红外测温传感器的原理说明

　　红外测温传感器是一种利用红外线来测量温度的设备。

　　温度测量技术：

　　介绍

　　随着科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。普通温度测量技术经过相当长时间的发展已近于成熟。目前，随着经济的发展日益需要的是在特殊条件（如高温、强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离）下的温度测量技术。

　　测量技术

　　非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

　　在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟。

　　传感器

　　红外温度传感器按照测量原理可以分为两类：光电红外温度传感器和热电红外温 度传感器。本红外测温仪选用热电红外温度传感器。热电红外温度传感器是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。 现代非接触故障检测技术的需求选用了型号为北京德润丰DOS系列温度传感器。它的测量距离大约为1-30米，测量回应时间大约为0-999秒。可以直接输出标准电压、电流信号、电偶输出及数字输出。

　　原理及方法

　　原理

　　红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即：

　　下图1-1是不同温度下的黑体光谱辐射度图：

　　图1-1 不同温度下的黑体光谱辐射度

　　从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征：

　　① 在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；

　　② 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；

　　③ 随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。

　　方法

　　依据测温原理的不同，红外测温仪的设计有三种方法，通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；如果是通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。

　　亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低，但它的测温精度稍差，受物体辐射率影响大。下面是全辐射测温法的相关方法介绍：

　　由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式：

　　V=RaεσT4=KT4

　　式中K=Raεσ，由实验确定，定标时ε取1

　　T—被测物体的绝对温度

　　R——探测器的灵敏度

　　a——与大气衰减距离有关的常数

　　ε——辐射率

　　σ——斯蒂芬—玻耳兹曼常数

　　因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，

　　其校正式为：

　　式中Tr——辐射温度（表观温度）

　　ε（T）——辐射率，取0.1～0.9

　　由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。

　　红外测温系统

　　红外技术及其原理的无异议的理解为其精确的测温。当由非接触仪器测温时，被测物体发射出的红外能量，通过测温仪的光学系统在探测器上转换为电信号，该信号的温度读数显示出来，有几个决定精确测温的重要因素，最重要的因素是发射率、视场、到光斑的距离和光斑的位置。发射率，所有物体会反射、透过和发射能量，只有发射的能量能指示物体的温度。当红外测温仪测量表面温度时，仪器能接收到所有这三种能量。因此，所有测温仪必须调节为只读出发射的能量。测量误差通常由其它光源反射的红外能量引起的。

　　有些测量仪可改变发射率，多种材料的发射率值可从出版的发射率表中找到。

　　其它仪器为固定的予置为0.95的发射率。该发射率值是对于多数有机材料、油漆或氧化表面的表面温度，就要用一种胶带或平光黑漆涂于被测表面加以补偿。使胶带或漆达到与基底材料相同温度时，测量胶带或漆表面的温度，即为其真实温度。

　　距离与光斑之比，红外测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上，光学分辨率定义为仪器到物体的距离与被测光斑尺寸之比（D:S）。比值越大，仪器的分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。激光瞄准，只有用以帮助瞄准在测量点上。

　　红外光学的最新改进是增加了近焦特性，可对小目标区域提供精确测量，还可防止背景温度的影响。

　　视场，确保目标大于仪器测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。当精度特别重要时，要确保目标至少2倍于光斑尺寸。

　　应用

　　为了测温，将仪器对准要测的物体，按触发器在仪器的LCD上读出温度数据，保证安排好距离和光斑尺寸之比，和视场。用红外测温仪时有几件重要的事要记住：

　　只测量表面温度，红外测温仪不能测量内部温度。不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数。但可通过红外窗口测温。红外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动，直至确定热点。注意环境条件：蒸汽、尘土、烟雾等。它阻挡仪器的光学系统而影响精确测温。环境温度，如果测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的情况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。

　　有些测量仪可改变发射率，多种材料的发射率值可从出版的发射率表中找到。

　　其它仪器为固定的予置为0.95的发射率。该发射率值是对于多数有机材料、油漆或氧化表面的表面温度，就要用一种胶带或平光黑漆涂于被测表面加以补偿。使胶带或漆达到与基底材料相同温度时，测量胶带或漆表面的温度，即为其真实温度。

　　距离与光斑之比，红外测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上，光学分辨率定义为仪器到物体的距离与被测光斑尺寸之比（D:S）。比值越大，仪器的分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。激光瞄准，只有用以帮助瞄准在测量点上。

　　红外光学的最新改进是增加了近焦特性，可对小目标区域提供精确测量，还可防止背景温度的影响。

　　视场，确保目标大于仪器测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。当精度特别重要时，要确保目标至少2倍于光斑尺寸。