传感器综述-红外测温仪原理与应用

红外测温的原理及相关应用

在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体存在分子和原子无规则的运动，其表面不断地向周围空间辐射红外线，物体的红外辐射特性---物体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关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能根据黑体辐射定律通过计算得到它的表面温度，这是红外测温所依据的客观基础。

红外测温属于非接触测温的一种方法，测温元件不需与被测介质接触，通过热辐射原理来测量温度。与接触式测温方法相比，红外测温有着精确、便捷、安全等突出的优点。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围不断扩大，市场占有率也逐年增长。现代化的工业生产中，离不开测温和控温。非接触的红外测温仪以其独特的优点正成为企业故障检测、产品质量控制和提高经济效益的重要手段。

红外测温仪采用红外技术可快速、方便地测量物体的表面温度。不需要机械的接触被测物体而快速测得温度数值。只需瞄准，按动触发器，在LCD显示屏上直接读出温度数据。它最大优点是：能可靠地测量热的、危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。且红外测温仪每秒可测若干个数据，而普通接触式测温仪每测量一个温度数值，通常就需要若干分钟的时间，测量速度慢。一般红外测温仪分为便携式、在线式、扫描式三大类。

红外测温仪接收多种物体自身发射出的不可见红外能量，红外辐射是电磁频谱的一部分，它包括无线电波、微波、可见光、紫外线、“α射线”和“X射线”。红外线位于可见光和无线电波之间，红外线波长常用μm表示，波长范围为0.7～1000μm，实际上红外测温仪所使用的红外线在0.7～4μm波带中。

红外辐射测温仪测量目标的温度时，首先是测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。主要完成对物体辐射的红外能量进行检测，并进一步传递、储存、计算得到相应温度值显示传输等功能。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量；红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号；该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和

目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。红外测温仪电路设计的重点和难点是信号的采集处理。光学系统接收目标的红外辐射能量经光电探测器转换后被采集得到的电信号相对较小，识别待检信号尽量避免噪声干扰是首要任务，因此其器件选用具有极低的失调电压、漂移和偏置电流特性的放大器，这也是红外测温仪电路原理的核心部分。

由于红外测温拥有的快捷、轻便、安全等优点，使得红外测温技术在各个领域的使用越来越普及。但是不正确的测温方法，可能会给被测物体的实际温度带来很大的误差。在实际使用红外测温仪进行测温时，应注意以下一些问题。（1）发射率。只有知道了材料的发射率，才能知道物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素：材料的种类、表面粗糙程度、理化结构和材料的厚度等。（2）确定测温范围。测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容易解决。（3）目标尺寸。测温时，被测目标应大于或等于测温仪的视场，否则测量有误差。一般被测目标尺寸应超过测温仪视场的50％。（4）温度范围。测温仪的温度范围一般为－50℃～3000℃，每种型号的测温仪都有其特定的测温范围。所选仪器的温度范围应与具体应用范围相匹配。（5）波长范围。目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长，在高温区，测量金属材料温度的最佳波长是近红外，可选用0.18μm～1.0μm波长；其他温度区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。（6）响应时间。新型红外测温仪响应时间可达1ms，红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。

随着科学技术的不断发展，红外测温技术已广泛应用于各行业。在高性能航空发动机研制中对轮盘试验数据准确度的要求非常高，传统的热电偶测温方法受信号传输方式所限，试验结果不能准确实时地反映试验情况，可采用非接触红外测温对轮盘温度进行非接触测量，实现轮盘在高速旋转状态下的温度测量，提高试验数据的可靠性和可信度。

制硫燃烧炉是硫磺回收装置的关键设备，进入装置的原料酸性气在炉内燃烧转化成主要组份为硫化氢、二氧化硫等气体的过程气。过程气正常操作温度在1 300℃左右，最高温度可高达2000℃，所以制硫燃烧炉炉膛温度测量、控制十分关键。可以利用红外测温仪测量炉膛温度，根据测量值对炉膛温度进行控制并进

安全仪表系统参与联锁保护。

在钢铁制造工业中，高温熔化状态钢水中钢渣含量的检测具有重要意义，钢渣是钢铁冶炼过程中的副产品，钢渣进入钢包后会给炼钢带来不利影响，如降低合金收得率、产生回磷和钢水再氧化的现象，因此减少转炉出钢时下渣量能够有效提高钢水质量、提高合金收得率，为钢水精炼提供良好的条件。红外测温式检测系统直接提供探测到的物体表面各点的红外辐射温度，即探测到的为一次量，温度测量范围是300～2000℃，一般分辨率能达到1℃以下。因此近年来，这种方式因其较高的测量分辨率、良好的环境适应能力在钢铁行业得到广泛的应用，可在铁水温度测量过程中用于区分铁水与熔渣。基于红外测温原理的转炉出钢下渣检测系统，使用红外测温系统对出钢注流的温度进行测量，并根据钢水、钢渣在远红外波段红外辐射率具有较大差异这一特性对钢水、钢渣进行区分，实时计算含渣量。

目前测量大型圆柱壳在热锻的过程中的实时温度场依然是一个长期的挑战。针对这一问题可采用基于红外光谱的不稳定温度场测量方法。首先，结合谱色测温原理和三级法布里-佩罗特腔液晶可调谐滤波器，设计红外温度测量系统来检测大型圆柱壳热锻时的表面温度场。其次，建立了二维非稳态传热模型的；在该模型的基础上，获得大型圆柱壳在热锻过程中表面温度场的同时还可获得内部温度场，而且这样设计的系统所收集的表面温度场是连续的。

总之，在现代工业生产中非接触的红外测温仪因其快速、准确、便捷、价廉、使用寿命长等优势，正被越来越多的企业和厂家所认识，在冶金、电力、交通、石化、橡胶、食品等行业得到广泛的应用，其未来的应用前景也将会更加的广阔。

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