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1、红外测温仪的工作原理及其应用摘要：红外测温的物理基础是黑体辐射定律。具有非接触测温、测量结果迅速、准确的特点，同时在使用中也存在一些注意的问题。目前已在很多领域都有不同的应用。关键字：红外；辐射；测温仪1. 概述1800年，英国物理学家FW赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。当时他称之为“不可见之光”。之后，人们花了一百多年的时间认识红外辐射的电磁本质，并建立了热辐射的基本规律，为红外技术的应用奠定了理论基础。随着光学技术、半导体技术、电子技术的不断发展，红外技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功地应用于医学、工农业、矿业等领域。2. 红外测温理论基础（1） 红外
2、辐射（红外线、红外光）红外线是电磁波谱中，波长0.76m1000m范围的电磁辐射，位于红外光与无线电波之间。与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同时具有粒子性。对人的眼睛不敏感，要用对红外敏感的探测器才能接收到。红外辐射的本质是热辐射。热辐射包括紫外光、可见光辐射，但是在0.76m40m红外辐射热效应最大。自然界中一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体，时时刻刻都在不停地辐射红外线。辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定；特别热辐射的强度及光谱成份取决于辐射体的温度。（2） 黑体辐射规律黑体红外辐射的基本规律揭示的是黑体发射的红外热辐射随温度及波长的定量关系。黑体是一种
3、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验和计算得出黑体辐射定律：式中： 温度为时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐出度；一斯特藩玻耳兹曼常量；一物体温度。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时，总辐出度为M 等于黑体在温度为时的总辐出度Mo，即：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为被测物体的辐射温度，所以已知被测物体的和，就可算出物体的真实温度。3. 红外测温系统红外测温系统由光学系统、
4、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。它的工作流程如下图所示。被测物体辐射的红外线首先进入测温仪的光学系统， 光学系统的任务是汇聚射人的红外线， 使能量更加集中； 聚集后的红外线输入到光电探测器中，探测器的关键部件是红外线传感器， 它的任务是把光信号转化为电信号； 从光电探测器输出的电信号被送进信号放大器由电子线路进行处理， 将电信号还原成温度值； 最后由显示器给出被测物体的温度。被测物体光学系统光电探测器信号放大器信号处理器显示输出图1红外测温的方式可分为全场分析和逐点分析两种。全场分析的方是用红外成像镜头把物体的温度分布图象成像在传感器阵列上，从而获得物体空间温度场的全场分
5、布，全场分布探测系统称为热成像仪。逐点分析则是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，逐点分析系统常称为红外测温仪。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，主要包括红外光学系统、红外探测器、电信号处理系统等部分。如图2所示，其中光学系统聚焦目标物体的辐射能量。红外测温仪的发展方向是实现小型化和微型化。近年来，衍射型光学聚焦镜、薄膜型红外探测器、共振型压电调制器制成的红外测温系统，只有一个大功率晶体管那么大，完全实现了微型化的目标。在今年的甲流暴发时期，手持红外测温仪用来进行人体体温
6、测量，不接触人体，也不造成任何伤害，发挥了重要作用。4. 红外测温仪的优点由于红外测温是利用被测物体辐射的红外线来确定其温度的， 所以这种测温方法具有其他测温方法无可比拟的优点。主要有：( 1 ) 红外测温是非接触测量。因此它可以用于温度过高或过低、高电压的区域以及高速运转的机械温度的测量， 而测量者不必靠近这些危险的环境。( 2 ) 红外测温反应速度快。因为它不像通常温度计那样，要等待温度计内测温物质与被测物体达到热平衡， 而只要接收到被测物体的红外线即可。反应时间一般在毫秒级至微秒级。( 3 ) 红外测温灵敏度高。根据，物体辐射能量跟温度4 次方成正比， 所以只要温度有微小的变化， 辐射能
7、量就会有明显的变化。（4）红外测温精确度高。由于是非接触测量，这样测量过程不会改变被测物体的温度，所以测量结果真实可靠。（5）红外测温范围大。红外测温的原理决定了其测温范围大于通常的温度计。现在实用的红外测温仪一般分为高、中、低三类，测温范围分别为：700以上、100700、100以下。5. 红外线测温仪缺点及注意事项(1)缺点：易受环境因素影响(环境温度，空气中的灰尘等)。对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度。(2)使用注意事项：必须准确确定被测物体的发射率。避免周围环境高温物体的影响。对于透明材料，环境温度应低于被测物
8、体温度。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。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。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，温度平衡后再取其测量的温度值。由于普通红外测温仪只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度，所以可以在其检测头部加一段光导纤维，并在其前端装一个小视角的透镜，这样被测物体的辐射能经过透镜到光导纤维内部。在光导纤维里面经过多次反射传至检测器。因为光纤可以自由弯曲，使辐射能自由转向，这就解决了物体内部温度的测量问题，可以测量有障碍物挡住的角落等地方的温度。6. 红外测温系统
9、的应用近年来，红外测温技术从一维测量发展为二维测量，并已应用于医疗、工业等领域。(1)医疗领域。当人体患病时，全身或局部的热平衡遭到破坏，便在相应部位的皮肤温度上反映出来。红外热像仪可以对白血病、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，用红外体温计给小儿和精神病患者测量体温省去了许多麻烦。(2)工业领域。红外测温可用于火车轴温检测。火车轴箱会由于温度过高而发生“燃轴”造成事故。把红外测温仪安装在铁道两侧，车过时，车轮的轴箱逐个扫过探测仪的视场，从而产生一系列的脉冲输出，若某个轴箱的温度允许的极限，就可采取措施，其检测的准确率在95以上。又如高压输电线路的众
10、多接头中，有的由于某些原因发热成为热接点，可用红外测温仪进行快速、连续的非接触测量。另外，还可用于炉温检测、压延钢板的温度分布的测定等。7. 结束语红外辐射存在普遍性，决定了红外测温应用的广泛性。目前，世界范围内对红外测温技术的应用正方兴未艾，不同的需要，将促使更多型号的红外测温仪产生。随着微机和光纤的广泛应用，将使红外测温仪的性能逐渐完善。参考文献【1】倪雪飞. 浅谈红外测温及其应用.J计量与测试技术，2009, 第36卷第7期：7-8【2】刘树田红外测温的原理是什么. J. 中学科技，2009，第10期：23-24。 【3】贾海瀛，关代宇，刘明成.J.天津师范大学学报（自然科学版），2009，第3期：34-35
