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計量論壇

標(biāo)題: 紅外測溫原理及相關(guān)理論知識 [打印本頁]

作者: liaoxiaohua 時間: 2009-3-13 17:34
標(biāo)題: 紅外測溫原理及相關(guān)理論知識
三、紅外測溫原理及準(zhǔn)確測溫條件
（一）紅外測溫原理
  1、紅外輻射（紅外線、紅外光）
紅外線是電磁波譜中，波長0.76μm~1000μm范圍的電磁輻射，位于紅外光與無線電波之間。與可見光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同時具有粒子性。對人的眼睛不敏感，要用對紅外敏感的探測器才能接收到。紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射。熱輻射包括紫外光、可見光輻射，但是在0.76μm~40μm紅外輻射熱效應(yīng)最大。
自然界中一切溫度高于絕對零度的有生命和無生命的物體，時時刻刻都在不停地輻射紅外線。輻射的量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定；特別熱輻射的強度及光譜成份取決于輻射體的溫度。
2、黑體輻射規(guī)律
黑體紅外輻射的基本規(guī)律揭示的是黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及
圖1  光譜示意    波長的定量關(guān)系。
（1）黑體輻射的光譜分布規(guī)律（量子理論）——普朗克輻射定律
普朗克輻射定律表明黑體的單位表面積在波長λ附近的單位波長間隔內(nèi)，向整個半球空間發(fā)射的
輻射功率（簡稱為光譜輻射度）Mλb（T），與波長λ、溫度T滿足下列關(guān)系：
Mλb（λ、T）= C1λ-5[exp（C2/λT）－1]-1
（2）黑體輻射光譜的移動規(guī)律——維恩位移定律
維恩位移定律揭示黑體輻射光譜分布的峰值波長λm，隨其絕對溫度T成反比移動。其表達式為：
λm?T = 2897.8μm?K
一般強輻射體有50%以上的輻射能量集中在峰值波長附近， 2000K以上的灼熱金屬，輻射能大部分集中在3μm以下的近紅外區(qū)及可見光區(qū)。人體皮膚的輻射波長主要在2.5～15μm之間，峰值波長在9.5μm處，其中8～14μm波段的輻射能占總數(shù)的46%。溫度低于300K的室溫物體，75%的輻射能集中在10μm以上的紅外區(qū)。
（3）黑體輻射功率隨溫度的變化規(guī)律（全輻射量）——斯蒂芬－玻耳茲曼定律
斯蒂芬－玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏零度（-273.16℃）的物體，都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外輻射。而且，黑體單位面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。其表達式為：
Mb（T）= σT4
（4）黑體輻射的空間分布規(guī)律—朗伯余弦定律
圖2 朗伯余弦定律    朗伯余弦定律，就是黑體（或任何其他漫輻射體）在任意方向上的輻射                            強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比。其表達式為：
Iθ = I0cosθ
3、實際物體的輻射定律
（1）黑體與實際物體
黑體是一種理想化的物體，是在任何情況下對一切波長的入射輻射的吸收率都等于1的物體。實際物體對不同波長的入射輻射都有一定的反射，因此吸收率小于1。實際物體的發(fā)射和吸收輻射的量都低于相同條件下黑體的輻射量。并且輻射量除依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)成物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。
將實際物體與同溫度黑體輻射性能之比，作為物體的輻射系數(shù)，又稱黑度。常以ε表示。實際物體根據(jù)光譜發(fā)射率隨波長變化的形式，分為灰體和選擇性輻射體兩大類。灰體的發(fā)射率為小于1的常數(shù)；選擇性輻射體的發(fā)射率隨波長變化而變化。在波段比較狹窄的范圍，選擇性輻射體的發(fā)射率也可作為固定。實際物體引入發(fā)射率ε后，輻射規(guī)律可以下述形式表示：
Mλ（T）= ε（λ，T）? Mλb（T）
                        M （T）= ε（T）? σ?T4
4、紅外測溫原理
（1）紅外測溫儀器借助光學(xué)系統(tǒng)的濾光作用，使目標(biāo)物體表面的紅外輻射進入儀器的只能是預(yù)定工作波段。超過工作波段的其它輻射波長都被限制進入。
（2）物體表面的紅外輻射量還與表面積大小有關(guān)系。紅外測溫儀器的光學(xué)系統(tǒng)只能接收視場面積發(fā)射的能量。因而轉(zhuǎn)換成的溫度是代表視場面積物體的平均溫度。物體表面溫度均勻，平均溫度就是物體表面的真實溫度。
（3）紅外測溫儀器利用物體表面溫度與發(fā)射的紅外輻射量有一定的函數(shù)關(guān)系，通過接收被測目標(biāo)表面的紅外輻射量，應(yīng)用軟件和計算機處理，顯示出目標(biāo)表面溫度。
（二）紅外測溫準(zhǔn)確的條件
紅外測溫儀器泛指紅外測溫儀、紅外熱電視和紅外熱像儀。傳統(tǒng)紅外測溫只指紅外測溫儀的測溫。紅外測溫儀又稱紅外溫度計，屬于依法管理計量器具。它的準(zhǔn)確度（誤差、精度）必須符合《計量法》要求。為了保證精度，要定期開展檢定或校準(zhǔn)。
按照紅外測溫原理，測溫準(zhǔn)確必須“被測目標(biāo)充滿視場”。假設(shè)被測目標(biāo)直徑為φ’，視場直徑為φ。當(dāng)φ’＞φ，說明 “被測目標(biāo)充滿視場”。這樣，儀器通過光學(xué)系統(tǒng)接收視場范圍的目標(biāo)物體發(fā)射的紅外輻射，運用輻射量與溫度間的函數(shù)關(guān)系，顯示出視場范圍物體的表面溫度。
（三）紅外測溫準(zhǔn)確的判斷方法
1、根據(jù)光路圖判別
圖1表示3i測溫儀的光路圖。光路圖的橫坐標(biāo)表示儀器的測量距離L；縱坐標(biāo)表示視場直徑φ。若被測目標(biāo)直徑為64mm，要保持準(zhǔn)確測溫，儀器最大有效測距為5m。小于5m時，視場直徑都小于64mm，測溫都真實反映目標(biāo)表面溫度。若儀表測溫距離大于5m，測量時必然受到背景輻射
影響。由于目標(biāo)溫度與背景溫度不同，而且背景溫                                  圖3  3i（120：1）光路圖       度的變化沒有規(guī)律，所以顯示的溫度與目標(biāo)溫度存
在差別，這種差別稱為“失真”。要對直徑為40mm目標(biāo)測溫，有效檢測距離小于5m。如果進行計算，可以知道只有2.1 m。
根據(jù)光路圖判別，只要φ’≥φ，測溫準(zhǔn)確。當(dāng)φ’＜φ，測溫必然不準(zhǔn)確。
2、根據(jù)光學(xué)分辨力KL（儀表距離系數(shù)）與現(xiàn)場距離系數(shù)KL’大小來判別
若KL≥KL’，必然φ’≥φ，測溫準(zhǔn)確。當(dāng)KL＜KL’，必然φ’＜φ，測溫必然不準(zhǔn)確。
例如，若現(xiàn)場檢測直徑為40mm ，距離15m的導(dǎo)電接頭，現(xiàn)場距離系數(shù)KL’ =（1000mm/m）×15m÷40mm =375：1。當(dāng)采用KL=375：1的測溫儀，如WHD4015規(guī)格檢測，測溫必然準(zhǔn)確。當(dāng)采用HAS-201（300：1）、3i（120：1）測溫儀測溫，必然不準(zhǔn)確。
3、配網(wǎng)及高壓輸電線路檢測，必須采用調(diào)焦型規(guī)格，而且要保證φ’≥φ，才能準(zhǔn)確測溫。
配網(wǎng)線路檢測的目標(biāo)直徑十分小，目標(biāo)直徑通常在20mm及以下；高壓輸電線路的檢測距離更遠。在國內(nèi)外所有定焦型紅外測溫儀中，沒有合適的規(guī)格。只有選擇調(diào)焦型規(guī)格，通過調(diào)焦才能使視場直徑符合要求。
例如：
（1）要檢測10m遠，目標(biāo)直徑為20mm的導(dǎo)電接頭溫度，KL’=500：1。如果采用定焦型測溫儀，國內(nèi)外產(chǎn)品中沒有所需的規(guī)格可以保證φ’≥φ。如果采用調(diào)焦型WHT4020（500：1）規(guī)格，這種規(guī)格調(diào)焦到10m距離時，對應(yīng)的視場直徑為20mm，可以準(zhǔn)確測溫。
（2）要檢測30m遠，目標(biāo)直徑為30mm的導(dǎo)電接頭溫度，KL’=1000：1。當(dāng)采用調(diào)焦型WHT4040（1000：1）規(guī)格時，調(diào)焦到30m距離時，對應(yīng)的視場直徑為30mm，所以可以準(zhǔn)確測溫。

作者: 也木海峰 時間: 2009-3-15 21:17
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