基本介紹
- 中文名：紅外線溫度計
- 外文名： infrared thermometer
- 套用學科：物理
- 適用領域範圍：測量
產品特點,技術特點,基礎理論,熱像儀原理,熱像儀發展,熱像儀分類,儀器分類,測量光點,選購事項,
產品特點
紅外測溫技術在生產過程中，在產品質量控制和監測，設備線上故障診斷和安全保護以及節約能源等方面發揮了著重要作用。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術上得到迅速發展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用範圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著回響時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優點。非接觸紅外測溫儀包括攜帶型、線上式和掃描式三大系列，並備有各種選件和計算機軟體，每一系列中又有各種型號及規格。在不同規格的各種型號測溫儀中，正確選擇紅外測溫儀型號對用戶來說是十分重要的。
技術特點
紅外檢測技術是“九五”國家科技成果重點推廣項目，任何物體由於其自身分子的運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。紅外診斷技術正是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷設備發熱情況。套用紅外診技術的測試設備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱像儀等設備利用熱成像技術將這種看不見的“熱像”轉變成可見光圖像，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設備細微的熱狀態變化，準確反映設備內部、外部的發熱情況，可靠性高，對發現設備隱患非常有效。
紅外診斷技術對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預測，使傳統電氣設備的預防性試驗維修(預防試驗是50年代引進前蘇聯的標準)提高到預知狀態檢修，這也是現代電力企業發展的方向。特別是大機組、超高電壓的發展，對電力系統的可靠運行，關係到電網的穩定，提出了越來越高的要求。隨著現代科學技術不斷發展成熟與日益完善，利用紅外狀態監測和診斷技術具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準確、快速、直觀等特點，實時地線上監測和診斷電氣設備大多數故障(幾乎可以覆蓋所有電氣設備各種故障的檢測)。它備受國內外電力行業的重視(國外70年代後期普遍套用的一種先進狀態檢修體制)，並得到快速發展。紅外檢測技術的套用，對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經濟效益，降低維修成本都有很重要的意義。是在預知檢修領域中普遍推廣的一種很好手段，又能使維修水平和設備的健康水平上一個台階。
帶電設備的紅外診斷技術是一門新興的學科。它是利用帶電設備的致熱效應，採用專用設備獲取從設備表面發出的紅外輻射信息，進而判斷設備狀況和缺陷性質的一門綜合技術。
基礎理論
1672年，人們發現太陽光（白光）是由各種顏色的光複合而成，同時，牛頓做出了單色光在性質上比白色光更簡單的著名結論。使用分光稜鏡就把太陽光（白光）分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光。1800年，英國物理學家F. W. 赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，發現了紅外線。他在研究各種色光的熱量時，有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住，並在板上開了一個矩形孔，孔內裝一個分光稜鏡。當太陽光通過稜鏡時，便被分解為彩色光帶，並用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環境溫度進行比較，赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計來測定周圍環境溫度。試驗中，他偶然發現一個奇怪的現象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內其他溫度的批示數值高。經過反覆試驗，這個所謂熱量最多的高溫區，總是位於光帶最邊緣處紅光的外面。於是他宣布太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位於紅色光外側，叫做紅外線。紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質，紅外線的發現是人類對自然認識的一次飛躍，對研究、利用和發展紅外技術領域開闢了一條全新的廣闊道路。
紅外線的波長在0.76～1000μm之間，按波長的範圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類，它在電磁波連續頻譜中的位置是處於無線電波與可見光之間的區域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基於任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，並不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。
溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號後，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫並進行分析判斷。
熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統（先進的焦平面技術則省去了光機掃描系統）接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學系統和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構（焦平面熱像儀無此機構）對被測物體的紅外熱像進行掃描，並聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉換成電信號，經放大處理、轉換或標準視頻信號通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應；實質上是被測目標物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由於信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實際動作過程中為更有效地判斷被測目標的紅外熱分布場，常採用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實標校正，偽色彩描繪等技術
熱像儀發展
二次世界大戰後，首先由美國德克薩蘭儀器公司經過近一年的探索，開發研製的第一代用於軍事領域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統（FLIR），它是利用光學機械系統對被測目標的紅外輻射掃描。由光子探測器接收兩維紅外輻射跡象，經光電轉換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號。這種系統、原始的形式是一種非實時的自動溫度分布記錄儀，後來隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測器的發展，才開始出現高速掃描及實時顯示目標熱圖像的系統。
六十年代早期，瑞典AGA公司研製成功第二代紅外成像裝置，它是在紅外尋視系統的基礎上以增加了測溫的功能，稱之為紅外熱像儀。
開始由於保密的原因，在發達的國家中也僅限于軍用，投入套用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕雲霧中探測對方的目標，探測偽裝的目標和高速運動的目標。由於有國家經費的支撐，投入的研製開發費用很大，儀器的成本也很高。以後考慮到在工業生產發展中的實用性，結合工業紅外探測的特點，採取壓縮儀器造價。降低生產成本並根據民用的要求，通過減小掃描速度來提高圖像解析度等措施逐漸發展到民用領域。
六十年代中期，AGA公司研製出第一套工業用的實時成像系統（THV），該系統由液氮致冷，110V電源電壓供電，重約35公斤，因此使用中便攜性很差，經過對儀器的幾代改進，1986年研製的紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電；1988年推出的全功能熱像儀，將溫度的測量、修改、分析、圖像採集、存儲合於一體，重量小於7公斤，儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。
九十年代中期，美國FSI公司首先研製成功由軍用技術（FPA）轉民用並商品化的新一紅外熱像儀（CCD）屬焦平面陣列式結構的一種凝成像裝置，技術功能更加先進，現場測溫時只需對準目標攝取圖像，並將上述信息存儲到機內的PC卡上，即完成全部操作，各種參數的設定可回到室內用軟體進行修改和分析數據，最後直接得出檢測報告，由於技術的改進和結構的改變，取代了複雜的機械掃描，儀器重量已小於二公斤，使用中如同手持攝像機一樣，單手即可方便地操作。
熱像儀分類
紅外熱像儀一般分光機掃描成像系統和非掃描成像系統。光機掃描成像系統採用單元或多元（元數有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光電導或光伏紅外探測器，用單元探測器時速度慢，主要是幀幅回響的時間不夠快，多元陣列探測器可做成高速實時熱像儀。非掃描成像的熱像儀，如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優於光機掃描式熱像儀，有逐步取代光機掃描式熱像儀的趨勢。其關鍵技術是探測器由單片積體電路組成，被測目標的整個視野都聚焦在上面，並且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時具有自動調焦圖像凍結，連續放大，點溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能，儀器採用PC卡，存儲容量可高達500幅圖像。
2.3.2探測器類型；探測器類型是指使用的一種紅外器件。是採用單元或多元（元數8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光電導或光伏紅外探測器，其採用的元素有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和矽摻雜（Si：X）等。
2.3.4顯示方式；指螢幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
2.3.5溫度測定範圍；指測定溫度的最低限與最高限的溫度值的範圍。
2.3.7最大工作時間；紅外熱像儀允許連續的工作時間。
3.紅外測溫
儀器分類
紅外測溫儀器
紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點溫儀）。60年代我國研製成功第一台紅外測溫儀，1990年以後又陸續生產小目標、遠距離、適合電業生產特點的測溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準，目標D 40mm，可達15 m）、WFHX330型（光學瞄準，目標D 50 mm，可達30 m）。美國生產的PM－20、30、40、50、HAS－201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的套用。DL－500 E可以套用於110～500 kV變電設備上，圖像清晰，溫度準確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國PM－250，瑞典AGA－ THV510、550、570。國產紅外熱像儀在昆明研製成功，實現了國產化。
測溫儀原理
了解紅外測溫儀的工作原理、技術指標、環境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎。光學系統匯集其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上並轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發射率校正後轉變為被測目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。
一切溫度高於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——與它的表面溫度有著十分密切的關係。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。
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。
當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段範圍內的紅外輻射量，然後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。
紅外系統：紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場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並轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，並按照儀器內療的算法和目標發射率校正後轉變為被測目標的溫度值。
測溫儀性能
紅外測溫儀是通過接收目標物體發射、反射和傳導的能量來測量其表面溫度。測溫儀內的探測元件將採集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然後轉換成溫度讀數顯示。在帶雷射瞄準器的型號中，雷射瞄準器只做瞄準使用。其性能說明如表1。
測溫範圍 -32℃--400℃ 顯示解析度 0.1℃(<199.1℃時 )
精度 23 ℃時±1% 工作環境溫度範圍 0--50 ℃
重複性 23 ℃時±1% 相對濕度 30 ℃時 10—95%
回響時間 500ms 電源 9V
回響光譜 7 -18micron 尺寸 137 × 41 × 196mm
最大值顯示 Have 重量 270g
發射率 0.95Preset 防水 根據消防部隊要求特殊製作
表1紅外測溫儀性能
為了獲得精確的溫度讀數，測溫儀與測試目標之間的距離必須在合適的範圍之內，所謂“光點尺寸”（spot size）就是測溫儀測量點的面積。您距離目標越遠，光點尺寸就越大。右圖所示為距離與光點尺寸的比率，或稱D：S。在雷射瞄準器型測溫儀上，雷射點在目標中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距離。
測量光點
在定測量距離時，應確保目標直徑等於或大於受測的光點尺寸。右圖所標示的“1號物體”（object 1 ）與測量儀之間的距離正，因為目標比被測光點尺寸略大一些。而“2號物體”距離太遠，因為目標小於受測的光點尺寸，即測溫儀同在測量背景物體，從而降低了讀數的精確性。
選購事項
紅外測溫儀正確選擇
選擇紅外測溫儀可分為3個方面：
（1）性能指標方面，如溫度範圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、視窗、顯示和輸出、回響時間、保護附屬檔案等；
（2）環境和工作條件方面，如環境溫度、視窗、顯示和輸出、保護附屬檔案等；
（3）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，擴大了選擇餘地。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等。在選擇測溫儀型號時應首先確定測量要求，如被測目標溫度，被測目標大小，測量距離，被測目標材料，目標所處環境，回響速度，測量精度，用攜帶型還是線上式等等；在現有各種型號的測溫儀對比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號；在諸多能夠滿足上述要求的型號中選擇出在性能、功能和價格方面的最佳搭配。
確定測溫範圍
確定測溫範圍：測溫範圍是測溫儀最重要的一個性能指標。如Raytek（雷泰）產品覆蓋範圍為-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範圍。因此，用戶的被測溫度範圍一定要考慮準確、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，測溫時應儘量選用短波較好。一般來說，測溫範圍越窄，監控溫度的輸出信號解析度越高，精度可靠性容易解決。測溫範圍過寬，會降低測溫精度。例如，如果被測目標溫度為1000攝氏度，首先確定線上式還是攜帶型，如果是攜帶型。滿足這一溫度的型號很多，如3iLR3，3i2M，3i1M。如果測量精度是主要的，最好選用2M或1M型號的，因為如果選用3iLR型，其測溫範圍很寬，則高溫測量性能便差一些；如果用戶除測量1000攝氏度的目標外，還要照顧低溫目標，那隻好選擇3iLR3。
確定目標尺寸
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）。對於單色測溫儀，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。如果目標尺寸小於視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支幹擾測溫讀數，造成誤差。相反，如果目標大於測溫儀的視場，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，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不對測量結果產生重大影響。對於細小而又處於運動或震動之中的目標，比色測溫儀是最佳選擇。這是由於光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和摺疊的通道上傳輸光輻射能量。
對於Raytek（雷泰）雙色測溫儀，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。對於目標細小，又處於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。這是由於其直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和摺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。
確定距離係數（光學解析度）
距離係數由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果測溫儀由於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，就應選擇高光學解析度的測溫儀。光學解析度越高，即增大D：S比值，測溫儀的成本也越高。Raytek紅外測溫儀D：S的範圍從2：1（低距離係數）到高於300：1（高距離係數）。如果測溫儀遠離目標，而目標又小，就應選擇高距離係數的測溫儀。對於固定焦距的測溫儀，在光學系統焦點處為光斑最小位置，近於和遠於焦點位置光斑都會增大。存在兩個距離係數。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大於焦點處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個最小焦點位置，可根據到目標的距離進行調節。增大D：S，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離係數D：S很難做大，這就要增加儀器成本。
確定波長範圍
目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對於高反射率合金材料，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0.8～1.0μm。其他溫區可選用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由於有些材料在一定波長上是透明的，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1.0μm，2.2μm和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）波長；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區選用8～14μm為宜。如測量聚乙烯塑膠薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3μm或7.9μm，厚度超過0.4mm的選用8-14μm。如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中的NO2用4.47μm。
確定回響時間
回響時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最後讀數的95%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。Raytek（雷泰）新型紅外測溫儀回響時間可達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，要選用快速回響紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號回響，會降低測量精度。然而，並不是所有套用都要求快速回響的紅外測溫儀。對於靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的回響時間就可以放寬要求了。因此，紅外測溫儀回響時間的選擇要和被測目標的情況相適應。確定回響時間，主要根據目標的運動速度和目標的溫度變化速度。對於靜止的目標或目標參在熱慣性，或現有控制設備的速度受到限制，測溫儀的回響時間就可以放寬要求了。
信號處理功能
鑒於離散過程（如零件生產）和連續過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設定測溫儀回響時間稍長於瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處於測量之中。
環境條件考慮
測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應予考慮並適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。當環境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附屬檔案。這些附屬檔案可有效地解決環境影響並保護測溫儀，實現準確測溫。在確定附屬檔案時，應儘可能要求標準化服務，以降低安裝成本。當在噪聲、電磁場、震動或難以接近環境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時，光纖雙色測溫儀是最佳選擇。比色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場、震動和難以接近的環境條件下，或其他惡劣條件時，宜選擇光線比色測溫儀。
在密封的或危險的材料套用中（如容器或真空箱），測溫儀通過視窗進行觀測。材料必須有足夠的強度並能通過所用測溫儀的工作波長範圍。還要確定操作工是否也需要通過視窗進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和視窗材料，避免相互影響。在低溫測量套用中，通常用Ge或Si材料作為視窗，不透可見光，人眼不能通過視窗觀察目標。如操作員需要通過視窗目標，應採用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應採用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為視窗材料。
當測溫儀工作環境中存在易燃氣體時，可選用本徵安全型紅外測溫儀，從而在一定濃度的易燃氣體環境中進行安全測量和監視。
在環境條件惡劣複雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的系統，以便於安裝和配置。可選擇與現行控制設備相匹配的信號輸出形式。
紅外輻射測溫儀的標定
發射率對紅外測溫精度的影響
