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紅外測(cè)溫儀工作原理及應(yīng)用（二）

3.紅外測(cè)溫
　　3.1紅外測(cè)溫儀器的種類
　　紅外測(cè)溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀（點(diǎn)溫儀）。60年代我國(guó)研制成功第一臺(tái)紅外測(cè)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(cè)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(guó)生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測(cè)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(guó)PM－250瑞典AGA－ THV510、550、570。近期國(guó)產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
　　3.2紅外測(cè)溫儀工作原理
　　了解紅外測(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用戶正確地選擇和使用紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)。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)匯集其視場(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)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(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(cè)目標(biāo)的溫度值。除此之外還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。
　　一切溫度高于絕對(duì)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(zhǎng)的分布——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(méi)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)射率的主要因紗在：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。
　　3.3紅外測(cè)溫儀性能
　　紅外測(cè)溫儀是通過(guò)接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來(lái)測(cè)量其表面溫度。測(cè)溫儀內(nèi)的探測(cè)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(hào)中激光瞄準(zhǔn)器只做瞄準(zhǔn)使用。其性能說(shuō)明如表1。
　　　　測(cè)溫范圍　　-32℃--400℃　　顯示分辯率　　　0.1℃(<199.1℃時(shí) )
　　　　精度　　　　23 ℃時(shí)±1%　　工作環(huán)境溫度范圍　　0--50 ℃
　　　　重復(fù)性　　　23 ℃時(shí)±1%　　相對(duì)濕度　　　　　30 ℃時(shí) 10—95%
　　　　響應(yīng)時(shí)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(duì)要求特殊制作
表1紅外測(cè)溫儀性能
　　為了獲得精確的溫度讀數(shù)測(cè)溫儀與測(cè)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(cè)溫儀測(cè)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(cè)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(cè)量距離與光點(diǎn)尺寸
　　在定測(cè)量距離時(shí)應(yīng)確保目標(biāo)直徑等于或大于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸。右圖所標(biāo)示的“1號(hào)物體”（object 1 ）與測(cè)量?jī)x之間的距離正因?yàn)槟繕?biāo)比被測(cè)光點(diǎn)尺寸略大一些。而“2號(hào)物體”距離太遠(yuǎn)因?yàn)槟繕?biāo)小于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸即測(cè)溫儀同在測(cè)量背景物體從而降低了讀數(shù)的精確性。
4.紅外測(cè)溫儀正確選擇
　　選擇紅外測(cè)溫儀可分為3個(gè)方面：
　�。�1）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、窗口、顯示和輸出、響應(yīng)時(shí)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(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。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。在選擇測(cè)溫儀型號(hào)時(shí)應(yīng)首先確定測(cè)量要求如被測(cè)目標(biāo)溫度被測(cè)目標(biāo)大小測(cè)量距離被測(cè)目標(biāo)材料目標(biāo)所處環(huán)境響應(yīng)速度測(cè)量精度用便攜式還是在線式等等；在現(xiàn)有各種型號(hào)的測(cè)溫儀對(duì)比中選出能夠滿足上述要求的儀器型號(hào)；在諸多能夠滿足上述要求的型號(hào)中選擇出在性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。 
　　4.1確定測(cè)溫范圍
　　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。一般來(lái)說(shuō)測(cè)溫范圍越窄監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高精度可靠性容易解決。測(cè)溫范圍過(guò)寬會(huì)降低測(cè)溫精度。例如如果被測(cè)目標(biāo)溫度為1000攝氏度首先確定在線式還是便攜式如果是便攜式。滿足這一溫度的型號(hào)很多如3iLR33i2M3i1M。如果測(cè)量精度是主要的最好選用2M或1M型號(hào)的因?yàn)槿绻�選用3iLR型其測(cè)溫范圍很寬則高溫測(cè)量性能便差一些；如果用戶除測(cè)量1000攝氏度的目標(biāo)外還要照顧低溫目標(biāo)那只好選擇3iLR3。 
　　4.2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)于比色測(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)很小不充滿視場(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)都不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)比色測(cè)溫儀是最佳選擇。這是由于光線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。
　　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(méi)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)。
　　4.3確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）
　　距離系數(shù)由D：S之比確定即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。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。Raytek紅外測(cè)溫儀D：S的范圍從2：1（低距離系數(shù)）到高于300：1（高距離系數(shù)）。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)而目標(biāo)又小就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑最小位置近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。存在兩個(gè)距離系數(shù)。因此為了能在接近和遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離上準(zhǔn)確測(cè)溫被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點(diǎn)處光斑尺寸變焦測(cè)溫儀有一個(gè)最小焦點(diǎn)位置可根據(jù)到目標(biāo)的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。增大D：S接收的能量就減少如不增大接收口徑距離系數(shù)D：S很難做大這就要增加儀器成本。
　　4.4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)溫儀的光譜相應(yīng)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0.8～1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波長(zhǎng)上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1.0μm2.2μm和3.9μm（被測(cè)玻璃要很厚否則會(huì)透過(guò)）波長(zhǎng)；測(cè)玻璃表面溫度選用5.0μm；測(cè)低溫區(qū)選用8～14μm為宜。如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm聚酯類選用4.3μm或7.9μm厚度超過(guò)0.4mm的選用8-14μm。如測(cè)火焰中的CO用窄帶4.64μm測(cè)火焰中的NO2用4.47μm。
　　4.5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)。Raytek（雷泰）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)。確定響應(yīng)時(shí)間主要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)的溫度變化速度。對(duì)于靜止的目標(biāo)或目標(biāo)參在熱慣性或現(xiàn)有控制設(shè)備的速度受到限制測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。
　　4.6信號(hào)處理功能
　　鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同所以要求紅外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用如測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(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)。否則測(cè)溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。
　　4.7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)予考慮并適當(dāng)解決否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高存在灰塵、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。當(dāng)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煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信信號(hào)時(shí)，光纖雙色測(cè)溫儀是最佳選擇。比色測(cè)溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)和難以接近的環(huán)境條件下或其他惡劣條件時(shí)宜選擇光線比色測(cè)溫儀。
　　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(jiàn)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(jiàn)光的光學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
　　當(dāng)測(cè)溫儀工作環(huán)境中存在易燃?xì)怏w時(shí)可選用本征安全型紅外測(cè)溫儀從而在一定濃度的易燃?xì)怏w環(huán)境中進(jìn)行安全測(cè)量和監(jiān)視。
　　在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下可以選擇測(cè)溫頭和顯示器分開(kāi)的系統(tǒng)以便于安裝和配置�？蛇x擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。
　　4.8紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定
　　紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。

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