歐普士時(shí)代非接觸測(cè)溫儀的三種測(cè)溫技術(shù)：
點(diǎn)測(cè)量：測(cè)定物體全部表面溫度，像發(fā)動(dòng)機(jī)或其他設(shè)備
溫差測(cè)量：比較兩個(gè)獨(dú)立點(diǎn)的測(cè)量溫度，像連接器或斷路器
掃描測(cè)量：探測(cè)在寬的區(qū)域或連續(xù)區(qū)域目標(biāo)變化。象制冷管線或配電室。

選擇紅外測(cè)溫儀主要考慮

-溫度范圍：福祿克、歐普士產(chǎn)品的溫度范圍為-500～3000度(分段)，每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有其特定的測(cè)溫范圍。所選儀器的溫度范圍應(yīng)與具體應(yīng)用的溫度范圍相匹配。

-目標(biāo)尺寸：測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)應(yīng)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng)，否則測(cè)量有誤差。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)測(cè)溫儀視場(chǎng)的50%為好。

-光學(xué)分辨率(D:S)：即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)直徑之比。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，應(yīng)選擇高分辨率的測(cè)溫儀。

精確測(cè)量溫度技巧

-當(dāng)測(cè)量發(fā)光物體表面溫度時(shí)，如鋁和不銹鋼，表面的反射會(huì)影響紅外測(cè)溫儀的讀數(shù)。在讀取溫度前，可在金屬表面放一膠條，溫度平衡后，測(cè)量膠條區(qū)域溫度。

-要想紅外測(cè)溫儀可從廚房到冷藏區(qū)來(lái)回走動(dòng)仍能提供精確的溫度測(cè)量，就要在新環(huán)境下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以達(dá)到溫度平衡后再測(cè)量。最好將測(cè)溫儀放在經(jīng)常使用的場(chǎng)所。

-用紅外測(cè)溫儀讀取流體食品的內(nèi)部溫度，像湯或醬，必須攪動(dòng)，然后就可測(cè)表面溫度。使測(cè)溫儀遠(yuǎn)離蒸汽，以避免污染透鏡，導(dǎo)致不正確的讀數(shù)。

如何正確選擇紅外測(cè)溫儀

紅外測(cè)溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用。近二十年來(lái),非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展,性能不斷提高,適用范圍也不斷擴(kuò)大,市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。比起接觸式測(cè)溫方法,紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

非接觸紅外輻射測(cè)溫產(chǎn)品包括便攜式、在線式和掃描式三大系列,并備有各種選配件和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件,每一系列中又有各種型號(hào)及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號(hào)測(cè)溫儀中,正確地選擇紅外測(cè)溫儀型號(hào)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是十分重要的。這里僅提出如何正確選擇測(cè)溫儀型號(hào)的思考步驟,供購(gòu)買者參考。

外測(cè)溫儀工作原理

了解組外測(cè)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為了幫助用戶正確地選擇和使用紅外測(cè)溫儀。

一切溫度高于絕對(duì)零度(-273℃)的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性一輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布一與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度,這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

黑體輻射定律:

黑體是一種理想化的輻射體,它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量,沒有能量的反射和透過(guò),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(zhǎng)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(duì)輻射測(cè)溫的影響：

自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)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(guò)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(shí)際物體，必須引入一個(gè)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(shí)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。

影響發(fā)射率的主要因素在：

材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。

當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量,然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例:雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。

紅外系統(tǒng):

紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由測(cè)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(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)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(cè)目標(biāo)的溫度值。

選擇紅外測(cè)溫儀可分為三個(gè)方面：

性能指標(biāo)方面,如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間等;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;其他選擇方面,如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等,也對(duì)測(cè)溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。隨著技術(shù)和不斷發(fā)展,紅外測(cè)溫儀最佳設(shè)計(jì)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。

確定測(cè)溫范圍:

測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。如TIME(時(shí)代)、Raytek(雷泰)產(chǎn)品覆蓋范圍為-50℃-+3000℃,但這不能由一種型號(hào)的紅外測(cè)溫儀來(lái)完成。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此,用戶的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全,既不要過(guò)窄,也不要過(guò)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(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。

確定目標(biāo)尺寸：

紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀(輻射比色測(cè)溫儀)。對(duì)于單色測(cè)溫儀,在進(jìn)行測(cè)溫時(shí),被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng),背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù),造成誤差。相反,如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng),測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。

對(duì)于Raytek(雷泰)雙色測(cè)溫儀,其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小,沒有充滿現(xiàn)場(chǎng),測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對(duì)輻射能量有衰減時(shí),都不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下,仍能保證要求的測(cè)溫精度。對(duì)于目標(biāo)細(xì)小,又處于運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)之中的目標(biāo);有時(shí)在視場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng),或可能部分移出視場(chǎng)的目標(biāo),在此條件下,使用雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。如果測(cè)溫儀和目標(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn),測(cè)量通道彎曲、狹小、受阻等情況下,雙色光纖測(cè)溫儀是最佳選擇。這是由于其直徑小,有柔性,可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量,因此可以測(cè)量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場(chǎng)的目標(biāo)。

確定光學(xué)分辨率(距離及靈敏)

光學(xué)分辨率由D與S之比確定,是測(cè)溫儀到目標(biāo)之間的距離D與測(cè)量光斑直徑S之比。如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處,而又要測(cè)量小的目標(biāo),就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。光學(xué)分辨率越高,即增大D:S比值,測(cè)溫儀的成本也越高。

確定波長(zhǎng)范圍：

目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜響應(yīng)或波長(zhǎng)。對(duì)于高反射率合金材料,有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū),測(cè)量金屬材料的最佳波長(zhǎng)是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長(zhǎng)。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長(zhǎng)。由于有些材料在一定波長(zhǎng)是透明的,紅外能量會(huì)穿透這些材料,對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。如測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm(被測(cè)玻璃要很厚,否則會(huì)透過(guò))波長(zhǎng);測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長(zhǎng);測(cè)低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長(zhǎng)為宜;再如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長(zhǎng),聚醋類選用4.3μm或7.9μm波長(zhǎng)。厚度超過(guò)0.4mm選用8-14μm波長(zhǎng);又如測(cè)火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長(zhǎng),測(cè)火焰中的C0用窄帶4.64μm波長(zhǎng),測(cè)量火焰中的N02用4.47μm波長(zhǎng)。

確定響應(yīng)時(shí)間:

響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度,定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間,它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。新型紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms。這要比接觸式測(cè)溫方法,快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí),要選用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀,否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng),會(huì)降低測(cè)量精度。然而,并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí),測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此,紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。

信號(hào)處理功能：

測(cè)量離散過(guò)程(如零件生產(chǎn))和連續(xù)過(guò)程不同,要求紅外測(cè)溫儀有信號(hào)處理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。如測(cè)溫傳送帶上的玻璃時(shí),就要用峰值保持,其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。

環(huán)境條件考慮：

測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響,應(yīng)加以考慮、并適當(dāng)解決,否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起測(cè)溫儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下,可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè)溫儀,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí),應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù),以降低安裝成本。調(diào)查煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信號(hào)，雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下,或其他惡劣條件下,光纖雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。

在密封的或危險(xiǎn)的材料應(yīng)用中(如容器或真空箱),測(cè)溫儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀測(cè)。材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過(guò)所用測(cè)溫儀的工作波長(zhǎng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)行觀察,因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料,避免相互影響。在低溫測(cè)量應(yīng)用中,通常用Ge或Si材料作為窗口,不透可見光,人眼不能通過(guò)窗口觀察目標(biāo)。如操作員需要通過(guò)窗口目標(biāo),應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見光的光學(xué)材料,如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見光的光學(xué)材料,如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。