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紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示
2013-04-09
當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計(jì)算出被測目標(biāo)的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。
紅外系統(tǒng)：紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。
選擇紅外測溫儀可分為三個(gè)方面：性能指標(biāo)方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、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，也對(duì)測溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。隨著技術(shù)和不斷發(fā)展，紅外測溫儀最佳設(shè)計(jì)和新進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)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(gè)性能指標(biāo)。如Raytek（雷泰）產(chǎn)品覆蓋范圍為-50℃- +3000℃，但這不能由一種型號(hào)的紅外測溫儀來完成。每種型號(hào)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(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬。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由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。
確定目標(biāo)尺寸：紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對(duì)于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時(shí)，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會(huì)受到測量區(qū)域外面的背景影響。
對(duì)于Raytek（雷泰）雙色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，沒有充滿現(xiàn)場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)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(duì)于目標(biāo)細(xì)小，又處于運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)之中的目標(biāo)；有時(shí)在視場內(nèi)運(yùn)動(dòng)，或可能部分移出視場的目標(biāo)，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(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn)，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(biāo)。
確定光學(xué)分辨率（距離系靈敏）
光學(xué)分辨率由D與S之比確定，是測溫儀到目標(biāo)之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。
確定波長范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜響應(yīng)或波長。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(qū)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(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm、2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會(huì)透過）波長；測量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長；測低區(qū)區(qū)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，聚酯類選用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CO2用窄帶4.24-4.3μm波長，測火焰中的CO用窄帶4.64μm波長，測量火焰中的NO2用4.47μm波長。
確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測溫儀對(duì)被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。Raytek（雷泰）新型紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms。這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外測溫儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過程存在熱慣性時(shí)，測溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測目標(biāo)的情況相適應(yīng)。
信號(hào)處理功能：測量離散過程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過程不同，要求紅外測溫儀有信號(hào)處理功能（如峰值 保持、谷值保持、平均值）。如測溫傳送帶上的玻璃時(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)。
環(huán)境條件考慮：測溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測量結(jié)果有很大影響，應(yīng)加以考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(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)測溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測溫。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。當(dāng)煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信呈悍，雙色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，光纖雙色測溫儀是最佳選擇。
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