紅外測溫傳感器原理及應用一覽

紅外測溫傳感器是一種利用紅外線來測量溫度的設備。

溫度測量技術：

介紹

隨著科學技術的發展，傳統的接觸式測溫方式以不能滿足現代一些領域的測溫需求，對非接觸、遠距離測溫技術的需求越來越大。普通溫度測量技術經過相當長時間的發展已近于成熟。目前，隨著經濟的發展日益需要的是在特殊條件(如高溫、強腐蝕、強電磁場條件下或較遠距離)下的溫度測量技術。

測量技術

非接觸式紅外測溫也叫輻射測溫，一般使用熱電型或光電探測器作為檢測元件。此溫度測量系統比較簡單，可以實現大面積的測溫，也可以是被測物體上某一點的溫度測量；可以是便攜式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工藝簡單，成木較低，測溫時不接觸被測物體，具有響應時間短、不干擾被測溫場、使用壽命長、操作方便等一系列優點，但利用紅外輻射測量溫度，也必然受到物體發射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。

在這種溫度測量技術中紅外溫度傳感器的選擇是非常重要的，而且不僅在點溫度測量中要使用紅外溫度傳感器，大面積溫度測量也可使用紅外溫度傳感器。采用紅外溫度傳感器這種溫度測量技術，它具有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高和穩定性好等優點；另外紅外溫度傳感器的種類較多，發展非常快，技術比較成熟。

傳感器

紅外溫度傳感器按照測量原理可以分為兩類:光電紅外溫度傳感器和熱電紅外溫 度傳感器。本紅外測溫儀選用熱電紅外溫度傳感器.熱電紅外溫度傳感器是利用紅外輻射的熱效應，通過溫差電效應、熱釋電效應和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的溫度。 現代非接觸故障檢測技術的需求選用了型號為北京德潤豐DOS系列溫度傳感器。它的測量距離大約為1-30米，測量回應時間大約為0-999秒。可以直接輸出標準電壓、電流信號、電偶輸出及數字輸出。

原理及方法

原理

紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯系，物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即：

下圖1-1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖： 

　 圖1-1 不同溫度下的黑體光譜輻射度

從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征:

① 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續變化，每條曲線只有一個極大值；

② 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加；

③ 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。

方法

依據測溫原理的不同，紅外測溫儀的設計有三種方法，通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度的稱為全輻射測溫法；通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度的稱為亮度測溫法；如果是通過被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化來定溫的稱為比色測溫法。

亮度測溫法無需環境溫度補償，發射率誤差較小，測溫精度高，但工作于短波區，只適于高溫測量。比色測溫法的光學系統可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測溫誤差小，但必須選擇適當波段，使波段的發射率相差不大。本文選用全輻射測溫法來計算被測量物體的溫度，全輻射測溫法是根據所有波長范圍內的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這種方法是因為中低溫物體的波長較大，輻射信號很弱，而且結構簡單，成本較低，但它的測溫精度稍差，受物體輻射率影響大。下面是全輻射測溫法的相關方法介紹：

由普朗克公式可推導出輻射體溫度與檢測電壓之間的關系式：

V=RaεσT4=KT4

式中K=Raεσ，由實驗確定，定標時ε取1

T—被測物體的絕對溫度

R——探測器的靈敏度

a——與大氣衰減距離有關的常數

ε——輻射率

σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數

因此，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標溫度呈非線性關系，V與T的四次方成正比，所以要進行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進行輻射率修正為真實溫度，

其校正式為：

式中Tr——輻射溫度(表觀溫度)

ε(T)——輻射率，取0.1～0.9

由于調制片輻射信號的影響，輻射率修正后的真實溫度為高于環境的溫度，還必須作環溫補償，即真實溫度加上環溫才能最終得到被測物體的實際溫度。

紅外測溫系統

紅外技術及其原理的無異議的理解為其精確的測溫。當由非接觸儀器測溫時，被測物體發射出的紅外能量，通過測溫儀的光學系統在探測器上轉換為電信號，該信號的溫度讀數顯示出來，有幾個決定精確測溫的重要因素，最重要的因素是發射率、視場、到光斑的距離和光斑的位置。發射率，所有物體會反射、透過和發射能量，只有發射的能量能指示物體的溫度。當紅外測溫儀測量表面溫度時，儀器能接收到所有這三種能量。因此，所有測溫儀必須調節為只讀出發射的能量。測量誤差通常由其它光源反射的紅外能量引起的。

有些測量儀可改變發射率，多種材料的發射率值可從出版的發射率表中找到。

其它儀器為固定的予置為0.95的發射率。該發射率值是對于多數有機材料、油漆或氧化表面的表面溫度，就要用一種膠帶或平光黑漆涂于被測表面加以補償。使膠帶或漆達到與基底材料相同溫度時，測量膠帶或漆表面的溫度，即為其真實溫度。

距離與光斑之比，紅外測溫儀的光學系統從圓形測量光斑收集能量并聚焦在探測器上，光學分辨率定義為儀器到物體的距離與被測光斑尺寸之比（D:S）。比值越大，儀器的分辨率越好，且被測光斑尺寸也就越小。激光瞄準，只有用以幫助瞄準在測量點上。

紅外光學的最新改進是增加了近焦特性,可對小目標區域提供精確測量，還可防止背景溫度的影響。

視場，確保目標大于儀器測量時的光斑尺寸，目標越小，就應離它越近。當精度特別重要時，要確保目標至少2倍于光斑尺寸。

應用

為了測溫，將儀器對準要測的物體，按觸發器在儀器的LCD上讀出溫度數據，保證安排好距離和光斑尺寸之比，和視場。用紅外測溫儀時有幾件重要的事要記住：

只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內部溫度。不能透過玻璃進行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許精確紅外溫度讀數。但可通過紅外窗口測溫。紅外測溫儀最好不用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫（不銹鋼、鋁等）。定位熱點，要發現熱點，儀器瞄準目標，然后在目標上作上下掃描運動,直至確定熱點。注意環境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學系統而影響精確測溫。環境溫度，如果測溫儀突然暴露在環境溫差為20度或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節到新的環境溫度。

有些測量儀可改變發射率，多種材料的發射率值可從出版的發射率表中找到。

其它儀器為固定的予置為0.95的發射率。該發射率值是對于多數有機材料、油漆或氧化表面的表面溫度，就要用一種膠帶或平光黑漆涂于被測表面加以補償。使膠帶或漆達到與基底材料相同溫度時，測量膠帶或漆表面的溫度，即為其真實溫度。

距離與光斑之比，紅外測溫儀的光學系統從圓形測量光斑收集能量并聚焦在探測器上，光學分辨率定義為儀器到物體的距離與被測光斑尺寸之比（D:S）。比值越大，儀器的分辨率越好，且被測光斑尺寸也就越小。激光瞄準，只有用以幫助瞄準在測量點上。

紅外光學的最新改進是增加了近焦特性,可對小目標區域提供精確測量，還可防止背景溫度的影響。

視場，確保目標大于儀器測量時的光斑尺寸，目標越小，就應離它越近。當精度特別重要時，要確保目標至少2倍于光斑尺寸。