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紅外線測溫儀簡介

發布時間:2015-9-30 11:01:45  打印本頁 || 關閉窗口

 1 起源    

紅外測溫技術已發展到可對有熱變化表面進行掃描測溫,確定其溫度分布圖像,迅速檢測出隱藏的溫差, 這就是紅外熱像儀.紅外熱像儀**先應用于軍事上,美國TI公司19年研制出世界上****臺紅外掃描偵察系統。以后,紅外熱成像技術在西方國家陸續用于飛機、坦克、軍艦和其他武器上,作為偵察目標的熱瞄系統,大大提高了搜索、命中目標的能力。瑞典AGA公司生產的紅外熱像儀在民用技術上處于領先地位。但是,怎樣使紅外測溫技術得到廣泛應用,怎樣能得到百分百準確的溫度,目前仍然是一個值得研究的應用課題。

2 原理

  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、顯示輸出等部分組成。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目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

  在自然界中,一切溫度高于****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,便能準確地測定它的表面溫度,這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

  紅外測溫儀原理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 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素在: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。

3 使用

  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。可節省大量開支,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。

4 選擇

  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****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。[1]

4.1 確定測溫范圍

  測溫范圍是測溫儀**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。

4.2 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****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****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。

4.3 確定光學分辨率(距離及靈敏)

  光學分辨率由DS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。

4.4 確定波長范圍

  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****波長是近紅外,可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區可選用1.6μm2.2μm3.9μm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10μm2.2μm3.9μm(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4.3μm7.9μm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N024.47μm波長。

4.5 信號處理功能

  測量離散過程(如零件生產)和連續過程不同,要求紅外測溫儀有信號處理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。如測溫傳送帶上的玻璃時,就要用峰值保持,其溫度的輸出信號傳送至控制器內。

4.6 確定響應時間

  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**后讀數的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。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。

4.7 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,應加以考慮、并適當解決,否則會影響測溫精度甚至引起測溫儀的損壞。當環境溫度過高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下,可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環境影響并保護測溫儀,實現準確測溫。在確定附件時,應盡可能要求標準化服務,以降低安裝成本。調查煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信號,雙色測溫儀是****選擇。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,光纖雙色測溫儀是****選擇。

  在密封的或危險的材料應用中(如容器或真空箱),測溫儀通過窗口進行觀測。材料必須有足夠的強度并能通過所用測溫儀的工作波長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察,因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料,避免相互影響。在低溫測量應用中,通常用GeSi材料作為窗口,不透可見光,人眼不能通過窗口觀察目標。如操作員需要通過窗口目標,應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料,如應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料,ZnSeBaF2等作為窗口材料。

5 使用問題

  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****紅外溫度讀數。但可通過紅外窗口測溫。紅外測溫儀****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****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。

6 維護

  1.更換電池

  要安裝或更換電池,按圖 所示打開電池盒并放入電池。

  2.清潔透鏡

  使用干凈的壓縮空氣吹走脫落的粒子。用濕棉簽小心地擦拭表面。棉簽可用清水濕潤。

  3.清潔機殼

  用肥皂和清水沾濕海綿或軟布。為避免損壞測溫儀,切勿將儀器浸入水中。

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