红外测温工作原理PPT012

1、红外测温原理与选型红外测温原理与选型红外测温发展过程 1800年 赫胥尔发现红外线 1828年 msweeny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&northrup company) 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。可见光紫外光紫外光红外光红外光x-射线射线gammarays无线电波无线电波ehf shf uhf vhf hf

2、 mf lf vlf0.1a1a1ua100a0.11101001cm0.1cm10cm1m100m 1km10km 100km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123456 7 8 9 10 11 12 13 141500c 1000c542c 260c 20c 不同温度的不同温度的辐射辐射曲线永不会相交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随温度增加，辐射能量增大而峰

3、值波长减小波长与温度成反比波长与温度成反比红外能量（温度红外能量（温度/热像）热像）波长（微米）波长（微米）102101110-110-210-310-40物体发射率随发射率变化随发射率变化(非灰体非灰体)= 0.9 (灰体灰体)相对能量相对能量波长波长 (微米微米)= 1.0 (黑体黑体) 发射率发射率为物体的辐射度与和与该物体具有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“理想黑体理想黑体”“实际物体实际物体”既是完全吸收体既是完全吸收体也是完全发射体也是完全发射体部分能量被反射部分能量被反射

4、部分能量透过部分能量透过发射率发射率 =1=1发射率发射率 11iiiirateeee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探头到目标的距离测量斑直径大小测量斑直径大小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)(/25tcbbectmchcw mm1 237415 00

5、003102824( .)cch kkm24143879 000019 10/(.)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m tm t dt w m( )( )()402atm大气传输环境环境453sp1 470ems ?85大气传输部分波长可以 避开大气的吸收(高于海平线高于海平线0.3 公里公里)1.00.50.00.512358 1015 20波长波长 (微米微米)相对透过率相对透过率实际物体的测温示意图目标目标探头探头rte反射率反射率, , 透射率透射率, , 发射率发射率环境温度环境温度ii = 入射能量入射能量r = 反射能

6、量反射能量t = 透射能量透射能量e = 发射能量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最好 一般一般 差差探头探头目标大于测量视场目标大于测量视场目标等于测量视场目标等于测量视场目标小于测量视场目标小于测量视场需要精度还是重复性? 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 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

7、艺精度”精度精度重复性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 微米微米1.0微米微米使用尽可能短的测量波长% 误差误差目标温度目标温度(度度)发射率误差假定为 10%5.0微米微米3.9微米微米2.2微米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）波长（微米）透过率透过率 %10090807060504030201002 3 4 5 6 7 8

8、 9 10 11 12 13 14聚乙烯聚乙烯.03mm(1mil)0.13mm(5密耳密耳)1009080706050403020100透过率透过率 %波长（微米）波长（微米）火焰火焰2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14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玻璃的红外测量指导方针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 0.2 mm (10 mil)1.5 mm (60 mil)6 mm (240 mil)1.0.8.6

9、.4.2234568透过率透过率波长波长 (微米微米)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仪的选型参数 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/输出方式红外测温仪工作原理窗口和光学系统窗口和光学系统目标目标环境环境探测器探测器显示及输出显示及输出453sp1 470ems ?85红外测温仪由光学系统

10、、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）tbaeeeelo g()lo g()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

11、 比值随目标温度变化而变化波长波长 ( )1.02.0比值比值(e 2/e 1) t00.10.20.30.40.50.60.70.80.91相对辐射能量相对辐射能量(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%单色: 50% 能量衰减单色: 80% 能量衰减单色: 90% 能量衰减单色: 95% 能量衰减双色: 0% - 95% 能量衰减双色测温仪 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何种情况下采用双色测量烟尘烟尘双色测温仪解决的问题不洁镜头不洁镜头不洁窗口不洁窗口部分视场被遮挡部分视场被遮挡小于视场的目标小于视场的目标输出选择 热偶输出 电流输出 0 - 20 ma 4 - 20 ma 电压输