红外测温原理及误差分析

文章编号 100022472 2004 0520110203 红外测温原理及误差分析 晏 敏1 彭楚武2 颜永红1 曾 云1 曾健平1 1 湖南大学 应用物理系 湖南 长沙 410082 2 湖南大学 电气与信息工程学院 湖南 长沙 410082 摘 要 从黑体辐射原理出发分析了红外测温的工作原理 推导了它的数学模型 描述 了物体的辐射功率与波长 温度之间的关系 即红外测温必须根据实际测温范围 选择不同 的工作波长 通过具体应用电路的实验数据 从环境 反射率 距离系数等几个方面 探讨和 分析了测量精度的原因 得出了环境温度与被测目标温度之间的相互关系 验证了环境温度 是红外测温产生误差的主要因素 并为消除测量误差提出了改进方法 关键词 黑体辐射 红外测温 环境 反射率 距离系数 中图分类号 TN98 文献标识码 A Principle and Error Analysis of Infra2Red Temperature Measurement YAN Min1 PENG Chu2wu2 YAN Yong2hong1 ZENG Yun1 ZENGJian2ping1 1 Dept of Applied Physics Hunan Univ Changsha 410082 China 2 College of Electrical and Information Engineering Hunan Univ Changsha 410082 China Abstract In this paper the theory and mathematic model of infrared temperature measurement was established ac2 cording to the principle of blackbody radiation This paper described the relationship between power wavelength and temperature of the object that is the infrared temperature measurement must match the different work wavelengths in response to the temperature We analyzed the main factors for measurement accuracy such as environment reflectance and distance coefficient Then we obtained the interrelationship between the ambient temperature and object temperature from an application circuit and its experiment data We also proved that the main reason for infrared temperature mea2 surement errors was ambient temperature And finally an improved method for the elimination of measurement errors was proposed K ey words blackbody radiation infrared temperature measurement environment reflectance distance coefficient 在自然界中 当物体的温度高于绝对零度时 由 于它内部热运动的存在 就会不断地向四周辐射电磁 波 其中就包含了波段位于0 75 100 m的红外线 红外测温仪正是利用这一原理制作而成的 因其具有 非接触的特性 在对有一些距离 运动的和有危险性 的物体进行温度测量时 具有安全 快速 可靠 方便 等优势 对它进一步的研究 无论是在军事上 还是在 其它国民经济领域里 均具有非常重要意义 1 2 1 红外测温原理及其构成 当处于某一背景的被测物体辐射的能量通过大 气媒介传输到红外测温仪上时 它内部的光学系统 将目标辐射的能量会聚到探测器 传感器 并转换 成电信号 再通过放大电路 补偿电路及线性处理 后 在显示终端显示被测物体的温度 它的构成如图 收稿日期 2003210222 基金项目 湖南省重点科技攻关资助项目 20020523 作者简介 晏 敏 1963 男 湖南长沙人 湖南大学讲师 E2mail yanmin6378 第31卷 第5期 2 0 0 4年1 0月 湖南 大 学学报 自 然 科 学 版 Journal of Hunan University Natural Sciences Vol 31 No 5 Oct12 0 0 4 1所示 由光学系统探测器 信号处理电路及显示终 端等组成 核心是红外探测器 它把入射辐射能变换 成可测量的电信号 根据探测器的特性可分为热探 测器和光探测器两类 图1 红外测温系统结构 Fig 1 The systemof the infra2red temperature measurement 在给定的温度和波长下 物体发射的辐射能有 一个最大值 这种物质称为黑体 并设定它的反射系 数为1 其它的物质反射系数小于1 称为灰体 由于 黑体的光谱辐射功率Pb T 与绝对温度T之间满 足普朗克定理 325 Pb T c1 5 ec2 T 1 1 其中Pb T 为黑体的辐射出射度 为波长 T为 绝对温度 C1 C2为辐射常数 它说明在绝对温度 T下 波长 处单位面积上黑体的辐射功率为Pb T 根据这个关系可以得到图2的关系曲线 可知 图2 黑体辐射的光谱分析 Fig 2 spectral analysis of the blackbody 随着温度升高 物体的辐射能量越强 辐射峰值向短 波方向移动 向左 并满足维恩位移定理T m 2 897 8 m K 虚线为峰值处波长 m的连线 红外测温必须根据波长划分测温范围 高温在短波 处 低温在长波处 且它的灵敏度高 曲线陡峭 抗 干扰性强 根据斯特藩 2 玻耳兹曼定理 3 黑体的辐出度 黑体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射 功率 P b T 与温度T的4次方成正比 即 Pb T T4 2 式中 为斯特藩常数 T为热力学温度 黑体辐射机 理正是红外测温技术的理论基础 如果在条件相同 情况下 物体辐射的功率总是小于黑体的功率 即物 体的单色辐出度P T 小于黑体的单色辐出度 Pb T 将它们之比称为物体的单色黑度 即 实际物体接近黑体的程度 P T Pb T 3 考虑到物体的单色黑度 是不随波长变化的常 数 即 它是随不同物质而值不同 即使是 同一种物质因其结构不同值也不同 只有黑体 1 而一般灰体0 1 由 2 可得 P T Pb T P T T4 所测物体的温度 T 4 P T 4 式 4 正是物体的热辐射测温的数学描述 2 红外测温的误差分析 由于红外测温是非接触式的 这样会存在着各 种误差 影响误差的因素很多 除了仪器本身的因素 外 主要在以下几个方面 211 发射率 即辐射系数 发射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的 物理量 它除了与物体的材料形状 表面粗糙度 凹 凸度等有关 还与测试的方向有关 若物体为光洁表 面时 其方向性更为敏感 不同物质的辐射率是不同 的 红外测温仪从物体上接收到的辐射能量大小正 比于它的辐射率 根据基尔霍夫定理 3 物体表面的半球单色发 射率 等于它的半球单色吸收率 在热 平衡条件下 物体辐射功率等于它的吸收功率 即吸 收率 反射率 透射率 总和为1 即 1 对于不透明的 或具有一定厚度 的物体 透射率可视 0 只有辐射和反射 1 212 距离系数 距离系数K对红外测温的精确度有很大的影 响 距离系数 K S D 就是测温仪到目标的距 离S与测温目标直径D的比值 K越大 分辨率 越高 213 环境因素 被测物体所处的环境对测量的结果有很大的影 响 当设被测目标的温度为T1 环境温度为T2时 该目标单位面积表面发射的辐射能为A T41 而相 应地被它所吸收辐射能为A T42 则该物体发出的 净辐射能Q为 3 4 111第5期晏 敏等 红外测温原理及误差分析 Q A T41 A T42 5 式中A为单位面积 为物体的辐射率 为它的吸 收率 设被测物体的 和 两者相等 由 5 可得 Q A T 4 1 T42 6 表1提供了感受波长在 9 12 m 的测温仪在 环境温度为270 K至330 K范围 对从300 K至 1 000 K目标温度进行测量时产生的能量误差 6 表1 能量误差随目标温度及环境温度的变化关系 Tab 1 The varying relationship of the energy error according to the object temperature and the ambient temperature 目标温度T1 K 环境温度T2 K 270280290300310320330 30020 3723 5026 7430 0033 2336 4539 59 4007 298 6310 0911 6513 2815 0016 77 5003 644 355 125 966 867 828 83 6002 232 663 153 684 254 865 52 7001 531 842 172 542 943 373 84 8001 141 371 621 902 202 532 88 9000 931 121 331 551 802 072 35 1 0000 750 901 071 251 451 661 90 3 应用电路 图3是利用热释电红外传感器制成的红外测温 仪的改进电路 AK是传感器单元中的温度补偿电 路 信号经过C1耦合到放大器A1 它的输出端信号 经过有源滤波器滤掉不要的成份 补偿电路采用2 mV 的硅二极管 补偿信号经A4放大后加到放 大器A3输入端与信号相加后输出 在200 时输出 为4 V 放大器输出为3 V 温度补偿器输出为1 V 图3 200 热释电红外测温电路 Fig 3 200 pyroelectricity infra2red temperature measurement circuit 4 结束语 实验结果表明 在实际测量工作中 周围环境温 度越高 产生附加辐射影响较大 误差也越大 被测 物体本身温度越高 测量精度越高 不同感受波长的 测温仪只适于测量相应温度的物体 才会减少在实 际工作中的误差 参考文献 1 杨立 红外热像仪测温计算与误差分析 J 红外技术 1999 21 4