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1、红外测温原理与选型上海皇龙自动化工程有限公司021-52160281 13482297687 吕江明红外测温发展过程红外测温发展过程n n18001800年年 赫胥尔发现红外线赫胥尔发现红外线n n18281828年年 MM SweenySweeny第一个辐射温度计第一个辐射温度计n n1919世纪末世纪末 消隐光学高温计消隐光学高温计n n19011901年年 全辐射测温仪专利全辐射测温仪专利(Fery)(Fery)n n19311931年年 商用全辐射测温仪问世商用全辐射测温仪问世 (Leeds&Northrup company)(Leeds&Northrup company)n n606
2、0年代后年代后 迅猛发展迅猛发展n n近二十年近二十年 双色、光纤、扫描等双色、光纤、扫描等红外测温的原理红外测温的原理 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 线和线和X X光。光。可见光紫外光红外光X-射线Gamma Rays无线电波 EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF0.1A1A1UA100A0.11101001cm0.1cm10cm1m100m 1km10
3、km 100km波长10m30201510864321.510.80.60.4 波长 (um)常用红外光谱范围红外测温技术的基础红外测温技术的基础 绝对零度绝对零度(-273(-273) ) 以上的物体都辐射红外能量以上的物体都辐射红外能量红外测温的几个重要概念红外测温的几个重要概念n n波长波长n n发射率发射率n n距离系数距离系数温度与辐射能量的关系温度与辐射能量的关系 黑体辐射光谱黑体辐射光谱曲线曲线的特性的特性123456 7 8 9 10 11 12 13 141500C 1000C 542C 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
4、与温度成反比红外能量（温度/热像）波长（微米）102101110-110-210-310-4 0物体发射率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物体红外能量的传播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 1IIIIRATEEEE影响发射率的主要因素影响发射率的主要因素n n材料种类材料种类n n表面状况表面状况( (抛光抛光,
5、,粗糙粗糙, ,氧氧 化化, ,喷砂喷砂) )n n表面几何形状表面几何形状( (平面平面, ,凹凹 面面, ,凸面凸面) )n n表面理化结构状态（如表面理化结构状态（如 沉积物，氧化膜，油膜沉积物，氧化膜，油膜 等等）n n透过率透过率( (例如例如 塑料薄膜塑料薄膜) )n n测量温度测量温度n n测量角度测量角度距离系数距离系数探头到目标的距离测量斑直径大小2.5 0.17.5 0.314 0.621 0.833 1.3mm 英寸0 025 150 276 3130 5mm 英寸测斑直径测量距离= D:S黑体辐射定率黑体辐射定率n n普朗克定律：普朗克定律：式中：式中：第一辐射常数：第
6、一辐射常数：第二辐射常数：第二辐射常数：黑体辐射定律黑体辐射定律n n斯藩斯藩- -玻耳兹曼定率：玻耳兹曼定率：n n维恩位移定率：维恩位移定率：A=2897.3 A=2897.3 从此可看出从此可看出 波长与温度成反比波长与温度成反比大气传输大气传输环境453SP1 470 EMS ?85大气传输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)1.00.50.0 0.512358 1015 20波长 (微米)相对透过率实际物体的测温示意图实际物体的测温示意图目标探头RTE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
7、背景能量的影响背景能量的影响当背景温度高于目当背景温度高于目 标温度时应进行背标温度时应进行背 景温度补偿景温度补偿(T-(T- Ambient)Ambient) 背景温度目标目标与视场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n n与与“ “真实值真实值” ”比较比较 n n当测量位置不同或使用不同仪器测同一物当测量位置不同或使用不同仪器测同一物 体时，精度非常重要体时，精度非常重要n n指相同条件下输出比较指相同条件下输出比较( (距离、发射率
8、、距离、发射率、 精度）精度）n n建立当地建立当地“ “基准基准” ”，测量与基准的偏差，测量与基准的偏差n n工艺监控中实际起作用，工艺监控中实际起作用，“ “工艺精度工艺精度” ”需要精度还是重复性需要精度还是重复性? ? 精度重复性响应速度分析响应速度分析n n对于运动的目标和快对于运动的目标和快 速加热的目标响应速速加热的目标响应速 度快是必需的度快是必需的n n当温度变化缓慢时，当温度变化缓慢时， 响应速度快通常是不响应速度快通常是不 必要的必要的发射率设定误差发射率设定误差 造成的测量温度误差造成的测量温度误差 1086420500100015002000250030008-14
9、 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 %100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 02 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14聚乙烯 .03mm(1mil)0.13mm(5密耳)100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0透过率 %波长（微米）火焰2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
10、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 扰指导方针指导方针n n测玻璃后面物体温度测玻璃后面物体温度 用用 1-31-3微米微米n n测玻璃表面温度测玻璃表面温度250250 以上用以上用 5 5 微米微米n n测低温时用测低温时用 8 - 14 8 - 14 微微 米米 玻璃的红外测量玻璃的红外测量0.2 mm (10 Mil)1.5 mm (60 Mil)6 mm (240 Mil)1.0.8.6.4.2234568透过率波长 (微米)如何选择响应波长如何选择响应波长? ?n n近可能选择短的波长
11、近可能选择短的波长n n选择将反射，透射能量降到最低的波长选择将反射，透射能量降到最低的波长n n特殊物体（塑料薄膜，玻璃，火焰等）采特殊物体（塑料薄膜，玻璃，火焰等）采 用特殊波长用特殊波长( (被测物体不透明的波长）被测物体不透明的波长）n n根据现场环境的问题（如观察窗口）根据现场环境的问题（如观察窗口）n n当视场被部分遮挡时，应选择双色仪器当视场被部分遮挡时，应选择双色仪器n n测温范围测温范围/ /响应波长响应波长n n距离系数（测量距离与目标大小）距离系数（测量距离与目标大小）n n发射率设定发射率设定n n测量精度测量精度/ /重复性重复性n n响应时间响应时间n n瞄准方式（
12、激光、透镜、视频、目视瞄准方式（激光、透镜、视频、目视 、瞄准灯、瞄准灯/ /镜）镜）n n现场环境要求现场环境要求/ /输出方式输出方式测温仪的选型参数测温仪的选型参数红外测温仪工作原理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。双色测温仪双色测温仪n n理论公式：理论公式：T T：目标温度：目标温度 A A，B B：常数：常数：第一波段内发
13、射率：第一波段内发射率：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：第一波段内目标能量：第一波段内目标能量：坡度：坡度 （双色测温仪要调的是坡度而不是发射（双色测温仪要调的是坡度而不是发射 率）率）如何利用双色测温如何利用双色测温? ?n n当测量视场被遮挡时，或物体当测量视场被遮挡时，或物体 快速运动快速运动, ,目标比较小目标比较小, ,单色测温单色测温 仪将产生测量误差仪将产生测量误差n n双色测温的原理双色测温的原理: : 通过计算探测通过计算探测 到的两个波长上的能量的比值到的两个波长上的能量的比值 ，可以消除这种误差，可以消除这种误差n n比值随目
14、标温度变化而变化比值随目标温度变化而变化波长 (m)1.02.0比值 (El2/El1) T00.10.20.30.40.50.60.70.80.91相对辐射能量(E)ll12双色与单色测量比较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)100-10-20-30-40-50100-10-20-30-40-5050010001500*200025003000+ 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 从右图可见从右图可见, ,双色测双色测 量的误差很小
15、量的误差很小, ,几乎几乎 不变化。而且双色只不变化。而且双色只 需要吸收物体需要吸收物体5%5%的的 能量就可以测量到。能量就可以测量到。 不象单色红外测温仪不象单色红外测温仪 需要吸收到物体需要吸收到物体95%95% 的能量才能测量准确。的能量才能测量准确。双色测温仪双色测温仪n n测量视场部分被遮挡测量视场部分被遮挡n n烟雾，水汽，灰尘烟雾，水汽，灰尘 n n不洁窗口不洁窗口n n目标比较小目标比较小, ,小于测量红外测温仪的视场小于测量红外测温仪的视场n n运动目标运动目标, ,尤其是快速运动的物体尤其是快速运动的物体n n目标发射率低或变化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输出选择n n热偶输出热偶输出n n电流输出电流输出n n0 - 20 mA0 - 20 mAn n4 - 20 mA4 - 20 mAn n电压输出电压输出n n0 - 5 0 - 5 伏伏n n标准标准1 mV /1 mV /度度n nRS23
