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1、ELECTRONICS QUALITY 25 2 0 0 7第 0 1期 测 试 技 术 卷 Test Technology 1 . 引言 温度是工业生产中很重要的一 个热工参数， 它直接影响到产品的 质量和性能。 传统的接触式测温仪 表如热电偶、 水银温度计等， 因要 与被测物质进行充分的热交换， 且 经过一定的时间后才能达到热平 衡， 存在着测温的延迟现象， 故在 连续生产质量检验中存在一定的使 用局限。 目前， 红外温度仪因具有 使用方便， 反应速度快， 灵敏度高， 测温范围广， 可实现在线非接触连 续测量等众多优点， 正在逐步地得 以推广应用。 2 . 红外测温仪测试的基本原理 红外测
2、温是辐射式测温的一 种， 是利用物体的热辐射现象来测 量物体温度的。 红外辐射的基本依 据是斯特藩玻耳兹曼、 普朗克等 人的黑体辐射定律 1 。 黑体是一种 理想物体， 它们在相同的温度下都 发出同样的电磁波谱， 而与黑体的 具体成分和形状等特性无关。 斯特 藩和玻耳兹曼通过实现和计算得出 黑体辐射定律: M 0( T ) = T 4 式中, M 0 ( T ) 温度为T 时， 单位时间从黑体单位面积上辐射出 的总辐射能， 称为总辐射度; 斯特藩玻耳兹曼常 量; T 物体温度。 上式是黑体的热辐射定律。 实 际物体( 非黑体) 的辐射定律一般 比较复杂， 需借助于黑体的辐射定 律来研究。 设被
3、测物体的温度为T 时， 总辐出度为M 等于黑体在温度 为T F时的总辐出度M0， 即M = M0， T 4 F= ?T 4化简得 。 其 中?为发射率， 不同物体的发射率 不同， 具体材料的? 值可通过查表 或实验得到， T 被测物体的辐射温 度， 所以已知被测物体的?和T F ， 就 可以算出物体的真实温度。 3 . 红外测温仪系统组成 红外测温采用逐点分析的方 式， 即把物体一个局部区域的热辐 射聚焦在单个探测器上， 并通过已 知物体的发射率， 将辐射功率转化 为温度。 由于被检测的对象、 测量范 围和使用场合不同， 红外测温仪的 外观设计和内部结构不尽相同， 但 基本结构大体相似， 主要
4、包括光学 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 2 ， 其基本结构如图3 - 1 所示。 辐射体发出的红外辐射， 进入 光学系统， 经调制器把红外辐射调 制成交变辐射， 由探测器转变成为 相应的电信号。 该信号经过放大器 和信号处理电路， 并按照仪器内的 算法和目标发射率校正后转变为被 测目标的温度值。 4 . 红外测温仪的测量误差分析 由于红外测温是非接触式的， 这样会存在着各种误差， 影响误差 的因素很多， 除了仪器本身的因素 外， 主要表现在以下几个方面。 红外测温仪的工作原理及应用 Principle and Application of Infra-Re
5、d Temperature Measurement 曾强， 舒芳誉， 李清华 ( 福建厦门卷烟厂 技术中心， 厦门 3 6 1 0 2 2 ) Zeng Q iang,Shu Fang- yu,Li Qing- hua (Research and Development Center, Fujian Xiamen Cigarette Factory,Xiamen 361022,China) 摘 要: 从黑体辐射原理出发分析了红外测温的工作原理， 从发射率、 距离系数、 环境等几 个方面， 探讨和分析了测温误差的原因， 介绍了红外测温的应用领域以及使用过程中应注 意的问题和一些使用经验。 关键词
6、: 红外; 温度测量; 测量误差 中图分类号: T N 9 8文献标识码: A文章编号: 1 0 0 3 - 0 1 0 7 ( 2 0 0 7 ) 0 1 - 0 0 2 5 - 0 2 Abstract:In this paper, the theory of infra- red temperature measurement was analyzed according to the principle of blackbody radiation. We discussed the main factors for measurement accuracy,such as refle
7、ctance, distance coefficient and environment.An improved method for the elimination of measurement errors and some experience were proposed. Key words:Infra- Red;Temperature measurement;Measurement error CLC num ber:TN98D oc um en t cod e:AArticle ID:1003- 0107(2007)01- 0025- 02 图3 - 1 红外测温仪结构简图 检 测
8、 与 制 作 T e s t a n d P r o d u c e 2 0 0 7第 0 1期 26 测 试 技 术 卷 Test Technology ELECTRONICS QUALITY 4 . 1 发射率 发射率除了与物体的材料形 状、 表面粗糙度、 凹凸度等有关， 还 与测试的方向有关。 若物体为光洁 表面时， 其方向性更为敏感。 不同 物质的辐射率是不同的， 红外测温 仪从物体上接收到辐射能量大小正 比于它的辐射率。 一般红外测温仪 内部都具有发射率设定功能， 只要 事先知道被测物体的发射率， 并在 测温仪上加以设定， 便可得到正确 的测量结果。 4 . 2 距离系数 距离系数(
9、 K = S : D ) 是测温仪 到目标的距离S 与测温目标直径D 的比值， 它对红外测温的精确度有 很大影响， K 值越大， 分辨率越高。 因此， 如果测温仪由于环境条件限 制必须安装在远离目标之处， 而又 要测量小的目标， 就应选择高光学 分辨率的测温仪， 以减小测量误 差。 在实际使用中， 许多人忽略了 测温仪的光学分辨率。 不管被测目 标点直径D 大小， 打开激光束对准 测量目标就测试。 实际上他们忽略 了该测温仪的S : D 值的要求， 这样 测出的温度会有一定的误差。 比如， 用测量距离与目标直径S : D = 8 : 1 的测温仪， 测量距离应满足表4 - 1 的要求。 4 .
10、 3 响应时间 响应时间表示红外测温仪对被 测温度变化的反应速度， 定义为到 达最后读数的9 5 % 能量所需要时 间， 它与光电探测器、 信号处理电 路及显示系统的时间常数有关。 如 果目标的运动速度很快或者测量快 速加热的目标时， 要选用快速响应 红外测温仪， 否则达不到足够的信 号响应， 会降低测量精度。 但并不 是所有应用都要求快速响应的红外 测温仪。 对于静止的或目标热过程 存在热惯性时， 测温仪的响应时间 就可以放宽要求了。 4 . 4 环境因素 使用红外测温仪测量温度时， 往往会受到测试环境的影响( 如温 度、 粉尘等) 。 在实际操作中， 可掌 握这一规律， 即当被测物体的发射
11、 率越高， 环境影响越小; 环境温度 越高， 环境的影响越大; 当被测物 体温度与环境温度相近时， 环境影 响所引起的误差最大。 另外， 当环 境存在灰尘、 烟雾和蒸汽时， 可选 用厂商提供的保护套、 水冷却、 空 气冷却系统、 空气吹扫器等附件， 这些附件可有效地解决环境影响并 保护测温仪， 实现准确测温。 5 . 红外测温仪的应用领域 近年来， 红外测温技术由于具 有响应速度快、 灵敏度高等特点， 其应用领域不断扩大， 已在食品加 工、 医疗等行业广泛地得到了应 用。 5 . 1 食品检验领域 冷冻食品发出的红外辐射经过 红外测温仪显示出温度。 如果温度 过高， 红外测温仪立即发现指令报
12、警， 或自动将温度调低， 以使食品 在运输或储存期间始终保持适宜的 低温。 5 . 2 医疗领域 红外测温可以对白血病、 雷诺 氏病及肿瘤作早期诊断， 特别是对 浅表性乳腺癌和皮肤癌的早期诊断 更有效。 另外， 用红外测温给小儿 和精神病患者测量体温省去了许多 麻烦。 6 . 几点使用经验 笔者在长期进行红外辐射测温 过程中总结了一些利于提高测量精 度的经验， 在此与读者共享: ( 1 ) 必须准确确定被测物体的 发射率; ( 2 ) 避免周围环境高温物体的 影响; ( 3 ) 对于透明材料， 环境温度 应低于被测物体温度; ( 4 ) 测温仪要垂直对准被测物 体表面， 在任何情况下， 角度都
13、不 能超过3 0 ; ( 5 ) 不能应用于光亮的或抛光 的金属表面的测温， 不能透过玻璃 进行测温; ( 6 ) 正确选择距离系数， 目标 直径必须充满视场; ( 7 ) 如果红外测温仪突然处于 环境温度差为2 0 或更高的情况 下， 测量数据将不准确， 需温度平 衡后再取其测量的温度值。 参考文献: 1 由富恩等. 辐射测温原理及检定 M . 北京: 中国计量出版社， 1 9 9 0 . 2 陈衡. 红外物理学 M . 北京: 国防 工业出版社， 1 9 8 5 . 表4 - 1 S 值应满足的要求 目标大小D ( m m )1 55 01 0 02 0 0 测量距离S ( m m ) 1 2 0 4 0 0 8 0 0 1 6 0 0 检 测 与 制 作 T e s t a n d P r o d u c e