红外测温工作原理.ppt

1、红外测温原理与选型,上海皇龙自动化工程有限公司13482297687 吕江明,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,红外光,X-射线,Gamma,

2、Rays,无线电波,EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF,0.1A,1A,1UA,100A,0.1,1,10,100,1cm,0.1cm,10cm,1m,100m,1km,10km,100km,波长,10m,30,20,15,10,8,6,4,3,2,1.5,1,0.8,0.6,0.4,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,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1500C,1000C,542C,

3、260C,20C,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）,0,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,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 1,I,I,I,I,R,A,T,E,E,E,E,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)

4、 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,2.5 0.1,7.5 0.3,14 0.6,21 0.8,33 1.3,mm 英寸,0 0,25 1,50 2,76 3,130 5,mm 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：,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,大气传输,环境,453,SP1 470,EMS ?85,大气传输,部分波长可以 避开大

5、气的吸收,波长 (微米),相对透过率,实际物体的测温示意图,目标,探头,R,T,E,反射率, 透射率, 发射率,环境温度,I,I= 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）

6、 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,10,8,6,4,2,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,8-14 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）

7、,透过率 %,100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14,聚乙烯,100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,透过率 %,波长（微米）,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,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,如何选择响应波长?,近可能选择短的波

8、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,453,SP1 470,EMS ?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

9、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）,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 (m),1.0,2.0,比值 (El2/El1) T,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,相

10、对辐射能量(E),l,l,1,2,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),10 0 -10 -20 -30 -40 -50,10 0 -10 -20 -30 -40 -50,500,1000,1500*,2000,2500,3000,+ 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,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 - 20 mA 4 - 20 mA 电压输出 0 - 5 伏 标准1 mV /