一、红外测温仪工作原理
1.辐射温度计的基础知识及特点
温度高于绝对零度的一切物体都在不停地向周围空间发出热辐射能量。热辐射温度计是以物体的辐射强度与温度成一定的函数关系为基础的。利用这种原理制成的各种型式的辐射温度计,测温是只需把辐射温度计的探测器对准被测物体,体可测出被测物体的温度。这种测温方法称为非接触式测温,也称为辐射测温法。
辐射温度计经过一百多年的发展,在工业生产、科学研究、国防事业中起到了极大的推进作用,它的主要优点有:
①辐射温度计的探测器所接收的是辐射能量,因此,探测元件本身不需要达到被测温度,故理论上讲,测温上限是没有限制的,可以测量相当高的温度;
②辐射温度计不会破坏被测物体的温场和热平衡,有较高的准确度
③动态响应好、滞后时间短,易于快速测量和动态测量。
它的主要缺点有:
①受被测对象的发射率影响,几乎不可能测到被测对象的真实温度,其测量值需要进行材料发射率的修正,然而,发射率是相当复杂的参数,因此,测温数据处理难度很大;
②辐射温度计为非接触式测温,受环境的影响很大,如烟雾、灰尘、水蒸汽、二氧化碳等。
2.辐射温度计的分类与比较
根据物体的表观温度(包括亮度温度、辐射温度及比色温度),可以把辐射温度计分为三种:亮度温度计(也称单波段温度计)、全辐射温度计、比色温度计。
亮度温度计:亮度法是辐射测量中最重要的方法,该方法历史最长,测温灵敏度高;亮度温度与真实温度偏差小,发射率误差影响也小;引入有效波长概念后,在理论上十分严格。主要应用于计量基准和标准的传递、工业生产。
全辐射温度计:结构简单、价格便宜、使用方便,可以连续测量、记录和实现自动控制,因而广泛应用于工业生产中。但由于波段比较宽,不可避免的受到水蒸汽、烟雾、二氧化碳等中间介质吸收的影响,在测量高温时有一定的优势。
比色温度计:受发射率率变化影响小,适合于低发射率物体的测温。为了进一步减少发射率的影响,发展了三色甚至多波段测温仪,在一定条件下可以得到物体的真实温度,但是目前只在研究使用阶段。
综上所述,亮度温度与真实温度偏差小,在当前及以后一个相当长的时间内,亮度法测温仍将在工业生产和温标传递中起主导作用;比色温度计受发射率变化影响小,适合于低发射率物体的测温,尤其适合于测量“灰”体的真实温度;全辐射温度
3.辐射温度计的组成与测温原理
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日标红外辐射能量,红外能量聚焦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。普朗克定律、斯藩一玻耳兹曼定律以及维恩位移定律是红外测温仪的理论基础,具体的测温示意图如图1所示:
二、红外测温仪校准的发展趋势
1.红外辐射测温仪的校准目前主要采用黑体辐射源,因此,黑体的性能指标直接影响着校准结果。当前,校准结果仍然采用比较法(详见本文第二章节),在没有新的方法出现前,仍将沿用。ITS-90国际温标定义了14个固定点温度,范围涉及-.℃~.62℃,为了弥补上限的不足,很多国家正在研究共晶温度点,大约有16个,温度范围为℃~℃,以固定点设计的黑体称为固定点黑体。固定点黑体的发展将会逐渐成为辐射温度传递的最高标准。黑体技术的发展和黑体的稳定性、重复性的提高有可能成为红外测温仪的传递标准。
2.随着光电探测器和电子器件的发展,使得标准红外测温仪的工作波长开始拓宽,体积越来越小,操作也越来越方便,稳定性和重复性也不断提高。与黑体相比具有体积小、携带方便的特点;更为重要的是,随着现代电子技术和单片机技术通过数值修正的方法,可以方便的解决偏差问题。因此,标准红外测温仪在温度传递中的作用越来越大,仍然将作为标准之一。