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1、红外测温原理与选型,上海皇龙自动化工程有限公司021-5216028113482297687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,Rays,无线电波
2、,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,260C,20C,不同
3、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)表面几何形状(平面,凹面,凸面)
4、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,2.50.1,7.50.3,140.6,210.8,331.3,mm英寸,00,251,502,763,1305,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
5、,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）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
6、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）,透过率 %,1009080706050403020100,2 3 4 5 6 7
7、8 9 10 11 12 13 14,聚乙烯,1009080706050403020100,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
8、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
9、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),100-10-20-30-40-50,100-
10、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 mA4 - 20 mA电压输出0 - 5 伏标准1 mV /度RS232/RS485输出,仪器接口,控制器数字温度表大屏幕显示器图形记录仪监视器打印机计算机,探头附件,当环境很恶劣时，红外 探头应进行保护高温保护套空冷和水冷空气吹扫套瞄准管及窗口高温电缆,窗口,使探头与恶劣环境隔离测量波长要能透过窗口测高温时用硅玻璃或石英窗口AMTIR 窗口可用于整个光谱范围,
