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紅外測(cè)溫儀的工作原理及其應(yīng)用
摘要：紅外測(cè)溫的物理基礎(chǔ)是黑體輻射定律。具有非接觸測(cè)溫、測(cè)量結(jié)果迅速、準(zhǔn)確的特
點(diǎn)，同時(shí)在使用中也存在一些注意的問題。目前已在很多領(lǐng)域都有不同的應(yīng)用。 關(guān)鍵字：紅外；輻射；測(cè)溫儀
1. 概述
1800年，英國物理學(xué)家F．W．赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。當(dāng)時(shí)他稱之為“不可見之光”。之后，人們花了一百多年的時(shí)間認(rèn)識(shí)紅外輻射的電磁本質(zhì)，并建立了熱輻射的基本規(guī)律，為紅外技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。隨著光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外技術(shù)也日趨完善，其中紅外測(cè)溫技術(shù)也形成了完整的理論并成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)、礦業(yè)等領(lǐng)域。
2. 紅外測(cè)溫理論基礎(chǔ)
（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(shí)具有粒子性。對(duì)人的眼睛不敏感，要用對(duì)紅外敏感的探測(cè)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)zui大。
自然界中一切溫度高于零度的有生命和無生命的物體，時(shí)時(shí)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(qiáng)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波長的定量關(guān)系。黑體是一種理想物體，它們?cè)谙嗤臏囟认露及l(fā)出同樣的電磁波譜，而與黑體的具體成分和形狀等特性無關(guān)。斯特藩和玻耳茲曼通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出黑體輻射定律：
40)(TTMs=
式中：)(0TM—— 溫度為T時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻出度；s一—斯特藩玻耳茲曼常量；T一—物體溫度。
上式是黑體的熱輻射定律。實(shí)際物體(非黑體)的輻射定律一般比較復(fù)雜，需借助于黑體的輻射定律來研究。
設(shè)被測(cè)物體的溫度為T時(shí)，總輻出度為M 等于黑體在溫度為FT時(shí)的總輻出度Mo，即：
44
0,TTMMF
ess==
化簡得
4
1
e
FTT=
其中e為發(fā)射率，不同物體的發(fā)射率不同，具體材料的e值可通過查表或?qū)嶒?yàn)得到，T為被測(cè)物體的輻射溫度，所以已知被測(cè)物體的e和FT，就可算出物體的真實(shí)溫度。
3. 紅外測(cè)溫系統(tǒng)
紅外測(cè)溫系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。它的工作流程如下圖所示。被測(cè)物體輻射的紅外線首先進(jìn)入測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)， 光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)是匯聚射人的紅外線， 使能量更加集中； 聚集后的紅外線輸入到光電探測(cè)器中，探測(cè)器的關(guān)鍵部件是紅外線傳感器， 它的任務(wù)是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 從光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)被送進(jìn)信號(hào)放大器由電子線路進(jìn)行處理， 將電信號(hào)還原成溫度值； zui后由顯示器給出被測(cè)物體的溫度。
紅外測(cè)溫的方式可分為全場(chǎng)分析和逐點(diǎn)分析兩種。全場(chǎng)分析的方是用紅外成像鏡頭把物體的溫度分布圖象成像在傳感器陣列上，從而獲得物體空間溫度場(chǎng)的全場(chǎng)分布，全場(chǎng)分布探測(cè)系統(tǒng)稱為熱成像儀。逐點(diǎn)分析則是把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度，逐點(diǎn)分析系統(tǒng)常稱為紅外測(cè)溫儀。
由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外測(cè)溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、電信號(hào)處理系統(tǒng)等部分。如圖2所示，其中光學(xué)系統(tǒng)聚焦目標(biāo)物體的輻射能量。
紅外測(cè)溫儀的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)小型化和微型化。近年來，衍射型光學(xué)聚焦鏡、薄膜型紅外探測(cè)器、共振型壓電調(diào)制器制成的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，只有一個(gè)大功率晶體管那么大，*實(shí)現(xiàn)了微型化的目標(biāo)。在今年的甲流暴發(fā)時(shí)期，手持紅外測(cè)溫儀用來進(jìn)行人體體溫測(cè)量，不
被測(cè)物體 光學(xué)系統(tǒng)
光電探測(cè)器
信號(hào)放大器
信號(hào)處理器
顯示輸出
接觸人體，也不造成任何傷害，發(fā)揮了重要作用。
4. 紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)
由于紅外測(cè)溫是利用被測(cè)物體輻射的紅外線來確定其溫度的， 所以這種測(cè)溫方法具有其他測(cè)溫方法*的優(yōu)點(diǎn)。主要有：
( 1 ) 紅外測(cè)溫是非接觸測(cè)量。因此它可以用于溫度過高或過低、高電壓的區(qū)域以及高速運(yùn)
轉(zhuǎn)的機(jī)械溫度的測(cè)量， 而測(cè)量者不必靠近這些危險(xiǎn)的環(huán)境。
( 2 ) 紅外測(cè)溫反應(yīng)速度快。因?yàn)樗幌裢ǔ囟扔?jì)那樣，要等待溫度計(jì)內(nèi)測(cè)溫物質(zhì)與被測(cè)
物體達(dá)到熱平衡， 而只要接收到被測(cè)物體的紅外線即可。反應(yīng)時(shí)間一般在毫秒級(jí)至微秒級(jí)。
( 3 ) 紅外測(cè)溫靈敏度高。根據(jù)40)(
TTMs=，物體輻射能量跟溫度4 次方成正比， 所以只要溫度有微小的變化， 輻射能量就會(huì)有明顯的變化。
（4）紅外測(cè)溫度高。由于是非接觸測(cè)量，這樣測(cè)量過程不會(huì)改變被測(cè)物體的溫度，所以測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。
（5）紅外測(cè)溫范圍大。紅外測(cè)溫的原理決定了其測(cè)溫范圍大于通常的溫度計(jì)?，F(xiàn)在實(shí)用的
紅外測(cè)溫儀一般分為高、中、低三類，測(cè)溫范圍分別為：700℃以上、100℃~~700℃、100℃以下。
5.
紅外線測(cè)溫儀缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)
(1)缺點(diǎn)：
①易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等)。 ②對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大。
③只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度。 (2)使用注意事項(xiàng)：
①必須準(zhǔn)確確定被測(cè)物體的發(fā)射率。 ②避免周圍環(huán)境高溫物體的影響。
③對(duì)于透明材料，環(huán)境溫度應(yīng)低于被測(cè)物體溫度。
④測(cè)溫儀要垂直對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體表面，在任何情況下，角度都不能超過30℃。 ⑤不能應(yīng)用于光亮的或拋光的金屬表面的測(cè)溫，不能透過玻璃進(jìn)行測(cè)溫。
⑥如果紅外測(cè)溫儀突然處于環(huán)境溫度差為20℃ 或更高的情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，溫度平衡后再取其測(cè)量的溫度值。
由于普通紅外測(cè)溫儀只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度，所以可以在其檢測(cè)頭部加一段光導(dǎo)纖維，并在其前端裝一個(gè)小視角的透鏡，這樣被測(cè)物體的輻射能經(jīng)過透鏡到光導(dǎo)纖維內(nèi)部。在光導(dǎo)纖維里面經(jīng)過多次反射傳至檢測(cè)器。因?yàn)楣饫w可以自由彎曲，使輻射能自由轉(zhuǎn)向，這就解決了物體內(nèi)部溫度的測(cè)量問題，可以測(cè)量有障礙物擋住的角落等地方的溫度。
6. 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用
近年來，紅外測(cè)溫技術(shù)從一維測(cè)量發(fā)展為二維測(cè)量，并已應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。 (1)醫(yī)療領(lǐng)域。當(dāng)人體患病時(shí)，全身或局部的熱平衡遭到破壞，便在相應(yīng)部位的皮膚溫度上反映出來。紅外熱像儀可以對(duì)白血病、雷諾氏病及腫瘤作早期診斷，特別是對(duì)淺表性乳腺癌和皮膚癌的早期診斷更有效。另外，用紅外體溫計(jì)給小兒和精神病患者測(cè)量體溫省去了許多麻煩。
(2)工業(yè)領(lǐng)域。紅外測(cè)溫可用于火車軸溫檢測(cè)?；疖囕S箱會(huì)由于溫度過高而發(fā)生“燃軸”造成事故。把紅外測(cè)溫儀安裝在鐵道兩側(cè)，車過時(shí)，車輪的軸箱逐個(gè)掃過探測(cè)儀的視場(chǎng)，從而產(chǎn)生一系列的脈沖輸出，若某個(gè)軸箱的溫度允許的極限，就可采取措施，其檢測(cè)的準(zhǔn)確率在95％以上。又如高壓輸電線路的眾多接頭中，有的由于某些原因發(fā)熱成為熱接點(diǎn)，可用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行快速、連續(xù)的非接觸測(cè)量。另外，還可用于爐溫檢測(cè)、壓延鋼板的溫度分布的測(cè)定等。
7. 結(jié)束語
紅外輻射存在普遍性，決定了紅外測(cè)溫應(yīng)用的廣泛性。目前，世界范圍內(nèi)對(duì)紅外測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用正方興未艾，不同的需要，將促使更多型號(hào)的紅外測(cè)溫儀產(chǎn)生。隨著微機(jī)和光纖的廣泛應(yīng)用，將使紅外測(cè)溫儀的性能逐漸完善。
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