红外测温仪原理.ppt

红外测温原理 红外线辐射的简称 量子物理学知识告诉我们 自然界中任何物体每时每刻都在通过分子振动向外辐射能量 这种辐射能量是以 波 的形式出现的 波 的传播速度是一个常数 即30万公里 秒 而分子振动的频率却是各不相同的 红外 1 红外 根据 速度 频率 波长 可知 不同振动频率的分子发出的辐射波长是不一样的 可见光的辐射波长范围在0 36 0 72 m 紫光波长最短0 36 m 红光波长最长0 72 m 比紫光波长更短的辐射称为紫外线 如 光 射线等 比红光波长更长的辐射称为红外线 波长一般在0 70 000 m之间 1 红外 工业用红外测温仪的工作波长在0 65至14微米范围内 2 电磁波谱 电磁波谱 2 电磁波谱 2 电磁波谱 威廉 赫谢尔爵士于1800年发现红外线 绝对零度 273 以上的物体都辐射红外能量 2 电磁波谱 WilliamHerschel1738 1822 自然界中任何高于绝对零度 273 的物体都在随时随地的向外发出辐射能量 能够探测并接收物体发出的辐射能量从而测量出物体温度的仪器称之为红外测温仪 3 红外测温仪 红外测温仪 4 测温仪的构成 红外测温仪实际上是一种非接触式辐射能量探测器 世界上所有的物体都会产生红外线辐射 而辐射的能量则与该物体的温度成比例 非接触式温度测量即是测量物体辐射能量的强弱 并由此得到一个与该物体温度成比例的信号 测温仪的构成 4 测温仪的构成 目标 探测器 信号处理和显示 453 C SP1470 C EMS 85 大气窗口 滤波片和镜头 4 测温仪的构成 波长 microns微米 5 大气窗口 大气中的水蒸气 二氧化碳等对某些红外辐射波段不吸收或极少吸收 有利于能量进行传输从而能被红外测温仪探测到 这样的特殊红外波段即为所谓 大气窗口 红外波段的选取要考虑 大气窗口 的影响 大气窗口 6 普郎克定律 普郎克定律 普郎克通过量子理论推导出的波长 温度与黑体辐射能量的关系式 它定量的确定了不同温度的黑体在各个波段中的辐射能量的大小 是红外测温仪的理论基础 6 普郎克定律 RelativeEnergie MaxPlanck1858 1947 6 普郎克定律 普郎克定律给出了以下几点结论 物体的温度越高 其发出的辐射能量越大 这是单色 波段 测温仪的设计依据 在一定温度下 物体在不同波长处的辐射能量不同 存在一个辐射峰值波长 即在此波长处的物体辐射能量最大 随着物体温度升高 其辐射峰值波长向短波方向移动 移动规律遵守维恩位移定律 7 黑体 黑体 发射率与波长无关且都等于 的物体称为黑体 它是一个理想辐射体 表明它的自身能量可以全部向外界辐射出来 但自然界中并不存在这样的理想黑体 黑体炉即为人工制造的性能接近理想黑体的辐射标准源 用于定期对红外测温仪进行检测标定 7 黑体 黑体辐射的光谱特性 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短波处曲线坡度更大 能量对温度的变化更灵敏 8 发射率 发射率 在同一温度下 实际物体辐射能量与标准黑体的辐射能量的比值称为该实际物体的发射率 又称辐射率 黑度系数等 符号为 根据上述定义可知 黑体的发射率为 其他实际物体的发射率小于 说明任何一个实际物体都不能完全向外界辐射出来自身的全部能量 发射率值随波长变化 金属的短波发射率比长波发射率高 9 绝对温度T 绝对温度T T 273 开 K 即绝对温度 热力学温度 量值等于摄氏温度量值加273 单位为开 符号为K 摄氏温度0 273K 10 透射率 发射率 吸收率 透射率 透过物体的辐射能量与入射到该物体的辐射能量之比称为该物体的透射率 符号为 被物体表面反射回来的辐射能量与入射到该物体的辐射能量之比称为该物体的反射率 符号为r r 被物体内部吸收的辐射能量与入射到该物体的辐射能量之比称为该物体的吸收率 符号为a a 反射率 吸收率 10 透射率 发射率 吸收率 根据能量守恒原理 物体的入射能量等于被其透射 反射及吸收的能量之和 即有关系式 r a 再根据热平衡原理 物体在热平衡状态下 其内部吸收的能量等于同时其向外辐射的能量 即有关系式 a 将 代入 得到 r 对于一般非透明物体 透射率 代入 得到 r 对于非透明热平衡物体而言 其反射率与发射率之和等于 结论 实际应用当中 表面状况越光滑 看上去越明亮的不透明物体 其反射率较高 同时其发射率肯定较低 向外辐射能量较小 测量相对比较困难 反之 对那些表面状况越粗糙 看上去越灰暗的不透明物体 其反射率较低 同时其发射率肯定较高 向外辐射能量较大 测量相对比较容易 结论 11 红外测温技术的发展 红外测温技术的发展 探测器及电子技术的发展低温短波型低温快速响应型叠层双色型耐高环温型光学加工技术的发展特殊波长的选择扫瞄测温仪光纤技术的发展光纤瞄准型微处理器技术的发展高性价比产品 12 红外测温仪的主要参数 红外测温仪的主要参数 测温范围 响应波长距离系数 聚焦位置 发射率调节测量精度及重复性响应时间瞄准方式输出方式现场环境要求 13 波长的选择 波长的选择 在满足测温范围条件下 近可能选择短的波长选择能将目标的反射 透射能量降到最低的波长特殊物体 塑料薄膜 玻璃 火焰等 要采用特殊的波长 被测物体不透明的波长 根据现场的特殊环境选择 如观察窗口 当视场被部分遮挡时 应选择双色仪器 14 目标与视场 目标与视场 目标大于测量视场 目标等于测量视场 目标小于测量视场 目标应充满视场 通常1 5倍关系 15 影响发射率的主要因素 影响发射率的主要因素 材料种类表面粗糙度表面几何形状表面理化结构状态 如沉积物 氧化膜 油膜等 测量波长测量角度 目标方面 仪器方面 16 精度和重复性 精度与重复性 指相同条件下输出比较建立当地 基准 测量与基准的偏差工艺监控中实际起作用 工艺精度 精度 重复性 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 17 响应时间 响应时间 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通常响应时间可调为最佳选择 18 瞄准方式 瞄准方式 主要分以下几种 光学瞄准激光瞄准视频瞄准 单点激光瞄准多点激光瞄准交叉激光瞄准 激光瞄准中又分 特别要注意是同轴还是非同轴瞄准 19 输出选择 输出选择 热偶输出电流输出0 20mA4 20mA电压输出0 5V标准1mV CUSB RS232 RS485等数字接口输出PID或其它输出方式 20 使用红外测温仪的要点 使用红外测温仪的要点 测温范围 选择合适的测量波长目标距离及大小 注意光斑的计算方法目标材料及表面特性 发射率的设定现场环境条件 保护的选择数据的采集和记录 21 红外测温仪的主要特点 红外测温仪的主要特点 运动中需要快速测量的目标和高温目标难以接触需要远距离测量的目标所有采用接触测量时可能被损坏 有危险或将导致温度改变的目标 非接触测量速度快测量精度高 适合于测量 22 红外测温仪的主要用途 红外测温仪的主要用途 改善产品质量提高企业生产力高技术含量产品的研发减少产品生产废品率及售后维修诊断