紅外測溫原理及相關理論知識

三、紅外測溫原理及準確測溫條件
   （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、黑體輻射規律
黑體紅外輻射的基本規律揭示的是黑體發射的紅外熱輻射隨溫度及                        
圖1  光譜示意      波長的定量關系。
（1）黑體輻射的光譜分布規律（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，向整個半球空間發射的
輻射功率（簡稱為光譜輻射度）Mλb（T），與波長λ、溫度T滿足下列關系：
Mλb（λ、T）= C1λ-5[exp（C2/λT）－1]-1
（2）黑體輻射光譜的移動規律——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以下的近紅外區及可見光區。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。
（3）黑體輻射功率隨溫度的變化規律（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，都會自發地向外發射紅外輻射。而且，黑體單位面積發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，還與構成物體的材料性質及表面狀態等因素有關。
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，又稱黑度。常以ε表示。實際物體根據光譜發射率隨波長變化的形式，分為灰體和選擇性輻射體兩大類。灰體的發射率為小于1的常數；選擇性輻射體的發射率隨波長變化而變化。在波段比較狹窄的范圍，選擇性輻射體的發射率也可作為固定。實際物體引入發射率ε后，輻射規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系統的濾光作用，使目標物體表面的紅外輻射進入儀器的只能是預定工作波段。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系。紅外測溫儀器的光學系統只能接收視場面積發射的能量。因而轉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射的紅外輻射量有一定的函數關系，通過接收被測目標表面的紅外輻射量，應用軟件和計算機處理，顯示出目標表面溫度。
（二）紅外測溫準確的條件
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。
按照紅外測溫原理，測溫準確必須“被測目標充滿視場”。 假設被測目標直徑為φ’，視場直徑為φ。當φ’＞φ，說明 “被測目標充滿視場”。這樣，儀器通過光學系統接收視場范圍的目標物體發射的紅外輻射，運用輻射量與溫度間的函數關系，顯示出視場范圍物體的表面溫度。
（三）紅外測溫準確的判斷方法
1、根據光路圖判別
圖1表示3i測溫儀的光路圖。光路圖的橫坐標表示儀器的測量距離L；縱坐標表示視場直徑φ。若被測目標直徑為64mm，要保持準確測溫，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          度的變化沒有規律，所以顯示的溫度與目標溫度存
在差別，這 種差別稱為“失真”。要對直徑為40mm目標測溫，有效檢測 距離小于5m。如果進行計算，可以知道只有2.1 m。
根據光路圖判別，只要φ’≥φ，測溫準確。當φ’＜φ，測溫必然不準確。
2、根據光學分辨力KL（儀表距離系數）與現場距離系數KL’大小來判別
若KL≥KL’，必然φ’≥φ，測溫準確。當KL＜KL’，必然φ’＜φ，測溫必然不準確。
例如，若現場檢測直徑為40mm ，距離15m的導電接頭，現場距離系數KL’ =（1000mm/m）×15m÷40mm =375：1。當采用KL=375：1的測溫儀，如WHD4015規格檢測，測溫必然準確。當采用HAS-201（300：1）、3i（120：1）測溫儀測溫，必然不準確。
3、配網及高壓輸電線路檢測，必須采用調焦型規格，而且要保證φ’≥φ，才能準確測溫。
配網線路檢測的目標直徑十分小，目標直徑通常在20mm及以下；高壓輸電線路的檢測距離更遠。在國內外所有定焦型紅外測溫儀中，沒有合適的規格。只有選擇調焦型規格，通過調焦才能使視場直徑符合要求。
例如：
（1）要檢測10m遠，目標直徑為20mm的導電接頭溫度，KL’=500：1。如果采用定焦型測溫儀，國內外產品中沒有所需的規格可以保證φ’≥φ。如果采用調焦型WHT4020（500：1）規格，這種規格調焦到10m距離時，對應的視場直徑為20mm，可以準確測溫。
（2）要檢測30m遠，目標直徑為30mm的導電接頭溫度，KL’=1000：1。當采用調焦型WHT4040（1000：1）規格時，調焦到30m距離時，對應的視場直徑為30mm，所以可以準確測溫。

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