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紅外測溫儀的原理及其測溫儀應用
點擊次數：3622 發布時間：2015-2-8
紅外測溫儀的工作原理及其應用
摘要：紅外測溫的物理基礎是黑體輻射定律。具有非接觸測溫、測量結果迅速、準確的特
點，同時在使用中也存在一些注意的問題。目前已在很多領域都有不同的應用。 關鍵字：紅外；輻射；測溫儀
1. 概述
1800年，英國物理學家F．W．赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，發現了紅外線。當時他稱之為“不可見之光”。之后，人們花了一百多年的時間認識紅外輻射的電磁本質，并建立了熱輻射的基本規律，為紅外技術的應用奠定了理論基礎。隨著光學技術、半導體技術、電子技術的不斷發展，紅外技術也日趨完善，其中紅外測溫技術也形成了完整的理論并成功地應用于醫學、工農業、礦業等領域。
2. 紅外測溫理論基礎
（1） 紅外輻射（紅外線、紅外光）
紅外線是電磁波譜中，波長0.76μm~1000μm范圍的電磁輻射，位于紅外光與無線電波之間。與可見光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同時具有粒子性。對人的眼睛不敏感，要用對紅外敏感的探測器才能接收到。紅外輻射的本質是熱輻射。熱輻射包括紫外光、可見光輻射，但是在0.76μm~40μm紅外輻射熱效應zui大。
自然界中一切溫度高于零度的有生命和無生命的物體，時時刻刻都在不停地輻射紅外線。輻射的量主要由物體的溫度和材料本身的性質決定；特別熱輻射的強度及光譜成份取決于輻射體的溫度。
（2） 黑體輻射規律
黑體紅外輻射的基本規律揭示的是黑體發射的紅外熱輻射隨溫度及波長的定量關系。黑體是一種理想物體，它們在相同的溫度下都發出同樣的電磁波譜，而與黑體的具體成分和形狀等特性無關。斯特藩和玻耳茲曼通過實驗和計算得出黑體輻射定律：
40)(TTMs=
式中：)(0TM—— 溫度為T時，單位時間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻出度；s一—斯特藩玻耳茲曼常量；T一—物體溫度。
上式是黑體的熱輻射定律。實際物體(非黑體)的輻射定律一般比較復雜，需借助于黑體的輻射定律來研究。
設被測物體的溫度為T時，總輻出度為M 等于黑體在溫度為FT時的總輻出度Mo，即：
44
0,TTMMF
ess==
化簡得
4
1
e
FTT=
其中e為發射率，不同物體的發射率不同，具體材料的e值可通過查表或實驗得到，T為被測物體的輻射溫度，所以已知被測物體的e和FT，就可算出物體的真實溫度。
3. 紅外測溫系統
紅外測溫系統由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。它的工作流程如下圖所示。被測物體輻射的紅外線首先進入測溫儀的光學系統， 光學系統的任務是匯聚射人的紅外線， 使能量更加集中； 聚集后的紅外線輸入到光電探測器中，探測器的關鍵部件是紅外線傳感器， 它的任務是把光信號轉化為電信號； 從光電探測器輸出的電信號被送進信號放大器由電子線路進行處理， 將電信號還原成溫度值； zui后由顯示器給出被測物體的溫度。
紅外測溫的方式可分為全場分析和逐點分析兩種。全場分析的方是用紅外成像鏡頭把物體的溫度分布圖象成像在傳感器陣列上，從而獲得物體空間溫度場的全場分布，全場分布探測系統稱為熱成像儀。逐點分析則是把物體一個局部區域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發射率，將輻射功率轉化為溫度，逐點分析系統常稱為紅外測溫儀。
由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設計和內部結構不盡相同，但基本結構大體相似，主要包括紅外光學系統、紅外探測器、電信號處理系統等部分。如圖2所示，其中光學系統聚焦目標物體的輻射能量。
紅外測溫儀的發展方向是實現小型化和微型化。近年來，衍射型光學聚焦鏡、薄膜型紅外探測器、共振型壓電調制器制成的紅外測溫系統，只有一個大功率晶體管那么大，*實現了微型化的目標。在今年的甲流暴發時期，手持紅外測溫儀用來進行人體體溫測量，不
被測物體 光學系統
光電探測器
信號放大器
信號處理器
顯示輸出
接觸人體，也不造成任何傷害，發揮了重要作用。
4. 紅外測溫儀的優點
由于紅外測溫是利用被測物體輻射的紅外線來確定其溫度的， 所以這種測溫方法具有其他測溫方法*的優點。主要有：
( 1 ) 紅外測溫是非接觸測量。因此它可以用于溫度過高或過低、高電壓的區域以及高速運
轉的機械溫度的測量， 而測量者不必靠近這些危險的環境。
( 2 ) 紅外測溫反應速度快。因為它不像通常溫度計那樣，要等待溫度計內測溫物質與被測
物體達到熱平衡， 而只要接收到被測物體的紅外線即可。反應時間一般在毫秒級至微秒級。
( 3 ) 紅外測溫靈敏度高。根據40)(
TTMs=，物體輻射能量跟溫度4 次方成正比， 所以只要溫度有微小的變化， 輻射能量就會有明顯的變化。
（4）紅外測溫度高。由于是非接觸測量，這樣測量過程不會改變被測物體的溫度，所以測量結果真實可靠。
（5）紅外測溫范圍大。紅外測溫的原理決定了其測溫范圍大于通常的溫度計。現在實用的
紅外測溫儀一般分為高、中、低三類，測溫范圍分別為：700℃以上、100℃~~700℃、100℃以下。
5.
紅外線測溫儀缺點及注意事項
(1)缺點：
①易受環境因素影響(環境溫度，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影響較大。
③只限于測量物體外部溫度，不方便測量物體內部和存在障礙物時的溫度。 (2)使用注意事項：
①必須準確確定被測物體的發射率。 ②避免周圍環境高溫物體的影響。
③對于透明材料，環境溫度應低于被測物體溫度。
④測溫儀要垂直對準被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過30℃。 ⑤不能應用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫，不能透過玻璃進行測溫。
⑥如果紅外測溫儀突然處于環境溫度差為20℃ 或更高的情況下，測量數據將不準確，溫度平衡后再取其測量的溫度值。
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過透鏡到光導纖維內部。在光導纖維里面經過多次反射傳至檢測器。因為光纖可以自由彎曲，使輻射能自由轉向，這就解決了物體內部溫度的測量問題，可以測量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。
6. 紅外測溫系統的應用
近年來，紅外測溫技術從一維測量發展為二維測量，并已應用于醫療、工業等領域。 (1)醫療領域。當人體患病時，全身或局部的熱平衡遭到破壞，便在相應部位的皮膚溫度上反映出來。紅外熱像儀可以對白血病、雷諾氏病及腫瘤作早期診斷，特別是對淺表性乳腺癌和皮膚癌的早期診斷更有效。另外，用紅外體溫計給小兒和精神病患者測量體溫省去了許多麻煩。
(2)工業領域。紅外測溫可用于火車軸溫檢測。火車軸箱會由于溫度過高而發生“燃軸”造成事故。把紅外測溫儀安裝在鐵道兩側，車過時，車輪的軸箱逐個掃過探測儀的視場，從而產生一系列的脈沖輸出，若某個軸箱的溫度允許的極限，就可采取措施，其檢測的準確率在95％以上。又如高壓輸電線路的眾多接頭中，有的由于某些原因發熱成為熱接點，可用紅外測溫儀進行快速、連續的非接觸測量。另外，還可用于爐溫檢測、壓延鋼板的溫度分布的測定等。
7. 結束語
紅外輻射存在普遍性，決定了紅外測溫應用的廣泛性。目前，世界范圍內對紅外測溫技術的應用正方興未艾，不同的需要，將促使更多型號的紅外測溫儀產生。隨著微機和光纖的廣泛應用，將使紅外測溫儀的性能逐漸完善。