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1、红外测温原理与选型红外测温原理与选型上海皇龙自动化工程有限公司上海皇龙自动化工程有限公司021-5216028113482297687吕江明吕江明1 1红外测温发展过程n n18001800年年 赫胥尔发现红外线赫胥尔发现红外线n n18281828年年 MM SweenySweeny第一个辐射温度第一个辐射温度计计n n1919世纪末世纪末 消隐光学高温计消隐光学高温计n n19011901年年 全辐射测温仪专利全辐射测温仪专利(Fery)(Fery)n n19311931年年 商用全辐射测温仪问世商用全辐射测温仪问世 (Leeds&Northrup company)(Leeds&North
2、rup company)n n6060年代后年代后 迅猛发展迅猛发展n n近二十年近二十年 双色、光纤、扫描等双色、光纤、扫描等2 2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、伽玛射线和线和X X光。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 MF LF VLF0.1A1A1UA100A0.11101001cm
3、0.1cm10cm1m100m 1km10km 100km波长10m30201510864321.510.80.60.4波长(um)常用红外光谱范围3 3 红外测温技术的基础绝对零度绝对零度(-273(-273)以上的物体都辐射红外能量以上的物体都辐射红外能量4 4红外测温的几个重要概念n n波长n n发射率n n距离系数5 5温度与辐射能量的关系黑体辐射光谱黑体辐射光谱曲线曲线的特性的特性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
4、加，辐射能量增大而峰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）102101110-110-210-310-406 6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7 7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
5、射部分能量被反射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 11IIIIRATEEEE8 8影响发射率的主要因素n n材料种类材料种类n n表面状况表面状况(抛光抛光,粗糙粗糙,氧氧化化,喷砂喷砂)n n表面几何形状表面几何形状(平面平面,凹凹面面,凸面凸面)n n表面理化结构状态（如表面理化结构状态（如沉积物，氧化膜，油膜沉积物，氧化膜，油膜等等）n n透过率透过率(例如例如塑料薄膜塑料薄膜)n n测量温度测量温度n n测量角度测量角度9 9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002
6、515027631305mm英寸测斑直径测量距离=D:S1010黑体辐射定率n n普朗克定律：式中：式中：第一辐射常数：第一辐射常数：第二辐射常数：第二辐射常数：1111黑体辐射定律n n斯藩-玻耳兹曼定率：n n维恩位移定率：A=2897.3 从此可看出波长与温度成反比1212大气传输环境环境453SP1 470EMS?851313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1414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
7、环境温度II=入射能量入射能量R=反射能量反射能量T=透射能量透射能量E=发射能量发射能量1515背景能量的影响当背景温度高于目当背景温度高于目标温度时应进行背标温度时应进行背景温度补偿景温度补偿(T-(T-Ambient)Ambient)背景温度目标1616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1717n n与与“真实值真实值”比较比较 n n当测量位置不同或使用不同仪器测同一物当测
8、量位置不同或使用不同仪器测同一物体时，精度非常重要体时，精度非常重要 n n指相同条件下输出比较指相同条件下输出比较(距离、发射率、距离、发射率、精度）精度）n n建立当地建立当地“基准基准”，测量与基准的偏差，测量与基准的偏差n n工艺监控中实际起作用，工艺监控中实际起作用，“工艺精度工艺精度”需要精度还是重复性?精度精度重复性重复性1818响应速度分析 n n对于运动的目标和快对于运动的目标和快速加热的目标响应速速加热的目标响应速度快是必需的度快是必需的n n当温度变化缓慢时，当温度变化缓慢时，响应速度快通常是不响应速度快通常是不必要的必要的1919发射率设定误差造成的测量温度误差1086
9、420500100015002000250030008-14 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2020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 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
10、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2121指导方针指导方针指导方针指导方针n n测玻璃后面物体温度测玻璃后面物体温度用用 1-31-3微米微米n n测玻璃表面温度测玻璃表面温度250250以上用以上用 5 5 微米微米n n测低温时用测低温时用 8-14 8-14 微微米米 玻璃的红外测量0.2 mm(10 Mil)1.5 mm(60 Mil)6 mm(240 Mil)1.0.8.6.4.2234568透过率透过率波长波长(微米微米)22
11、22如何选择响应波长?n n近可能选择短的波长近可能选择短的波长n n选择将反射，透射能量降到最低的波长选择将反射，透射能量降到最低的波长n n特殊物体（塑料薄膜，玻璃，火焰等）采特殊物体（塑料薄膜，玻璃，火焰等）采 用特殊波长用特殊波长(被测物体不透明的波长）被测物体不透明的波长）n n根据现场环境的问题（如观察窗口）根据现场环境的问题（如观察窗口）n n当视场被部分遮挡时，应选择双色仪器当视场被部分遮挡时，应选择双色仪器2323n n测温范围/响应波长n n距离系数（测量距离与目标大小）n n发射率设定n n测量精度/重复性n n响应时间n n瞄准方式（激光、透镜、视频、目视、瞄准灯/镜）
12、n n现场环境要求/输出方式测温仪的选型参数2424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、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。2525双色测温仪n n理论公式：T T：目标温度：目标温度A A，B B：常数：常数 ：第一波段内发射率：第一波段内发射率 ：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 ：第一波段内目
13、标能量：第一波段内目标能量 ：坡度：坡度 （双色测温仪要调的是坡度而不是发射（双色测温仪要调的是坡度而不是发射率）率）2626如何利用双色测温?n n当测量视场被遮挡时，或物体当测量视场被遮挡时，或物体快速运动快速运动,目标比较小目标比较小,单色测温单色测温仪将产生测量误差仪将产生测量误差n n双色测温的原理双色测温的原理:通过计算探测通过计算探测到的两个波长上的能量的比值，到的两个波长上的能量的比值，可以消除这种误差可以消除这种误差n n比值随目标温度变化而变化比值随目标温度变化而变化波长波长(m m)1.02.0比值比值(El l2/El l1)T00.10.20.30.40.50.60.
14、70.80.91相对辐射能量相对辐射能量(E)l ll l122727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%能量衰减从右图可见从右图可见,双色测双色测量的误差很小量的误差很小,几乎几乎不变化。而且双色只不变化。而且双色只需要吸收物体需要吸收物体5%5%的的能量就可以测量到。能量就可以测量到。不象单色红外测温仪不象单色红外测温
15、仪需要吸收到物体需要吸收到物体95%95%的能量才能测量准确。的能量才能测量准确。2828双色测温仪n n测量视场部分被遮挡n n烟雾，水汽，灰尘烟雾，水汽，灰尘 n n不洁窗口不洁窗口n n目标比较小,小于测量红外测温仪的视场n n运动目标,尤其是快速运动的物体n n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2929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3030输出选择n n热偶输出热偶输出n n电流输出电流输出n n0-20 mA0-20 mAn n4-20 mA4-20 mAn n电压输出电
16、压输出n n0-5 0-5 伏伏n n标准标准1 mV/1 mV/度度n nRS232/RS485RS232/RS485输出输出3131仪器接口n n控制器控制器n n数字温度表数字温度表n n大屏幕显示器大屏幕显示器n n图形记录仪图形记录仪n n监视器监视器n n打印机打印机n n计算机计算机3232探头附件n n当环境很恶劣时，红外当环境很恶劣时，红外 探头应进行保护探头应进行保护n n高温保护套高温保护套n n空冷和水冷空冷和水冷n n空气吹扫套空气吹扫套n n瞄准管及窗口瞄准管及窗口n n高温电缆高温电缆3333窗口n n使探头与恶劣环境隔离n n测量波长要能透过窗口n n测高温时用硅玻璃或石英窗口n nAMTIR 窗口可用于整个光谱范围3434