紅外温度計

紅外光也叫紅外線，它是一位英國科學家發現的。1800年，赫胥爾在研究太陽光時，讓光通過稜鏡分解為彩色光帶，他用温度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。試驗中，他偶然發現一個奇怪的現象：放在光帶紅光外的一支温度計，比室內其他温度的指示數值高。經過反覆試驗，這個所謂熱量最多的高温區，總是位於光帶最邊緣處紅光的外面。於是他宣佈太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種人的肉眼看不見的“熱線”位於紅色光外側，叫做紅外線。(不過，要説明的是，事實上太陽發出的能量以波長580nm的綠光最強。)

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質。紅外線的波長在0.76～100μm之間，位於無線電波與可見光之間。任何物體，只要它的温度比零下273.15度高，就無一例外地發射出紅外線。

在自然界中，一切温度高於絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分佈 —— 與它的表面温度有着十分密切的關係。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面温度，這就是紅外輻射測温所依據的客觀基礎。

紅外測温儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測温儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上並轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，並按照儀器內療的算法和目標發射率校正後轉變為被測目標的温度值。除此之外，還應考慮目標和測温儀所在的環境條件，如温度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。

黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1。應該指出，自然界中並不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分佈規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點，故稱黑體輻射定律。

物體發射率對輻射測温的影響：自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴於輻射波長及物體的温度之外，還與構成物體的材料種類、製備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用於所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例係數，即發射率。該係數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小於1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。

影響發射率的主要因素：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。

當用紅外輻射測温儀測量目標的温度時首先要測量出目標在其波段範圍內的紅外輻射量，然後由測温儀計算出被測目標的温度。單色測温儀與波段內的輻射量成比例；雙色測温儀與兩個波段的輻射量之比成比例。

可分為三個方面：

性能指標方面,如温度範圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等;環境和工作條件方面,如環境温度、窗口、顯示和輸出、保護附件等;其他選擇方面,如使用方便、維修和校準性能以及價格等,也對測温儀的選擇產生一定的影響。隨着技術和不斷髮展,紅外測温儀最佳設計和新進展為用户提供了各種功能和多用途的儀器,擴大了選擇餘地。

測温範圍是測温儀最重要的一個性能指標。如INFR（紅外時代）、Raytek(雷泰)產品覆蓋範圍為-50℃-+3000℃,但這不能由一種型號的紅外測温儀來完成。每種型號的測温儀都有自己特定的測温範圍。因此,用户的被測温度範圍一定要考慮準確、周全,既不要過窄,也不要過寬。根據黑體輻射定律,在光譜的短波段由温度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化,因此,測温時應儘量選用短波較好。一般來説，測温範圍越窄，監控温度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測温範圍過寬，會降低測温精度。例如，如果被測目標温度為1000℃，首先確定在線式還是便攜式，如果是便攜式。滿足這一温度的型號很多，如Ti315，Ti213等。

紅外測温儀根據原理可分為單色測温儀和雙色測温儀(輻射比色測温儀)。對於單色測温儀,在進行測温時,被測目標面積應充滿測温儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小於視場,背景輻射能量就會進入測温儀的視聲符支幹擾測温讀數,造成誤差。相反,如果目標大於測温儀的視場,測温儀就不會受到測量區域外面的背景影響。

對於雙色測温儀,其温度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小,沒有充滿現場,測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時,都不會對測量結果產生影響。甚至在能量衰減了95%的情況下,仍能保證要求的測温精度。對於目標細小,又處於運動或振動之中的目標;有時在視場內運動,或可能部分移出視場的目標,在此條件下,使用雙色測温儀是最佳選擇。如果測温儀和目標之間不可能直接瞄準,測量通道彎曲、狹小、受阻等情況下,雙色光纖測温儀是最佳選擇。這是由於其直徑小,有柔性,可以在彎曲、阻擋和摺疊的通道上傳輸光輻射能量,因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。

光學分辨率由D與S之比確定,是測温儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比。例如國產的手持式紅外測温儀Ti213，距離係數為80：1，如果距目標80釐米遠，那麼測量範圍的直徑是1釐米。如果測温儀由於環境條件限制必須安裝在遠離目標之處,而又要測量小的目標,就應選擇高光學分辨率的測温儀。光學分辨率越高,即增大D:S比值,測温儀的成本也越高。

目標材料的發射率和表面特性決定測温儀的光譜響應或波長。對於高反射率合金材料,有低的或變化的發射率。在高温區,測量金屬材料的最佳波長是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長。其他温區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由於有些材料在一定波長是透明的,紅外能量會穿透這些材料,對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內部温度選用10μm、2.2μm和3.9μm(被測玻璃要很厚,否則會透過)波長;測量玻璃內部温度選用5.0μm波長;測低區區選用8-14μm波長為宜;再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長,聚醋類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長;又如測火焰中的C02用窄帶4.24-4.3μm波長,測火焰中的C0用窄帶4.64μm波長,測量火焰中的N02用4.47μm波長。

響應時間表示紅外測温儀對被測温度變化的反應速度,定義為到達最後讀數的95%能量所需要時間,它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時間常數有關。新型紅外測温儀響應時間可達1ms。這要比接觸式測温方法,快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時,要選用快速響應紅外測温儀,否則達不到足夠的信號響應,會降低測量精度。然而,並不是所有應用都要求快速響應的紅外測温儀。對於靜止的或目標熱過程存在熱慣性時,測温儀的響應時間就可以放寬要求了。因此,紅外測温儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。

鑑於離散過程（如零件生產）和連續過程不同，所以要求紅外測温儀具有多信號處理功能（如峯值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測温傳送帶上的瓶子時，就要用峯值保持，其温度的輸出信號傳送至控制器內。否則測温儀讀出瓶子之間的較低的温度值。若用峯值保持，設置測温儀響應時間稍長於瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處於測量之中。

温儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應予考慮並適當解決，否則會影響測温精度甚至引起損壞。當環境温度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附件。

這些附件可有效地解決環境影響並保護測温儀，實現準確測温。在確定附件時，應儘可能要求標準化服務，以降低安裝成本。當在噪聲、電磁場、震動或難以接近環境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時，光纖雙色測温儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場、震動和難以接近的環境條件下，或其他惡劣條件時，宜選擇光纖比色測温儀。

在密封的或危險的材料應用中（如容器或真空箱），測温儀通過窗口進行觀測。材料必須有足夠的強度並能通過所用測温儀的工作波長範圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低温測量應用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標。如操作員需要通過窗口目標，應採用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應採用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。

當測温儀工作環境中存在易燃氣體時，可選用本徵安全型紅外測温儀，從而在一定濃度的易燃氣體環境中進行安全測量和監視。

在環境條件惡劣複雜的情況下，可以選擇測温頭和顯示器分開的系統，以便於安裝和配置。可選擇與現行控制設備相匹配的信號輸出形式。

紅外測温儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被測目標的温度。如果所用的測温儀在使用中出現測温超差，則需退回廠家或維修中心重新標定。紅外測温儀的標定一般選用腔體式的，發射率高於0.99的黑體爐。

紅外測温技術在生產過程中，在產品質量控制和監測，設備在線故障診斷和安全保護以及節約能源等方面發揮了着重要作用。近20年來，非接觸紅外測温儀在技術上得到迅速發展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用範圍也不斷擴大，市場佔有率逐年增長。國產的品牌主要有INFR（紅外時代），光盛等，進口的有雷泰，歐普士等，國產的優勢在與性價比高，相對進口的價格低，售後方便快捷。比起接觸式測温方法，紅外測温有着響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優點。非接觸紅外測温儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，並備有各種選件和計算機軟件，每一系列中又有各種型號及規格。在不同規格的各種型號測温儀中，正確選擇紅外測温儀型號對用户來説是十分重要的。

非接觸紅外測温儀和傳統的接觸類測温儀有何不同.

紅外測温儀的主要參數有距離係數，測温範圍，測量精度，響應波長，瞄準方式等：

為了測温，將儀器對準要測的物體，按觸發器在儀器的LCD上讀出温度數據，保證安排好距離和光斑尺寸之比，和視場。

紅外測温儀使用時應注意的問題：

1、只測量表面温度，紅外測温儀不能測量內部温度。

2、不能透過玻璃進行測温，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許精確紅外温度讀數。但可通過紅外窗口測温。紅外測温儀最好不用於光亮的或拋光的金屬表面的測温（不鏽鋼、鋁等）。

3、定位熱點，要發現熱點，儀器瞄準目標，然後在目標上作上下掃描運動,直至確定熱點。

4、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温。

5、環境温度，如果測温儀突然暴露在環境温差為20℃或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節到新的環境温度。