摘要：

測量溫度的方法有很多種，

溫度計大致可以分為接觸式測溫儀表和非接觸

式測溫儀表兩類。

其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計，

熱電偶式溫度計和

熱電阻式溫度計等等。

關(guān)鍵詞：紅外線

測溫

輻射

光纖

*，溫度是供熱，供燃?xì)?，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中zui重要的參數(shù)之一。尤其在

熱工測量過程中，

溫度的程度往往是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

因此，

一個

度高的測溫儀器在工程中是*的。

因此本文就溫度測量工具中的紅外線測

溫儀的原理及應(yīng)用進(jìn)行一些介紹。

一，紅外測溫的理論原理

在自然界中，

當(dāng)物體的溫度高于零度時，

由于它內(nèi)部熱運(yùn)動的存在，

就會不

斷的向四周輻射電磁波，

其中就包含了波段位于

0.75μm~100μm

的紅外線。

他zui

大的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長下，

物體發(fā)射的輻射能有一個zui大值，

這種物質(zhì)

稱為黑體，并設(shè)定他的反射系數(shù)為

1

，其他的物質(zhì)反射系數(shù)小于

1

，稱為灰體，

由于黑體的光譜輻射功率

P(

λ

Ｔ

)

與溫度

T

之間滿足普朗克定。說明在

溫度

T

下，波長

λ

處單位面積上黑體的輻射功率為

P(

λ

Ｔ

)

。根據(jù)這個關(guān)系可

以得到圖

1

的關(guān)系曲線，從圖中可以看出：

（

1)

隨著溫度的升高，

物體的輻射能量越強(qiáng)。

這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，

也是

單波段紅外測溫儀的設(shè)計依據(jù)。

（

2)

隨著溫度升高，

輻射峰值向短波方向移動

（向左

)

，

并且滿足維恩位移定理

，

峰值處的波長

與溫度

T

成反比，

虛線為

處峰值連線。

這個公式告訴我們?yōu)?/p>

什么高溫測溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。

（

3)

輻射能量隨溫度的變化率，

短波處比長波處大，

即短波處工作的測溫儀相對

信噪比高（靈敏度高），抗干擾性強(qiáng)，測溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長處，特

別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

二，紅外線測溫儀的原理

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。

被測物體和反饋源的輻射線經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測器。

兩信

號的差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度，

使反饋源的光譜輻射亮度和物體

的光譜輻射亮度一樣。顯示器指出被測物體的亮度溫度

三，紅外線測溫儀的性能指標(biāo)及作用

測溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性，相對濕度，響應(yīng)時

間，電源

響應(yīng)光譜，尺寸，zui大值顯示，重量，發(fā)射率等

1

，確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀zui重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的測溫

儀都有自己特定的測溫范圍。

因此，

用戶的被測溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、

周全，

既不要過窄，

也不要過寬。

根據(jù)黑體輻射定律，

在光譜的短波段由溫度引起的輻

射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。

2

，

確定目標(biāo)尺寸

:

紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀

（輻射比

色測溫儀）

。

對于單色測溫儀，

在進(jìn)行測溫時，

被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。

建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的

50%

為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射

能量就會進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，

造成誤差。

相反，

如果目標(biāo)大于

測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。對于雙色測溫儀，

其溫度是由兩個獨(dú)立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很

小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都

不對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。

對于細(xì)小而又處于運(yùn)動或震動之中的目標(biāo)，

雙色測

溫儀是*選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通

道上傳輸光輻射能量。

3

，確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由

D

：

S

之比確定，即測溫儀探頭到

目標(biāo)之間的距離

D

與被測目標(biāo)直徑之比。

如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝

在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，

而又要測量小的目標(biāo)，

就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。

光學(xué)

分辨率越高，即增大

D

：

S

比值，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，

而目標(biāo)又小，

就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測溫儀。

對于固定焦距的測溫儀，

在光學(xué)系

統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑zui小位置，

近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會增大。

存在兩個距離系

數(shù)。

4

，

確定波長范圍

：

目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應(yīng)波長對

于高反射率合金材料，

有低的或變化的發(fā)射率。

在高溫區(qū)，

測量金屬材料的*

波長是近紅外，

可選用

0.8

～

1.0

μ

m

。

其他溫區(qū)可選用

1.6

μ

m,2.2

μ

m

和

3.9

μ

m

。

由于有些材料在一定波長上是透明的，

紅外能量會穿透這些材料，

對這種材料應(yīng)

選擇特殊的波長。

5

，確定響應(yīng)時間：響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義

為到達(dá)zui后讀數(shù)的

95%

能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示

系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。

如果目標(biāo)的運(yùn)動速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時，

要選

用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量精度。然而，

并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。

對于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱

慣性時，測溫儀的響應(yīng)時間就可以放寬要求了。

6

，信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，所以要求紅

外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如

測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內(nèi)。

否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。

若用峰值保持，

設(shè)置測溫儀響應(yīng)時間

稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。

7

，環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并

適當(dāng)解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧

和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃

器等附件。

這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測溫儀，

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。

在確

定附件時，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。

8

，紅外輻射測溫儀的標(biāo)定：紅外測溫儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被

測目標(biāo)的溫度。

如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，

則需退回廠家或維修

中心重新標(biāo)定。

四，影響紅外測溫儀的主要因素

1

、測溫目標(biāo)大小與測溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測的目標(biāo)的有效直徑

D

是不同的，

因而在測量小目標(biāo)時要注意目標(biāo)距離。

紅外測溫儀距離系數(shù)

K

的定義

為：被測目標(biāo)的距離

L

與被測目標(biāo)的直徑

D

之比，即

K=L/D  

2

、選擇被測物質(zhì)發(fā)射率：紅外測溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率

ε

=1.00

）分度

的，而實(shí)際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于

1.00

。因此，在需要測量目標(biāo)的真實(shí)溫度

時，須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從《輻射測溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)》中

查得。

3

、強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測量：若被測目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽光或強(qiáng)燈

直射）

，

則測量的準(zhǔn)確性將受到影響，

因此可用物遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背

景光干擾。

4

、小目標(biāo)的測量

⑴ 應(yīng)將測溫儀固定在三角架（可選附件）上

⑵ 需要調(diào)焦，即：用目鏡中小黑點(diǎn)對準(zhǔn)目標(biāo)（目標(biāo)應(yīng)充滿小黑點(diǎn)），將鏡

頭前后調(diào)整，

眼睛稍微晃動，

如果被測小黑圓點(diǎn)之間沒有相對運(yùn)動，

則調(diào)焦就已

完成

5.

溫度輸出功能

（

1

）數(shù)字信號輸出——

RS232

、

RS485

，溫度信號遠(yuǎn)傳

（

2

）模擬信號輸出——

0

～

5V

，

1

～

5V

，

0

～

10V

，

0/4

～

20

毫安，可以加入閉環(huán)

控制中。

（

3

）高報警、低報警─生產(chǎn)過程中要求控制溫度在某個范圍里

,

可設(shè)置高

,

低報

警值。高報警：在高報警設(shè)置打開的情況下，當(dāng)溫度高于高報警值，相應(yīng)的

LED

燈閃爍，蜂鳴器響，并有

AH

常開繼電器接通。

五，紅外測溫儀的特點(diǎn)

1.

非接觸測量：

它不需要接觸到被測溫度場的內(nèi)部或表面，

因此，

不會干擾被測

溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也

不受溫度場的損傷。

2.

測量范圍廣：

因其是非接觸測溫，

所以測溫儀并不處在較高或較低的溫度場中，

而是工作在正常的溫度或測溫儀允許的條件下。

一般情況下可測量負(fù)幾十度到三

千

多度。

3.

測溫速度快：即響應(yīng)時問快。只要接收到目標(biāo)的紅

外輻射即可在短時間內(nèi)定溫。

4.

準(zhǔn)確度高：

紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布，

因此測量

精度高。

5.

靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測出?？?/p>

進(jìn)行微小溫度場的溫度測量和

6.

溫度分布測量，

以及運(yùn)動物體或轉(zhuǎn)動物體的溫度測量。

使用安全及使用壽命長。

六，紅外線測溫儀的缺點(diǎn)

1.

易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）

2.

對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數(shù)影響較大

3.

只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙物時的溫度

七，紅外測溫儀的使用注意事項(xiàng)

（

1

）必須準(zhǔn)確確定被測物體的發(fā)射率

; 

（

2

）避免周圍環(huán)境高溫物體的影響

; 

(3

）對于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測物體溫度

; 

(4

）測溫儀要垂直對準(zhǔn)被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過

30℃

(5

）不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進(jìn)行測溫

; 

(6

）正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場

; 

(7

）如果紅外測溫儀突然處于環(huán)境溫度差為

20℃ 或更高的情況下，測量數(shù)據(jù)將

不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。

. 

八，改進(jìn)方案

由于普通紅外測溫儀只限于測量物體外部溫度，

不方便測量物體內(nèi)部和存在障礙

物時的溫度，

所以可以在其檢測頭部加一段光導(dǎo)纖維，

并在其前端裝一個小視角

的透鏡，

這樣被測物體的輻射能經(jīng)過透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。

在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過

多次反射傳至檢測器。

因?yàn)楣饫w可以自由彎曲，

使輻射能自由轉(zhuǎn)向，

這就解決了

物體內(nèi)部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。

例如，

在塑料擠壓機(jī)內(nèi)測量塑料溫度，

渦輪機(jī)內(nèi)通過靜葉片的空隙來測量動葉片

的zui高溫度和平均溫度，并可以帶有多個探頭進(jìn)行循環(huán)檢測。

1

，光纖紅外測溫的原理