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費(fèi)勉100問(wèn)第七期 | 紅外測(cè)溫

時(shí)間:2020.03.13來(lái)源 :點(diǎn)擊次數(shù):2014次
19.紅外測(cè)溫儀的工作原理?物距比是什么意思?不同材質(zhì)同種溫度下,紅外測(cè)溫測(cè)出的溫度會(huì)有差別嗎?

自然界物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí),由于內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在不斷向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位于0.75 ~ 100μm 的紅外線。紅外測(cè)溫儀正是利用這一原理制作而成的,具有使用方便,反應(yīng)速度快,靈敏度高,測(cè)溫范圍廣,可實(shí)現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)。

常用測(cè)溫方法對(duì)比



黑體輻射

黑體是一種理想化的輻射體,它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量,沒(méi)有能量的反射和透過(guò),其表面的發(fā)射率為1,其它物質(zhì)反射系數(shù)小于1,稱(chēng)為灰體。自然界中并不存在真正的黑體,但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律,在理論研究中必須選擇合適的模型。普朗克黑體輻射定律,即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度,是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn),如下圖所示。





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)。

隨著溫度升高,輻射峰值向短波方向移動(dòng)(向左),并滿足維恩位移定理T *λm = 2897.8 μm*K,峰值處的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度Τ 成反比,虛線為λm 處峰值連線。這個(gè)公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y(cè)溫儀多工作在短波處,低溫測(cè)溫儀多工作在長(zhǎng)波處。

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。

紅外測(cè)溫儀采用逐點(diǎn)分析的方式,即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上,并通過(guò)已知物體的發(fā)射率,將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同,紅外測(cè)溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同,但基本結(jié)構(gòu)大體相似,主要包括光學(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。

測(cè)試誤差

由于紅外測(cè)溫是非接觸式的,會(huì)存在著各種誤差,影響誤差的因素很多,除了儀器本身的因素外,主要表現(xiàn)在:

● 輻射率
輻射率是一個(gè)物體相對(duì)于黑體輻射能力大小的物理量,它除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸度等有關(guān),還與測(cè)試的方向有關(guān)。若物體為光潔表面時(shí),其方向性更為敏感。不同物質(zhì)的輻射率是不同的,紅外測(cè)溫儀從物體上接收到輻射能量大小正比于它的輻射率。

當(dāng)物體的輻射率越高,反射率就越小,背景和反射的影響就會(huì)越小,測(cè)試的準(zhǔn)確性也就越高;反之,背景溫度越高或反射率越高,對(duì)測(cè)試的影響就越大。此外,輻射率還與測(cè)試方向有關(guān),測(cè)試角度越大,測(cè)試誤差越大,測(cè)試角最好在30° 之內(nèi),一般不宜大于45°,如果不得不大于45°進(jìn)行測(cè)試,可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低輻射率進(jìn)行修正。

距離系數(shù)
距離系數(shù)(K=S:D)是測(cè)溫儀到目標(biāo)的距離S 與測(cè)溫目標(biāo)直徑D 的比值,它對(duì)紅外測(cè)溫的精確度有很大影響,K 值越大,分辨率越高。因此,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,以減小測(cè)量誤差。

在實(shí)際使用中,許多人忽略了測(cè)溫儀的光學(xué)分辨率。不管被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)直徑D 大小,打開(kāi)激光束對(duì)準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)就測(cè)試。實(shí)際上他們忽略了該測(cè)溫儀的S:D 值的要求,這樣測(cè)出的溫度會(huì)有一定的誤差。

目標(biāo)尺寸
被測(cè)物體和測(cè)溫儀視場(chǎng)決定了儀器測(cè)量的精度。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫時(shí),一般只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上確定面積的平均值。一般測(cè)試時(shí)有以下三種情況:
1> 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視場(chǎng)時(shí),測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響,就能顯示被測(cè)物體位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實(shí)溫度,這時(shí)的測(cè)試效果最好。
2> 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于測(cè)試視場(chǎng)時(shí),背景溫度已受到影響,但還比較小,測(cè)試效果一般。
3> 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)小于測(cè)試視場(chǎng)時(shí),背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視場(chǎng)干擾測(cè)溫讀數(shù),造成誤差。儀器僅顯示被測(cè)物體和背景溫度的加權(quán)平均值。因此建議在實(shí)際測(cè)溫時(shí),被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。





環(huán)境因素
被測(cè)物體所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量的結(jié)果有很大的影響,隨著環(huán)境溫度的升高,產(chǎn)生的附加輻射影響就越大,測(cè)溫的誤差也就越大。

紅外線在輻射的傳輸過(guò)程中,由于大氣的吸收作用,能量總要受到一定的衰減。大氣吸收是指在傳輸過(guò)程中使一部分紅外線輻射能量變成其它形式的能量,或以另一種光譜分布。大氣吸收程度隨空氣溫度變化而變化,被測(cè)物體距離越遠(yuǎn),大氣透射對(duì)溫度測(cè)量的影響就越大。所以,在室外進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí),應(yīng)盡量在無(wú)雨、無(wú)霧、空氣比較清晰的環(huán)境下進(jìn)行。在室內(nèi)進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí),應(yīng)在沒(méi)有水蒸氣的環(huán)境下進(jìn)行,這樣就可以在誤差最小的情況下測(cè)得較準(zhǔn)確的數(shù)值。

如何正確選擇紅外測(cè)溫儀

選擇紅外測(cè)溫儀可從三個(gè)方面考慮:

性能指標(biāo)方面,如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間等

環(huán)境和工作條件方面,如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等

● 其他選擇方面,如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等。

紅外測(cè)溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列,并備有各種選件和計(jì)算機(jī)軟件,每一系列中又有各種型號(hào)及規(guī)格。要從不同規(guī)格的各種型號(hào)測(cè)溫儀中選擇紅外測(cè)溫儀,應(yīng)注意如下幾個(gè)方面:

1> 首先要將測(cè)量要求和所要解決的問(wèn)題弄清,如被測(cè)目標(biāo)溫度,被測(cè)目標(biāo)大小,測(cè)量距離,被測(cè)目標(biāo)材料,目標(biāo)所處環(huán)境,響應(yīng)速度要求,測(cè)量精度要求,以及用便攜式還是在線式等;

2> 測(cè)量要求和所要解決的問(wèn)題與現(xiàn)有各種型號(hào)的測(cè)溫儀進(jìn)行對(duì)比,選擇出能夠滿足上述要求的儀器型號(hào);

3> 在眾多能滿足要求的型號(hào)中,選擇出性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。

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