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1、紅 外 測 溫 原 理 與 選 型上 海 皇 龍 自 動 化 工 程 有 限 公 司021-5216028113482297687呂 江 明 紅 外 測 溫 發(fā) 展 過 程 1800年 赫 胥 爾 發(fā) 現(xiàn) 紅 外 線 1828年 MSweeny第 一 個 輻 射 溫 度 計 19世 紀 末 消 隱 光 學(xué) 高 溫 計 1901年 全 輻 射 測 溫 儀 專 利 (Fery) 1931年 商 用 全 輻 射 測 溫 儀 問 世 (Leeds&Northrup company) 60年 代 后 迅 猛 發(fā) 展 近 二 十 年 雙 色 、 光 纖 、 掃 描 等 紅 外 測 溫 的 原 理紅外測溫儀

2、可捕捉從所有物體輻射出的紅外能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分，電磁頻譜中包括無線電波、微波、可見光、紫外線、伽瑪射線和X光?？梢姽庾贤夤饧t外光X-射線GammaRays無線電波EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF0.1A 1A 1UA 100A 0.1 1 10 100 1cm0.1cm 10cm 1m 100m 1km 10km 100km波長10m 30201510864321.510.80.60.4波長 (um)常用紅外光譜范圍 紅 外 測 溫 技 術(shù) 的 基 礎(chǔ)絕 對 零 度 (-273 ) 以 上 的 物 體 都 輻 射 紅 外 能 量 紅外測溫的幾個重要概念波長

3、發(fā)射率距離系數(shù) 溫 度 與 輻 射 能 量 的 關(guān) 系黑 體 輻 射 光 譜 曲 線 的 特 性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 141500C 1000C542C 260C 20C 不 同 溫 度 的 輻 射 曲 線 永 不 會 相 交隨 溫 度 增 加 ， 輻 射 能 量 增 大 而 峰 值 波 長 減 小波 長 與 溫 度 成 反 比紅外能量（溫度/熱像） 波長（微米） 102101110-110 -210-310-40 物 體 發(fā) 射 率隨發(fā)射率變化(非灰體)= 0.9 (灰體) 相對能量波長 (微米) = 1.0 (黑體) 發(fā) 射 率 為 物 體 的 輻

4、射 度 與 和 與 該 物 體 具 有 相 同 溫 度 的 黑 體 的 輻 射 度 之 比 MM 物 體 紅 外 能 量 的 傳 播發(fā) 射 率 決 定 了 實 際 物 體 的 紅 外 輻 射 特 性“理 想 黑 體 ” “實 際 物 體 ” 既 是 完 全 吸 收 體也 是 完 全 發(fā) 射 體 部 分 能 量 被 反 射部 分 能 量 透 過發(fā) 射 率 =1 發(fā) 射 率 1III IR A TEEEE 影 響 發(fā) 射 率 的 主 要 因 素 材 料 種 類 表 面 狀 況 (拋 光 ,粗 糙 ,氧化 ,噴 砂 ) 表 面 幾 何 形 狀 (平 面 ,凹面 ,凸 面 ) 表 面 理 化 結(jié) 構(gòu)

5、狀 態(tài) （ 如沉 積 物 ， 氧 化 膜 ， 油 膜等） 透 過 率 (例 如塑 料 薄 膜 ) 測 量 溫 度 測 量 角 度 距 離 系 數(shù)探 頭 到 目 標 的 距 離測 量 斑 直 徑 大 小2.50.1 7.50.3 140.6 210.8 331.3 mm英寸00 251 502 763 1305 mm英寸測斑直徑測量距離 = D:S 黑體輻射定率普朗克定律：式中： 第一輻射常數(shù)：第二輻射常數(shù)：111)( /25 TCbb eCTM C hc W m m1 2 37415 00003 102 8 2 4 ( . . )C ch k Km2 4143879 000019 10 / (

6、. . ) 黑體輻射定律斯藩-玻耳茲曼定率：維恩位移定率：A=2897.3 從此可看出波長與溫度成反比M T M T d T W m( ) ( ) ( ) 40 2 ATm 大氣傳輸環(huán) 境 453SP1 470EMS ?85 大氣傳輸部分波長可以 避開大氣的吸收(高于海平線0.3 公里)1.00.5 0.00.5 1 2 3 5 8 10 15 20波長 (微米)相對透過率 實 際 物 體 的 測 溫 示 意 圖目標探頭RT E反 射 率 , 透 射 率 , 發(fā) 射 率環(huán)境溫度II = 入射能量R=反射能量T =透射能量E =發(fā)射能量 背 景 能 量 的 影 響當背景溫度高于目標溫度時應(yīng)進行背

7、景溫度補償(T-Ambient) 背景溫度目標 目 標 與 視 場要確保目標大于儀器所測圓點的大小。目標越小，則應(yīng)離得越近。如果精度非常重要，則要確保目標至少是測量圓點大小的兩倍最好 一般 差探頭 目標大于測量視場目標等于測量視場目標小于測量視場 與 “ 真 實 值 ” 比 較 當 測 量 位 置 不 同 或 使 用 不 同 儀 器 測 同 一 物體 時 ， 精 度 非 常 重 要 指 相 同 條 件 下 輸 出 比 較 (距 離 、 發(fā) 射 率 、精 度 ） 建 立 當 地 “ 基 準 ” ， 測 量 與 基 準 的 偏 差 工 藝 監(jiān) 控 中 實 際 起 作 用 ， “ 工 藝 精 度 ”

8、需 要 精 度 還 是 重 復(fù) 性 ?精 度重 復(fù) 性 響 應(yīng) 速 度 分 析 對 于 運 動 的 目 標 和 快速 加 熱 的 目 標 響 應(yīng) 速度 快 是 必 需 的 當 溫 度 變 化 緩 慢 時 ，響 應(yīng) 速 度 快 通 常 是 不必 要 的 發(fā) 射 率 設(shè) 定 誤 差造 成 的 測 量 溫 度 誤 差10864 20 500 1000 1500 2000 2500 30008-14 微米1.0微米使用盡可能短的測量波長% 誤差目標溫度(度)發(fā)射率誤差假定為 10%5.0微米3.9微米2.2微米 特 殊 類 型 波 長 的 選 用測量聚乙烯時，選用位于透過率近似為零處的波長，波長為：3

9、.43 。因為測得是他們的表面溫度波長（微米）透過率 %1009080706050403020 1002 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14聚乙烯.03mm(1mil) 0.13mm(5密耳)10090807060504030 20100透過率 %波長（微米）火焰2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14透過火焰測量物體時，需要選擇透過率高的波長，能夠透過火焰的紅外波長為3.9 。因為物體發(fā)出3.9 的紅外波長不受火焰的干擾 指導(dǎo)方針測玻璃后面物體溫度用 1-3微米測玻璃表面溫度250以上用 5 微米測低溫時用 8 - 14 微米 玻 璃 的 紅 外 測

10、 量0.2 mm (10 Mil)1.5 mm (60 Mil)6 mm (240 Mil)1.0.8.6.4.2 2 3 4 5 6 8透過率波長 (微米) 如 何 選 擇 響 應(yīng) 波 長 ? 近 可 能 選 擇 短 的 波 長 選 擇 將 反 射 ， 透 射 能 量 降 到 最 低 的 波 長 特 殊 物 體 （ 塑 料 薄 膜 ， 玻 璃 ， 火 焰 等 ） 采 用 特 殊 波 長 (被 測 物 體 不 透 明 的 波 長 ） 根 據(jù) 現(xiàn) 場 環(huán) 境 的 問 題 （ 如 觀 察 窗 口 ） 當 視 場 被 部 分 遮 擋 時 ， 應(yīng) 選 擇 雙 色 儀 器 測 溫 范 圍 /響 應(yīng) 波

11、長 距 離 系 數(shù) （ 測 量 距 離 與 目 標 大 小 ） 發(fā) 射 率 設(shè) 定 測 量 精 度 /重 復(fù) 性 響 應(yīng) 時 間 瞄 準 方 式 （ 激 光 、 透 鏡 、 視 頻 、 目 視 、瞄 準 燈 /鏡 ） 現(xiàn) 場 環(huán) 境 要 求 /輸 出 方 式測 溫 儀 的 選 型 參 數(shù) 紅 外 測 溫 儀 工 作 原 理窗口和光學(xué)系統(tǒng)目標環(huán)境 探測器顯示及輸出453SP1 470EMS ?85紅 外 測 溫 儀 由 光 學(xué) 系 統(tǒng) 、 光 電 探 測 器 、 信 號 放 大 器 及 信 號 處 理 、 顯 示 輸 出等 部 分 組 成 。 光 學(xué) 系 統(tǒng) 匯 聚 其 視 場 內(nèi) 的 目 標

12、紅 外 輻 射 能 量 ， 紅 外 能 量 聚 集在 光 電 探 測 器 上 并 轉(zhuǎn) 變 為 相 應(yīng) 的 電 信 號 ， 該 信 號 再 經(jīng) 換 算 轉(zhuǎn) 變 為 被 測 目 標的 溫 度 值 。 雙色測溫儀理論公式：T：目標溫度A，B：常數(shù) ：第一波段內(nèi)發(fā)射率 ：第一波段內(nèi)發(fā)射率 ：第一波段內(nèi)目標能量 ：第一波段內(nèi)目標能量 ：坡度 （雙色測溫儀要調(diào)的是坡度而不是發(fā)射率）T BA ee EE log( ) log( )12 12 e e1 2/e1e2E2E1 如 何 利 用 雙 色 測 溫 ? 當 測 量 視 場 被 遮 擋 時 ， 或 物 體快 速 運 動 ,目 標 比 較 小 ,單 色 測

13、 溫儀 將 產(chǎn) 生 測 量 誤 差 雙 色 測 溫 的 原 理 : 通 過 計 算 探 測到 的 兩 個 波 長 上 的 能 量 的 比 值 ，可 以 消 除 這 種 誤 差 比 值 隨 目 標 溫 度 變 化 而 變 化 波長 ()1.0 2.0比值(E2/E1) T00.10.20.30.40.50.60.70.80.91相對輻射能量(E) 12 雙 色 與 單 色 測 量 比 較讀數(shù)誤差(%) 與能量衰減讀數(shù)誤差(%) 目標溫度(度)100-10-20-30-40-50 100-10-20-30-40-50500 1000 1500* 2000 2500 3000+ 0.75%- 0.7

14、5%單色: 50% 能量衰減單色: 80% 能量衰減單色: 90% 能量衰減單色: 95% 能量衰減雙色: 0% - 95% 能量衰減 雙 色 測 溫 儀 測 量 視 場 部 分 被 遮 擋 煙 霧 ， 水 汽 ， 灰 塵 不 潔 窗 口 目 標 比 較 小 ,小 于 測 量 紅 外 測 溫 儀 的 視 場 運 動 目 標 ,尤 其 是 快 速 運 動 的 物 體 目 標 發(fā) 射 率 低 或 變 化何 種 情 況 下 采 用 雙 色 測 量 煙塵雙 色 測 溫 儀 解 決 的 問 題不潔鏡頭不潔窗口部分視場被遮擋小于視場的目標 輸 出 選 擇 熱 偶 輸 出 電 流 輸 出 0 - 20 mA

15、 4 - 20 mA 電 壓 輸 出 0 - 5 伏 標 準 1 mV /度 RS232/RS485輸 出 儀 器 接 口 控 制 器 數(shù) 字 溫 度 表 大 屏 幕 顯 示 器 圖 形 記 錄 儀 監(jiān) 視 器 打 印 機 計 算 機 探 頭 附 件 當 環(huán) 境 很 惡 劣 時 ， 紅 外 探 頭 應(yīng) 進 行 保 護 高 溫 保 護 套 空 冷 和 水 冷 空 氣 吹 掃 套 瞄 準 管 及 窗 口 高 溫 電 纜 窗 口 使 探 頭 與 惡 劣 環(huán) 境 隔 離 測 量 波 長 要 能 透 過 窗 口 測 高 溫 時 用 硅 玻 璃 或 石 英 窗 口 AMTIR 窗 口 可 用 于 整 個 光 譜 范 圍