摘要：

測(cè)量溫度的方法有很多種，

溫度計(jì)大致可以分為接觸式測(cè)溫儀表和非接觸

式測(cè)溫儀表兩類(lèi)。

其中接觸式的有我們熟悉的液體式溫度計(jì)，

熱電偶式溫度計(jì)和

熱電阻式溫度計(jì)等等。

關(guān)鍵詞：紅外線(xiàn)

測(cè)溫

輻射

光纖

*，溫度是供熱，供燃?xì)?，通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中zui重要的參數(shù)之一。尤其在

熱工測(cè)量過(guò)程中，

溫度的程度往往是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

因此，

一個(gè)

度高的測(cè)溫儀器在工程中是*的。

因此本文就溫度測(cè)量工具中的紅外線(xiàn)測(cè)

溫儀的原理及應(yīng)用進(jìn)行一些介紹。

一，紅外測(cè)溫的理論原理

在自然界中，

當(dāng)物體的溫度高于零度時(shí)，

由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在，

就會(huì)不

斷的向四周輻射電磁波，

其中就包含了波段位于

0.75μm~100μm

的紅外線(xiàn)。

他zui

大的特點(diǎn)是在給定的溫度和波長(zhǎng)下，

物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)zui大值，

這種物質(zhì)

稱(chēng)為黑體，并設(shè)定他的反射系數(shù)為

1

，其他的物質(zhì)反射系數(shù)小于

1

，稱(chēng)為灰體，

由于黑體的光譜輻射功率

P(

λ

Ｔ

)

與溫度

T

之間滿(mǎn)足普朗克定。說(shuō)明在

溫度

T

下，波長(zhǎng)

λ

處單位面積上黑體的輻射功率為

P(

λ

Ｔ

)

。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可

以得到圖

1

的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖中可以看出：

（

1)

隨著溫度的升高，

物體的輻射能量越強(qiáng)。

這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，

也是

單波段紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（

2)

隨著溫度升高，

輻射峰值向短波方向移動(dòng)

（向左

)

，

并且滿(mǎn)足維恩位移定理

，

峰值處的波長(zhǎng)

與溫度

T

成反比，

虛線(xiàn)為

處峰值連線(xiàn)。

這個(gè)公式告訴我們?yōu)?/p>

什么高溫測(cè)溫儀多工作在短波處，低溫測(cè)溫儀多工作在長(zhǎng)波處。

（

3)

輻射能量隨溫度的變化率，

短波處比長(zhǎng)波處大，

即短波處工作的測(cè)溫儀相對(duì)

信噪比高（靈敏度高），抗干擾性強(qiáng)，測(cè)溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長(zhǎng)處，特

別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

二，紅外線(xiàn)測(cè)溫儀的原理

紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、

光電探測(cè)器、

信號(hào)放大器及信號(hào)處理、

顯示輸出等

部分組成。

被測(cè)物體和反饋源的輻射線(xiàn)經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后輸入到紅外檢測(cè)器。

兩信

號(hào)的差值經(jīng)反放大器放大并控制反饋源的溫度，

使反饋源的光譜輻射亮度和物體

的光譜輻射亮度一樣。顯示器指出被測(cè)物體的亮度溫度

三，紅外線(xiàn)測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用

測(cè)溫范圍，顯示分辯率，精度，工作環(huán)境溫度范圍，重復(fù)性，相對(duì)濕度，響應(yīng)時(shí)

間，電源

響應(yīng)光譜，尺寸，zui大值顯示，重量，發(fā)射率等

1

，確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀zui重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫

儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。

因此，

用戶(hù)的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、

周全，

既不要過(guò)窄，

也不要過(guò)寬。

根據(jù)黑體輻射定律，

在光譜的短波段由溫度引起的輻

射能量的變化將超過(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化。

2

，

確定目標(biāo)尺寸

:

紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀

（輻射比

色測(cè)溫儀）

。

對(duì)于單色測(cè)溫儀，

在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，

被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿(mǎn)測(cè)溫儀視場(chǎng)。

建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的

50%

為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射

能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，

造成誤差。

相反，

如果目標(biāo)大于

測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，

其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很

小，不充滿(mǎn)視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都

不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。

對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，

雙色測(cè)

溫儀是*選擇。這是由于光線(xiàn)直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通

道上傳輸光輻射能量。

3

，確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由

D

：

S

之比確定，即測(cè)溫儀探頭到

目標(biāo)之間的距離

D

與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。

如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝

在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，

而又要測(cè)量小的目標(biāo)，

就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。

光學(xué)

分辨率越高，即增大

D

：

S

比值，測(cè)溫儀的成本也越高。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，

而目標(biāo)又小，

就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。

對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀，

在光學(xué)系

統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑zui小位置，

近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。

存在兩個(gè)距離系

數(shù)。

4

，

確定波長(zhǎng)范圍

：

目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)

于高反射率合金材料，

有低的或變化的發(fā)射率。

在高溫區(qū)，

測(cè)量金屬材料的*

波長(zhǎng)是近紅外，

可選用

0.8

～

1.0

μ

m

。

其他溫區(qū)可選用

1.6

μ

m,2.2

μ

m

和

3.9

μ

m

。

由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的，

紅外能量會(huì)穿透這些材料，

對(duì)這種材料應(yīng)

選擇特殊的波長(zhǎng)。

5

，確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義

為到達(dá)zui后讀數(shù)的

95%

能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示

系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，

要選

用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量精度。然而，

并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測(cè)溫儀。

對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱

慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。

6

，信號(hào)處理功能：鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，所以要求紅

外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如

測(cè)溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)。

否則測(cè)溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。

若用峰值保持，

設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間

稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。

7

，環(huán)境條件考慮：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并

適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧

和蒸汽的條件下，可選用廠(chǎng)商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃

器等附件。

這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)測(cè)溫儀，

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。

在確

定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。

8

，紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定：紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被

測(cè)目標(biāo)的溫度。

如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，

則需退回廠(chǎng)家或維修

中心重新標(biāo)定。

四，影響紅外測(cè)溫儀的主要因素

1

、測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測(cè)的目標(biāo)的有效直徑

D

是不同的，

因而在測(cè)量小目標(biāo)時(shí)要注意目標(biāo)距離。

紅外測(cè)溫儀距離系數(shù)

K

的定義

為：被測(cè)目標(biāo)的距離

L

與被測(cè)目標(biāo)的直徑

D

之比，即

K=L/D  

2

、選擇被測(cè)物質(zhì)發(fā)射率：紅外測(cè)溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率

ε

=1.00

）分度

的，而實(shí)際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于

1.00

。因此，在需要測(cè)量目標(biāo)的真實(shí)溫度

時(shí)，須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從《輻射測(cè)溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)》中

查得。

3

、強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量：若被測(cè)目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽(yáng)光或強(qiáng)燈

直射）

，

則測(cè)量的準(zhǔn)確性將受到影響，

因此可用物遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背

景光干擾。

4

、小目標(biāo)的測(cè)量

⑴ 應(yīng)將測(cè)溫儀固定在三角架（可選附件）上

⑵ 需要調(diào)焦，即：用目鏡中小黑點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)（目標(biāo)應(yīng)充滿(mǎn)小黑點(diǎn)），將鏡

頭前后調(diào)整，

眼睛稍微晃動(dòng)，

如果被測(cè)小黑圓點(diǎn)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，

則調(diào)焦就已

完成

5.

溫度輸出功能

（

1

）數(shù)字信號(hào)輸出——

RS232

、

RS485

，溫度信號(hào)遠(yuǎn)傳

（

2

）模擬信號(hào)輸出——

0

～

5V

，

1

～

5V

，

0

～

10V

，

0/4

～

20

毫安，可以加入閉環(huán)

控制中。

（

3

）高報(bào)警、低報(bào)警─生產(chǎn)過(guò)程中要求控制溫度在某個(gè)范圍里

,

可設(shè)置高

,

低報(bào)

警值。高報(bào)警：在高報(bào)警設(shè)置打開(kāi)的情況下，當(dāng)溫度高于高報(bào)警值，相應(yīng)的

LED

燈閃爍，蜂鳴器響，并有

AH

常開(kāi)繼電器接通。

五，紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)

1.

非接觸測(cè)量：

它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，

因此，

不會(huì)干擾被測(cè)

溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也

不受溫度場(chǎng)的損傷。

2.

測(cè)量范圍廣：

因其是非接觸測(cè)溫，

所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中，

而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下。

一般情況下可測(cè)量負(fù)幾十度到三

千

多度。

3.

測(cè)溫速度快：即響應(yīng)時(shí)問(wèn)快。只要接收到目標(biāo)的紅

外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。

4.

準(zhǔn)確度高：

紅外測(cè)溫不會(huì)與接觸式測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布，

因此測(cè)量

精度高。

5.

靈敏度高：只要物體溫度有微小變化，輻射能量就有較大改變，易于測(cè)出。可

進(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量和

6.

溫度分布測(cè)量，

以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。

使用安全及使用壽命長(zhǎng)。

六，紅外線(xiàn)測(cè)溫儀的缺點(diǎn)

1.

易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）

2.

對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大

3.

只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度

七，紅外測(cè)溫儀的使用注意事項(xiàng)

（

1

）必須準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率

; 

（

2

）避免周?chē)h(huán)境高溫物體的影響

; 

(3

）對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體溫度

; 

(4

）測(cè)溫儀要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體表面，在任何情況下，角度都不能超過(guò)

30℃

(5

）不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測(cè)溫，不能透過(guò)玻璃進(jìn)行測(cè)溫

; 

(6

）正確選擇跟離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿(mǎn)視場(chǎng)

; 

(7

）如果紅外測(cè)溫儀突然處于環(huán)境溫度差為

20℃ 或更高的情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)將

不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測(cè)量的溫度值。

. 

八，改進(jìn)方案

由于普通紅外測(cè)溫儀只限于測(cè)量物體外部溫度，

不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙

物時(shí)的溫度，

所以可以在其檢測(cè)頭部加一段光導(dǎo)纖維，

并在其前端裝一個(gè)小視角

的透鏡，

這樣被測(cè)物體的輻射能經(jīng)過(guò)透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。

在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過(guò)

多次反射傳至檢測(cè)器。

因?yàn)楣饫w可以自由彎曲，

使輻射能自由轉(zhuǎn)向，

這就解決了

物體內(nèi)部溫度的測(cè)量問(wèn)題，可以測(cè)量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。

例如，

在塑料擠壓機(jī)內(nèi)測(cè)量塑料溫度，

渦輪機(jī)內(nèi)通過(guò)靜葉片的空隙來(lái)測(cè)量動(dòng)葉片

的zui高溫度和平均溫度，并可以帶有多個(gè)探頭進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。

1

，光纖紅外測(cè)溫的原理