红外线测温仪的原理及应用
摘要：测量温度的方法有很多种，
温度计大致可以分为接触式测温仪表和非接触
式测温仪表两类。
其中接触式的有我们熟悉的液体式温度计，
热电偶式温度计和
热电阻式温度计等等。
关键词：红外线
测温
辐射
光纤
，温度是供热，供燃气，通风及空调系统中zui重要的参数之一。尤其在
热工测量过程中，
温度的程度往往是决定实验成败的关键。
因此，
一个
度高的测温仪器在工程中是的。
因此本文就温度测量工具中的红外线测
温仪的原理及应用进行一些介绍。
一，红外测温的理论原理
在自然界中，
当物体的温度高于零度时，
由于它内部热运动的存在，
就会不
断的向四周辐射电磁波，
其中就包含了波段位于
0.75μm~100μm
的红外线。
他zui
大的特点是在给定的温度和波长下，
物体发射的辐射能有一个zui大值，
这种物质
称为黑体，并设定他的反射系数为
1
，其他的物质反射系数小于
1
，称为灰体，
由于黑体的光谱辐射功率
P(
λ
Ｔ
)
与温度
T
之间满足普朗克定。说明在
温度
T
下，波长
λ
处单位面积上黑体的辐射功率为
P(
λ
Ｔ
)
。根据这个关系可
以得到图
1
的关系曲线，从图中可以看出：
（
1)
随着温度的升高，
物体的辐射能量越强。
这是红外辐射理论的出发点，
也是
单波段红外测温仪的设计依据。
（
2)
随着温度升高，
辐射峰值向短波方向移动
（向左
)
，
并且满足维恩位移定理
，
峰值处的波长
与温度
T
成反比，
虚线为
处峰值连线。
这个公式告诉我们为
什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。
（
3)
辐射能量随温度的变化率，
短波处比长波处大，
即短波处工作的测温仪相对
信噪比高（灵敏度高），抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特
别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。
二，的原理
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。
被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。
两信
号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，
使反馈源的光谱辐射亮度和物体
的光谱辐射亮度一样。显示器指出被测物体的亮度温度
三，的性能指标及作用
测温范围，显示分辩率，精度，工作环境温度范围，重复性，相对湿度，响应时
间，电源
响应光谱，尺寸，zui大值显示，重量，发射率等
1
，确定测温范围：测温范围是测温仪zui重要的一个性能指标。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。
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，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，
双色测
温仪是选择。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。
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，
而又要测量小的目标，
就应选择高光学分辨率的测温仪。
光学
分辨率越高，即增大
D
：
S
比值，测温仪的成本也越高。如果测温仪远离目标，
而目标又小，
就应选择高距离系数的测温仪。
对于固定焦距的测温仪，
在光学系
统焦点处为光斑zui小位置，
近于和远于焦点位置光斑都会增大。
存在两个距离系
数。
4
，
确定波长范围
：
目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对
于高反射率合金材料，
有低的或变化的发射率。
在高温区，
测量金属材料的
波长是近红外，
可选用
0.8
～
1.0
μ
m
。
其他温区可选用
1.6
μ
m,2.2
μ
m
和
3.9
μ
m
。
由于有些材料在一定波长上是透明的，
红外能量会穿透这些材料，
对这种材料应
选择特殊的波长。
5
，确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义
为到达zui后读数的
95%
能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示
系统的时间常数有关。
如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时，
要选
用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。然而，
并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。
对于静止的或目标热过程存在热
惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。
6
，信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红
外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供选用，如
测温传送带上的瓶子时，就要用峰值保持，其温度的输出信号传送至控制器内。
否则测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。
若用峰值保持，
设置测温仪响应时间
稍长于瓶子之间的时间间隔，这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。
7
，环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并
适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高，存在灰尘、烟雾
和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫
器等附件。
这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，
实现准确测温。
在确
定附件时，应尽可能要求标准化服务，以降低安装成本。
8
，红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被
测目标的温度。
如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，
则需退回厂家或维修
中心重新标定。
四，影响红外测温仪的主要因素
1
、测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径
D
是不同的，
因而在测量小目标时要注意目标距离。
红外测温仪距离系数
K
的定义
为：被测目标的距离
L
与被测目标的直径
D
之比，即
K=L/D
2
、选择被测物质发射率：红外测温仪一般都是按黑体（发射率
ε
=1.00
）分度
的，而实际上，物质的发射率都小于
1.00
。因此，在需要测量目标的真实温度
时，须设置发射率值。物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中
查得。
3
、强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯
直射）
，
则测量的准确性将受到影响，
因此可用物遮挡直射目标的强光以消除背
景光干扰。
4
、小目标的测量
⑴ 应将测温仪固定在三角架（可选附件）上
⑵ 需要调焦，即：用目镜中小黑点对准目标（目标应充满小黑点），将镜
头前后调整，
眼睛稍微晃动，
如果被测小黑圆点之间没有相对运动，
则调焦就已
完成
5.
温度输出功能
（
1
）数字信号输出——
RS232
、
RS485
，温度信号远传
（
2
）模拟信号输出——
0
～
5V
，
1
～
5V
，
0
～
10V
，
0/4
～
20
毫安，可以加入闭环
控制中。
（
3
）高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里
,
可设置高
,
低报
警值。高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的
LED
灯闪烁，蜂鸣器响，并有
AH
常开继电器接通。
五，红外测温仪的特点
1.
非接触测量：
它不需要接触到被测温度场的内部或表面，
因此，
不会干扰被测
温度场的状态，测温仪本身也
不受温度场的损伤。
2.
测量范围广：
因其是非接触测温，
所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，
而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。
一般情况下可测量负几十度到三
千
多度。
3.
测温速度快：即响应时问快。只要接收到目标的红
外辐射即可在短时间内定温。
4.
准确度高：
红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，
因此测量
精度高。
5.
灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可
进行微小温度场的温度测量和
6.
温度分布测量，
以及运动物体或转动物体的温度测量。
使用安全及使用寿命长。
六，的缺点
1.
易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等）
2.
对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大
3.
只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度
七，红外测温仪的使用注意事项
（
1
）必须准确确定被测物体的发射率
;
（
2
）避免周围环境高温物体的影响
;
(3
）对于透明材料，环境温度应低于被测物体温度
;
(4
）测温仪要垂直对准被测物体表面，在任何情况下，角度都不能超过
30℃
(5
）不能应用于光亮的或抛光的金属表面的测温，不能透过玻璃进行测温
;
(6
）正确选择跟离系数，目标直径必须充满视场
;
(7
）如果红外测温仪突然处于环境温度差为
20℃ 或更高的情况下，测量数据将
不准确，温度平衡后再取其测量的温度值。
.
八，改进方案
由于普通红外测温仪只限于测量物体外部温度，
不方便测量物体内部和存在障碍
物时的温度，
所以可以在其检测头部加一段光导纤维，
并在其前端装一个小视角
的透镜，
这样被测物体的辐射能经过透镜到光导纤维内部。
在光导纤维里面经过
多次反射传至检测器。
因为光纤可以自由弯曲，
使辐射能自由转向，
这就解决了
物体内部温度的测量问题，可以测量有障碍物挡住的角落等地方的温度。
例如，
在塑料挤压机内测量塑料温度，
涡轮机内通过静叶片的空隙来测量动叶片
的zui高温度和平均温度，并可以带有多个探头进行循环检测。
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，光纤红外测温的原理
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