非接触式测温法(红外测温法)

2015-01-12 13:30 作者:管理员11 来源:未知 浏览: 字号:

摘要:非接触式测温法(红外测温法) 目前最常用的非接触式测温法是红外测温法。红 外侧温法的基本原理是侧温元件通过接收被侧物体的 红外辐射能,并根据其大小来确定物体表面温度。 1红外的基本知识 (1)红外的划分 红外线就是比红光波长大的一部分波长范围内的 不可

非接触式测温法(红外测温法)
    目前最常用的非接触式测温法是红外测温法。红
外侧温法的基本原理是侧温元件通过接收被侧物体的
红外辐射能,并根据其大小来确定物体表面温度。
1红外的基本知识
    (1)红外的划分
    红外线就是比红光波长大的一部分波长范围内的
不可见光,其波长范围为0.76~1000μm,这个范围
通常又被分为四个波段,每个波段的用途各不相同。
表30.7-8列出了各个波段的范围及用途。
红外线的划分及各部分的用途
    (2)基本术语
    I)红外辐射波段在0.76μm~1mm的光辐射。
    2)辐射能量Q辐射源辐射出来的电磁波的能
量(J)。
    3)辐射功率P 在单位时间内通过某一面积的
辐射能量,也称为“辐射通量”(W)。
    4)辐射度M 单位面积上的辐射功率(W·
m-2)。
    5)光谱辐射度Mλ 在波长为λ处,每单位波
长间隔内的辐射度(w·m-3)。
    6)黑体 是一种理想物体,定义为能在任何温
度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收;
在同样温度和相同表面的情况下,辐射功率最大。绝
对的黑体是不存在的。
    7)比辐射率ε 指在相同温度及条件下,实际
物体与黑体辐射度的比值。

而变,为小于1的常数,那么这个辐射体就称为灰
体。灰体和黑体之间只差一个小于1的常数。
    10)选择性辐射体 比辐射率ε随波长而变的辐射
体称为选择性辐射体。一般的辐射体都是选择性辐射
体。
    (3)红外辐射的特点
    1)红外辐射的普遗性任何物体,只要它的沮
度高于热力学零度(-273.15℃),就有一部分热能
变为辐射能,物体温度不同,辐射的波长组成成分不
同,辐射能的大小也不同,1000℃以下物体,热辐射
中最强的波均为红外辐射。
    红外辐射是一种低能最光子流,像其他电磁波一
样遵循相同的物理定律。
    2)普朗克定律德国物理学家普朗克于1900年
根据量子物理概念导出了黑体辐射光谱分布的方程
式,即普朗克定律。

    由式(30.7-17)可知,当温度有轻微变化时,
即可引起物体红外辐射的很大变化,这就从理论上保
证了红外侧温是可行的。对于灰体来讲,斯蒂藩-波
尔茨曼定理可描述为
                  M=εσT4(30.748)
    5)红外辐射在大气中的传输当红外线投射到
物体表面时,要产生透射、吸收和反射三种现象,因
此红外线在大气中传输时.会被大气中的一些气体分
子所吸收,由于不同的气体分子所吸收的红外线波长
不同,所以大气把红外辐射分为三个主要波段,即:
1~2.5μm, 3~5μm, 8~13μm,在这三个波段内的红
外辐射是可以透过大气的,称为“大气窗口”,如图
30.7-21所示。因为所有的红外仪器都是在大气中工作
的,因此红外探测器的接收波段应选在该窗口内。除
了气体分子吸收外,红外辐射还受到大气中悬浮顺粒
物的散射,散射将导致红外辐射沿传输方向的辐射能
减小,因此测量时也应注意空气质量和天气情况。

红外辐射在大气中的传输

2红外测温的基本原理和特点
    (1)基本原理
    当设备的温度场分布发生变化时,设备的红外辐
射度也会相应变化,若利用红外枪测仪器接收到这些
变化,根据斯蒂藩-波尔茨曼定理就可得到设备温度
的变化。
    (2)红外测温中比辐射率的意义
    由子实际的物体并不是黑体,它们之间的辐射度
相差了一个比例因子,即比辐射率。如果在不知道比
辐射率的情况下,按照上述定理侧出来的温度必然会
产生很大的误差。因此比辐射率在红外侧沮中起着举
足轻重的作用,在侧云时,它的值必须是确定的。
    影响物体比辐射率的因素很多,主要的几个因素
是物体材料的性质、物体表面状态及物体的通度变
化。通常物体的比辐射率是在实验室侧定的,有关材
料的比辐射率可查相关手册。
    (3)红外测温的特点
    1)测量范围广,-170~3200℃。
    2)精度高,可分辨0.O1K或更小。
    3)反应速度快,可达毫秒级。
    4)可测小目标,被测物最小尺寸可达7. 5μm,
    5)不会破坏被侧物的退度场。
6)测温距离可远可近。
表30.7-9列出了红外测温和接触测温的比较。
红外测温和接触测温的比较
3红外测温系统
    目前在国内外用于红外侧温的仪器已发展成很多
种,有红外测温仪、红外扫描仪、红外热电视及红外
成像系统等。
    (1)红外测温仪对温度的非接触测量手段中,
最轻便、最直观、最快速、最价廉的当属红外测沮仪
(通常指红外点温仪)。
    1)红外侧温仪组成
    图30.7-22所示是红外测温仪的基本组成。可以
看出它主要由以下几部分构成:红外光学系统、红外
探测器、信号放大与处理系统和结果显示与输出系
统,以及其他附属部分,如电源和瞄准器等。
红外测温仪的基本组成
    ①红外光学系统。红外光学系统就是红外探测器
的窗口,主要功能是收集被测目标发射的红外辐射能
量,并汇聚到红外探测器的光敏面上。为了尽可能多地
接收目标的红外辐射量,要求光学系统有较大的相对光
学孔径。光学系统决定了红外测温仪的视场大小。
    实际中常用的光学系统分为反射式、折射式和折
反式三种,可根据需要选择,表30.7-10列出了它们
的优缺点。
红外光学系统的分类1
红外光学系统的分类2
    ②红外探测器。红外探侧器是红外点温仪的核
心部分,它的功能是将被侧目标的红外辐射能量转变
为电信号。红外探测器分为热敏和光电探测器两大类
(见表30.7-11~表30.7-13)。

常用红外探测器类型
常用红外探测器技术性能
热敏探测器于光电探测器性能比较
    ③信号处理系统。红外测眼仪的信号处理系统
随红外探侧器种类的不同而不同,但要完成的主要功
能是相同的,即放大、抑制噪声、线性化处理、发射
率修正、环境温度补偿、A/D和D/A转换及根据要
求输出信号等。
    ④显示系统。红外测温仪的显示系统用于显示
被测目标温度值,初期多为表头显示,目前显示器件
多采用发光二极管、数码管和液晶等数字显示。
    ⑤附件。红外测温仪的附属都分除电源外,瞄
准装置也是一个比较重要的附件。其作用是当被测目
标距离较远时,便于对准被测部位,常用的瞄准装里
有目镜、可见光瞄准器和激光瞄准器。
    2)常见的几种红外侧沮仪
    ①全辐射测沮仪。该类测沮仪将目标辐射的波
长从零到无穷大的全部辐射能盘进行接收测量,由黑
体标定出目标温度。具体方法为:把实际物体看成黑
体,由斯蒂藩-波尔茨曼定律可得:

    在实际中可以先侧得被测物体的比辐射率,并对
侧温仪进行设定,就可以侧得物体的真实温度。这种
测沮仪结构简单、使用方便,但是由于影响比辐射率
的因素太多,所以灵敏度较低,误差较大。
    ②单色侧温仪。单色测沮仪由于在测沮仪的光
学系统中加装了单色滤光片,因而只能接收目标辐射
的特定波段的能童,再由黑体标定出目标温度。这里
所说的黑体标定利用的是普朗克定理,利用上面所介
绍的方法可以得出修正系数滩为


    这种测温仪结构简单、使用方便、灵敏度高,并
能抑制某些干扰。在高温或低温范围内使用效果都比
较好。但是同样由于影响比辐射率的因素太多,所以
误差较大。
    ③比色测温仪。比色测温仪在侧温仪的光学系
统中加装了两组不同的单色滤光片,接收目标辐射的
两个相近波长的能量,并利用其比值标定出目标的温
度。这种方法从理论上讲可以消除比辐射率带来的影
响。
    由普朗克定律得黑体相邻两个波长的辐射度比为

    在式(30.7-24)中由于当λ1≈λ2时,ελ1≈ελ2
故A≈1,即TT≈Te,所以可消除比辐射率的影响。
这种侧温仪灵敏度较高,在中高温测温范围内使用较
好,受测试距离和其间吸收物的影响较小,但是结构
较为复杂,价格昂贵。
    3)红外测温仪的技术指标红外测温仪的技术
指标主要包括测温范围、距离系数、瞄准方式、测沮
精度、响应时间、工作波长、测温的稳定性等。
    ①测温范围。侧温范围是测温仪能够侧量的温
度下限到温度上限的区间。
    ②距离系数、检测角与光路图。距离系数、检
测角(又称视场角)和光路图是红外点温仪汇聚能
量的“光路”通道的三种不同表达方式。距离系数
是指被测目标的距离L与光学目标的直径d之比,即

    如图30.7-23所示,距离系数大意味着在距离相
同的情况下可以测尺寸更小的目标;或者在检浏目标
大小相同时,测最距离可以更远。
    检侧角是以角度大小反映测盘距离与光学目标直
径关系的。红外侧温仪的距离系数与其检侧角δ
(rad)近似成反比关系.即
红外点温仪距离系数示意图
    如图30.7-24所示,光路图是以图形方式表示测
距与该位置对应光学目标直径的关系,即测温仪的视
场图。
红外点温仪的光路图
    ③瞄准方式。红外侧温仪瞄准方式一般分为两
种,即可见光的光学聚焦瞄准和激光瞄准定位。
    可见光的光学瞄准是按望远镜的光学原理寻找被
测目标的,测温时只需将仪器目镜的中心线“十”
对准被侧目标的中心位里即可。
    激光定位瞄准的工作原理是:以半导体发射的激
光束红点代表仪器光学目标的中心,测温时把激光红
点瞄准到被测目标上即可。
    ④测温精度。红外侧温仪的侧温精度定义为对
温度标准值的不确定度或允许误差,其表示方式可以
分为三种,即绝对误差、相对误差和引用误差。
    ⑤响应时间。响应时间即被测温度从室温突变
为测温范围的上限温度时,侧温仪的输出显示值达到
稳定值的某一百分数时所需要经历的时间。
    ⑥工作波段。工作波段是根据测温范围所选择
的红外辐射率。选择正确的波段至关重要,被测目标
在工作波段区城中一定要有较高的辐射率,而反射率
和透射率要低。
    ⑦稳定性。稳定性是指在一定时间间隔内测温
示值的最大可能变化值。它是表示红外点温仪测温示
值可靠程度的性能指标。
    (2)光机扫描热像仪
    根据红外辐射信号来源不同,热成像可分为主动
式和被动式两大类。主动式红外热成像是以红外辐射
源去照射目标,再利用被反射的红外辐射生成目标的
热图像。被动式红外热成像是利用目标自身发射的红
外辐射生成目标的热图像。光机扫描红外热像仪就是
一种最常见的被动式红外热成像仪。
    1)基本工作原理光机扫描红外热像仪的工作
原理如图30.7-25所示,红外探测器在任意瞬间只能
探测被测物体表面的一小部分,这一小部分被称为
“瞬时视场”,当探视到瞬时视场时,只要探测器的
响应时间足够快,就会立即输出一个与接收辐射功率
成正比的电信号。若通过一套精密机构驱动光学扫描
部件,对物体表面作二维扫描,即依次扫过各个瞬时
视场。红外探测器在此过程中是随着光学接收系统按
时间先后依次接收二维空间中物体各小单元辐射信息
的。在整个扫描过程中,探测器的输出是一连申与扫
描顺序中各瞬时视场的辐射功率相对应的电信号,即
把空间二维分布的红外辐射信息变成为一维的时序电
信号,此后再经放大,与同步信号合成,最终就组合
成为整个物体的表面热图像。
光机扫描热像仪基本构成原理框图
    2)基本构成
    ①光学系统(透镜)。光学系统用于接收被侧物
体的红外辐射,对红外辐射汇聚、滤波和聚焦等作
用。一般根据视场大小和像质的要求选择不同红外光
学透镜组成。
    ②光机扫描机构。光机扫描机构驱动光学系统
对物体表面的瞬时视场进行逐行扫描,从而将被测物
体观测面上各点的红外辐射功率按时间顺序排列。按
扫描器位置可分为:物扫描和像扫描。表30.7-14列
出了其特点。
物扫描和像扫描比较
    ③红外探测器。热像仪一般用的是光电探侧器,
作用是把红外辐射转换成电信号。这种探测器裔要冷
却到很低温度时才能保证探侧率和响应时间。常用的
制冷器见表30.7-15,
光电探测器常用的制冷器
    ④前里放大器。作用是将红外探侧器输出的微
弱信号放大。
    ⑤信号处理器。作用是将被侧物体反映出的电
信号处理转换成视频信号。
    ⑥显示器。采用CRT显示器或电视兼容的监视
器,用于显示被测物体的热图像。
    ⑦记录装置。记录被测物体的热图像,可以使
用磁带、磁卡和各种照相设施。
    ⑧外围辅助装皿。包括电源、同步装置、图像
处理系统。
    3)基本性能参数
    ①噪声等效温差。噪声等效温差是表征热成像
仪热灵敏度的一个参数,指热像仪观察标准试验图案
时,目标与背景产生的峰值信号和均方根噪声相等时
的温差。该参数由红外探测器的大小、张角、探测率
及仪器的带宽、有效透过率等决定。
    ②最小可分辨温度。当标准试验图案的沮差由
零逐渐增大,观察者能从热像仪显示器上确认出这些
图案时的沮差。
    ③系统调制传递函数。指热像仪的输人与输出
关系的量度。一般由光学系统的调制传递函数、红外
探测器的调制传递函数、电路的调制传递函数和显示
器的调制传递函数相乘而得。
    4)主要性能指标(见表30.7-16)
光机扫描热像仪主要性能指标
(3)红外热电视
    红外热电视是20世纪70年代发展起来的一种热
成像技术。
    1)原理 图30.7-26所示为红外热电视的工作
原理,当被侧目标的红外辐射经热释电管的透镜聚集
到只有一个极化轴的靶面上时,由于红外辐射使极化
轴的沮度发生变化,因此在垂直于极化轴的晶面上会
出现极化电荷。若靶面信号板和扫描靶面正好处于垂
直极化轴的两个晶面上,当靶面受热时,在靶面上就
会产生电位起伏的信号,这种信号的大小与被测目标
红外辐射能量分布组成的图像相对应。与此同时,电
子束在扫描电路的控制下对靶面作行、场扫描,从而
中和了靶面上生成的电荷,同时在靶面信号板上的回
路中产生相应的脉冲电流,该电流流经负载时形成视
频信号输出。此后再经视频处理电路加工,并在视频
放大电路内编人同步信号以形成全电视信号输出。
红外热电视原理
    2)基本结构红外热电视的核心器件是红外热
释电摄像管,另外还有扫描器、同步器、前置放大、
视频处理,以及电源、A/D转换、图像处理、显示器
等。图30.7-27所示是红外热电视的基本结构示意图。
红外热电视的基本结构
    热释电摄像管简称PEV,它是红外热电视的
“眼睛”,主要由进镜、靶面和电子枪三部分组成。
    靶面的作用是将通过透镜的红外辐射进行热电转
换。靶面的材料选用热释电材料,该材料具有热释电
效应,即在外加电压的情况下,热释电材料会产生极
化现象,一个表面带正电荷、一个表面带负电荷,并
且这种极化现象在外电压撤出后仍能保持。其极化强
度与温度有关,当红外辐射人射到已极化的热释电材
料上时,其温度升高使表面电荷减少,这就相当于释
放了一部分电荷,故称热释电。
    靶面的材料决定了摄像管的技术性能,TGS材料
是热释电管优良的靶面材料。为了适应热电视更高的
技术要求,在TGS材料的基础上又发展了很多扩展
型的新型材料。
    电子枪的作用是产生电子束扫描靶面,用以中和
因热释电效应形成的靶面电荷。
    3)红外热电视的主要技术指标(见表30.7-17)
红外热电视主要技术指标
(责任编辑:laugh521521)
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