红外测温工作原理(新)

红外测温原理与选型上海皇龙自动化工程有限公司021-5216028113482297687吕江明红外测温发展过程1800年赫胥尔发现红外线1828年M’Sweeny第一个辐射温度计19世纪末消隐光学高温计1901年全辐射测温仪专利(Fery)1931年商用全辐射测温仪问世(Leeds&Northrupcompany)60年代后迅猛发展近二十年双色、光纤、扫描等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X光。可见光紫外光红外光X-射线GammaRays无线电波EHFSHFUHFVHFHFMFLFVLF0.1A1A1UA100A0.11101001cm0.1cm10cm1m100m1km10km100km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绝对零度(-273℃)以上的物体都辐射红外能量红外测温的几个重要概念波长发射率距离系数温度与辐射能量的关系黑体辐射光谱曲线的特性12345678910111213141500°C1000°C542°C260°C20°C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与温度成反比红外能量（温度/热像）波长（微米）102101110-110-210-310-40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MM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“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材料种类表面状况(抛光,粗糙,氧化,喷砂)表面几何形状(平面,凹面,凸面)表面理化结构状态（如沉积物，氧化膜，油膜等）透过率(例如塑料薄膜)测量温度测量角度距离系数探头到目标的距离测量斑直径大小2.50.17.50.3140.6210.8331.3mm英寸002515027631305mm英寸测斑直径测量距离=D:S黑体辐射定率普朗克定律：式中：第一辐射常数：第二辐射常数：111)(/25TCbbeCTMChcWmm123741500003102824(..)CchkKm2414387900001910/(..)黑体辐射定律斯藩-玻耳兹曼定率：维恩位移定率：A=2897.3从此可看出波长与温度成反比MTMTdTWm()()()402ATm大气传输环境453SP1470EMS?85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)1.00.50.00.512358101520波长(微米)相对透过率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=发射能量背景能量的影响当背景温度高于目标温度时应进行背景温度补偿(T-Ambient)背景温度目标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与“真实值”比较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指相同条件下输出比较(距离、发射率、精度）建立当地“基准”，测量与基准的偏差工艺监控中实际起作用，“工艺精度”需要精度还是重复性?精度重复性响应速度分析对于运动的目标和快速加热的目标响应速度快是必需的当温度变化缓慢时，响应速度快通常是不必要的发射率设定误差造成的测量温度误差1086420500100015002000250030008-14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%1009080706050403020100234567891011121314聚乙烯.03mm(1mil)0.13mm(5密耳)1009080706050403020100透过率%波长（微米）火焰234567891011121314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测玻璃后面物体温度用1-3微米测玻璃表面温度250℃以上用5微米测低温时用8-14微米玻璃的红外测量0.2mm(10Mil)1.5mm(60Mil)6mm(240Mil)1.0.8.6.4.2234568透过率波长(微米)如何选择响应波长?近可能选择短的波长选择将反射，透射能量降到最低的波长特殊物体（塑料薄膜，玻璃，火焰等）采用特殊波长(被测物体不透明的波长）根据现场环境的问题（如观察窗口）当视场被部分遮挡时，应选择双色仪器测温范围/响应波长距离系数（测量距离与目标大小）发射率设定测量精度/重复性响应时间瞄准方式（激光、透镜、视频、目视、瞄准灯/镜）现场环境要求/输出方式测温仪的选型参数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453SP1470EMS?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理论公式：T：目标温度A，B：常数：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：坡度（双色测温仪要调的是坡度而不是发射率）TBAeeEElog()log()1212ee12/e1e2E2E1如何利用双色测温?当测量视场被遮挡时，或物体快速运动,目标比较小,单色测温仪将产生测量误差双色测温的原理:通过计算探测到的两个波长上的能量的比值，可以消除这种误差比值随目标温度变化而变化波长()1.02.0比值(E2/E1)~T00.10.20.30.40.50.60.70.80.91相对辐射能量(E)12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%双色:0%-95%能量衰减从右图可见,双色测量的误差很小,几乎不变化。而且双色只需要吸收物体5%的能量就可以测量到。不象单色红外测温仪需要吸收到物体95%的能量才能测量准确。双色测温仪测量视场部分被遮挡烟雾，水汽，灰尘不洁窗口目标比较小,小于测量红外测温仪的视场运动目标,尤其是快速运动的物体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热偶输出电流输出0-20mA4-20mA电压输出0-5伏标准1mV/度RS232/RS485输出仪器接口控制器数字温度表大屏幕显示器图形记录仪监视器打印机计算机探头附件当环境很恶劣时，红外探头应进行保护高温保护套空冷和水冷空气吹扫套瞄准管及窗口高温电缆窗口使探头与恶劣环境隔离测量波长要能透过窗口测高温时用硅玻璃或石英窗口AMTIR窗口可用于整个光谱范围