紅外測溫儀的組成與系統結構

紅外測溫儀是由光學系統、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，視場距離的大小由測溫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并轉變為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和與目標發射率校正后從而轉變為被測目標的溫度值。

（圖源網絡，侵刪）

紅外測溫儀工作原理

　　紅外測溫儀是由光學系統、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，視場距離的大小由測溫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并轉變為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和與目標發射率校正后從而轉變為被測目標的溫度值。

　　在自然界中，一切溫度高于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布——與物體的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定物體的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

　　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。但是，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，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。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法、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于所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于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紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。

　　當用紅外測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例;雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。

選擇紅外測溫儀可分為三個方面

　　性能指標方面,如溫度范圍、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,如環境溫度、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,也對測溫儀的選擇產生一定的影響。隨著技術和不斷發展,紅外測溫儀最佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器,擴大了選擇余地。

　　確定測溫范圍

　　測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。如 TIME(時代)、Raytek(雷泰)產品覆蓋范圍為-50℃-+3000℃,但這不能由一種型號的紅外測溫儀來完成。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此,用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全,既不要過窄,也不要過寬。根據黑體輻射定律,在光譜的短波段由溫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,測溫時應盡量選用短波較好。確定目標的物距比紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀(輻射比色測溫儀)。對于單色測溫儀,在進行測溫時,被測目標面積應充滿測溫儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場,背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數,造成誤差。相反,如果目標大于測溫儀的視場,測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響。

對于Raytek(雷泰)雙色測溫儀,其溫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,仍能保證要求的測溫精度。對于目標細小,又處于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,使用雙色測溫儀是最佳選擇。如果測溫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,雙色光纖測溫儀是最佳選擇。這是由于其直徑小,有柔性,可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量,因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。確定紅外測溫儀光學分辨率(距離及靈敏)光學分辨率由D與S之比確定,是測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于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溫儀。光學分辨率越高,即增大D:S比值,測溫儀的成本也越高。確定紅外測溫儀的波長范圍。

　　目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應或波長。對于高反射率合金材料,有低的或變化的發射率。在高溫區,測量金屬材料的最佳波長是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由于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。如測量玻璃內部溫度選用10μm、2.2μm和3.9μm(被測玻璃要很厚,否則會透過)波長;測量玻璃內部溫度選用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溫儀對被測溫度變化的反應速度,定義為到達最后讀數的95%(雙色比色光纖只需需5%能量)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。新型紅外測溫儀響應時間可達1ms。這要比接觸式測溫方法,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溫儀,否則達不到足夠的信號響應,會降低測量精度。然而,并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時,測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。因此,紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。為什么使用紅外測溫儀

　　紅外測溫儀已被證實是檢測和診斷電子設備故障的有效工具?？晒澥〈罅块_支，用紅外測溫儀，你可連續診斷電子連接問題和通過查找在 DC電池上的輸出濾波器連接處的熱點，以檢測不間斷電源(UPS)的功能狀態，你可檢驗電池組件和功率配電盤接線端子，開關齒輪或保險絲連接，防止能源消耗;由于松的連接器和組合會產生熱，紅外測溫儀有助于識別回路中斷器的絕緣故障.或監視電子壓縮機;日常掃描變壓器的熱點可探測開裂的繞組和接線端子。使用紅外測溫儀的好處便捷紅外測溫儀可快速提供溫度測量，在用熱偶讀取一個滲漏連接點的時間內，用紅外測溫儀幾乎可以讀取所有連接點的溫度。另外由于紅外測溫儀堅實.輕巧，且不用時易于放在皮套中。在工廠巡視和日常檢驗工作時都可攜帶。

　　精確紅外測溫儀通常精度都是1度以內。這種性能在做預防性維護時特別重要，如監視惡劣生產條件和將導致設備損壞或停機的特別事件時。用紅外測溫儀，你甚至可快速探測操作溫度的微小變化，在其萌芽之時就可將問題解決，減少因設備故障造成的開支和維修的范圍。

　　安全紅外測溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度，可以在儀器允許的范圍內讀取目標溫度。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區域進行，精確測量就象在手邊測量一樣容易。紅外測溫儀在設備故障診斷時的使用設備故障紅外診斷最核心的問題，是要求準確地獲得被測設備的溫度分布或故障相關部位溫度值與溫升值。這個溫度信息不僅是判斷設備有無故障的依據，也是判斷故障屬性、位置、嚴重程度的客觀依據。

因此，對被測設備故障相關部位溫度的計算與合理修正，將是提高檢測設備表面溫度準確性的關鍵環節。然而在現場進行設備紅外檢測時，由于檢測條件和環境的影響變化，可能導致同一設備因檢測條件不同，而得到不同的結果。因此，為了提高紅外檢測的準確度，必須對現場檢測過程中或對檢測結果的分析處理中，采取相應的對策與措施或選擇良好的檢測條件，或對檢測現場結果進行合理的修正。選擇紅外測溫儀考慮的因素性能指標方面：如溫度范圍、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,如環境溫度、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,也對測溫儀的選擇產生一定的影響。隨著技術和不斷發展, 紅外測溫儀最佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器,擴大了選擇余地。

　　確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。因此,用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全,既不要過窄,也不要過寬。根據黑體輻射定律,在光譜的短波段由溫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,測溫時應盡量選用短波較好。確定光學分辨率(距離及靈敏)：光學分辨率由D與 S之比確定,是測溫儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于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溫儀。光學分辨率越高,即增大D:S比值,測溫儀的成本也越高。

紅外測溫儀使用時應注意哪些問題？

　　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。

　　紅外測溫儀使用時應注意的問題：

　　1、只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內部溫度。

　　2、波長在5um以上不能透過石英玻璃進行測溫，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)。

　　3、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。

　　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溫。

　　5、環境溫度，如果測溫儀突然暴露在環境溫差為20℃或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節到新的環境溫度。

（手持紅外測溫儀結構，圖源網絡）

　　紅外測溫儀的系統組成

　　紅外測溫儀采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發射率，將輻射功率轉化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設計和內部結構不盡相同，但基本結構大體相似，主要包括光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。

　　當輻射體發出的紅外輻射，進入紅外測溫儀的光學系統，經調制器把紅外輻射調制成交變輻射，由探測器轉變成為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。