主题：红外测温仪工作原理及应用（二）

  3.红外测温
　　3.1红外测温仪器的种类
　　红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（双瞄准，目标D 40mm，可达15 m）、WFHX330型（光学瞄准，目标D 50 mm，可达30 m）。美国生产的PM－20、30、40、50、HAS－201测温仪；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛的应用。DL－500 E可以应用于110～500 kV变电设备上，图像清晰，温度准确。红外热像仪，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美国PM－250，瑞典AGA－ THV510、550、570。近期，国产红外热像仪在昆明研制成功，实现了国产化。
　　3.2红外测温仪工作原理
　　了解红外测温仪的工作原理、技术指标、环境工作条件及操作和维修等是用户正确地选择和使用红外测温仪的基础。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。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪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按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。
　　一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外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，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。　
　　黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。
　　物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。
　　影响发射率的主要因纱在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
　　当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要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。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。
　　红外系统：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。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。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，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
　　3.3红外测温仪性能
　　红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中，激光瞄准器只做瞄准使用。其性能说明如表1。
　　
　　　　测温范围　　-32℃--400℃　　显示分辩率　　　0.1℃(<199.1℃时 )
　　　　精度　　　　23 ℃时±1%　　工作环境温度范围　　0--50 ℃
　　　　重复性　　　23 ℃时±1%　　相对湿度　　　　　30 ℃时 10—95%
　　　　响应时间　　500ms　　　　　电源　　　　　　　　9V
　　　　响应光谱　　7 -18micron　　尺寸　　　　　　　137 × 41 × 196mm
　　　　最大值显示　Have　　　　　 重量　　　　　　　270g
　　　　发射率　　　0.95Preset　　 防水　　　　　　　　根据消防部队要求特殊制作
表1红外测温仪性能
　　为了获得精确的温度读数，测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围之内，所谓“光点尺寸”（spot size）就是测温仪测量点的面积。您距离目标越远，光点尺寸就越大。右图所示为距离与光点尺寸的比率，或称D：S。在激光瞄准器型测温仪上，激光点在目标中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距离。
　　测量距离与光点尺寸
　　在定测量距离时，应确保目标直径等于或大于受测的光点尺寸。右图所标示的“1号物体”（object 1 ）与测量仪之间的距离正，因为目标比被测光点尺寸略大一些。而“2号物体”距离太远，因为目标小于受测的光点尺寸，即测温仪同在测量背景物体，从而降低了读数的精确性。
4.红外测温仪正确选择
　　选择红外测温仪可分为3个方面：
　　（1）性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、窗口、显示和输出、响应时间、保护附件等；
　　（2）环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等；
　　（3）其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等，也对测温仪的选择产生一定的影响。
　　随着技术和不断发展，红外测温仪最佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器，扩大了选择余地。其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等。在选择测温仪型号时应首先确定测量要求，如被测目标温度，被测目标大小，测量距离，被测目标材料，目标所处环境，响应速度，测量精度，用便携式还是在线式等等；在现有各种型号的测温仪对比中，选出能够满足上述要求的仪器型号；在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性能、功能和价格方面的最佳搭配。
　　4.1确定测温范围
　　确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如Raytek（雷泰）产品覆盖范围为-50℃- +3000℃，但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。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。测温范围过宽，会降低测温精度。例如，如果被测目标温度为1000摄氏度，首先确定在线式还是便携式，如果是便携式。满足这一温度的型号很多，如3iLR3，3i2M，3i1M。如果测量精度是主要的，最好选用2M或1M型号的，因为如果选用3iLR型，其测温范围很宽，则高温测量性能便差一些；如果用户除测量1000摄氏度的目标外，还要照顾低温目标，那只好选择3iLR3。
　　4.2确定目标尺寸
　　红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于比色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标，比色测温仪是最佳选择。这是由于光线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。
　　对于Raytek（雷泰）双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，没有充满现场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95%的情况下，仍能保证要求的测温精度。对于目标细小，又处于运动或振动之中的目标；有时在视场内运动，或可能部分移出视场的目标，在此条件下，使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准，测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下，双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量，因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。
　　4.3确定距离系数（光学分辨率）
　　距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目