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时间:2019-01-03
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1、红外线测温法原理W.R.Barron,WilliamsonCorporation红外线测温法的原理是对精确监测系统进行详细说明的重要前提。遗憾的是,许多用户没有花时间来了解基本原理,因此他们会认为非接触式温度测量是不精确的。精确的。温度测量可以分为两类:接触式和非接触式。接触式热电偶、RTD和温度计在温度测量应用中最为普遍。由于测量的是它们自身的温度因此它们必须接触目标,它们的响应相对较慢,但它们比较便宜。非接触式温度传感器测量目标发射的红外线能量,它们响应快,通常用来测量移动目标或间歇性目标,真空中的目标,以及测量由于恶劣环境、结构限制或安全隐患而无法接近的目标。它们的成本较高,但在某些情况
2、下,它们的成本与非接触式设备相当。红外线辐射由艾萨克·牛顿爵士于1666年发现,他通过让白色光透过玻璃棱镜,将白色光束分解成彩虹的颜色,从阳光中分离出电磁能量。1800年,威廉·赫歇尔爵士进一步测量了每种颜色的相对能量。他还发现了可见光以外的能量。20世纪初,普朗克、斯蒂芬、玻尔兹曼、维恩和基尔霍夫进一步确定了电磁波谱的活动,并且发展了用来确定红外线能量的定量数据和方程式。这项研究使人们有可能利用基本黑体辐射曲线(参见图1)确定红外线能量。从该图中可以得出,温度高于-273˚C的物体辐射出的能量数量与其温度的四次方成比例。黑体辐射概念是红外线测量法的基础。然而,术语"发射率"为这些基本物理定律
3、增加了变数。发射率衡量灰体(非黑体)放射出的热辐射量与相同温度的黑体的热辐射量之比。(灰体指在所有波长具有相同光谱发射率的物体;非灰体指发射率随波长而改变的物体,例如铝。)图1:如在600˚F~1200˚F温度范围内黑体发射的能量分布的曲线所示,主辐射位于0.5-14μm的红外区,远离可见光区。能量守恒定律说明辐射(吸收)的透射、反射和发射的系数之和必须等于1:tλl+rλ+aλ=1并且发射率等于吸收Eλ=aλ因此:Eλ=1-tλ-rλ此发射率系数可以作为变量放入普朗克方程式中,描述相对于波长的物体表面特征。大多数被测物体是不透明的,发射率系数可以简化成:Eλ=1-rλl玻璃、塑料和硅等材料是
4、例外,但是通过选择适当的光谱滤光,可以在这些物体的不透明红外线区测量它们。通常,对于发射率误差会有很多混淆之处,但用户只需记住下面四条:·-红外线传感器不能辨别颜色,这是固有的。·-如果目标反光(例如镜子),请注意,您不仅仅按照需要的那样测量发射的辐射能量,而且还要测量反射的辐射能量。·-如果可以看透目标,需要选择红外线滤光(例如,在5μm波长时玻璃是不透明的)。·-10项应用中有9项不需要绝对温度测量。重复性和无漂移操作提供了严密的温度控制。如果表面闪光,可手动或者自动进行发射率调整来校正发射率误差。对于大多数应用,这是一种简单的办法。在发射率变化并且造成处理问题时,请考虑使用双波长或多波长
5、辐射测量法解决发射率问题。设计元素红外线温度计有种类繁多的配置,包括光学器件、电子器件、技术、尺寸和保护性壳体。但它们都具有一系列红外线能量接收组件和电子信号输出组件。基本组件系列包括汇聚光学器件、镜头和/或光纤、光谱滤光以及探测器作为前端。动态处理有多种形式,但是可以总结为放大、热稳定性、线性化以及信号调节。普通窗户玻璃在短波长范围内适红外线测温法原理(续)用,石英适用于中波范围,锗或硫化锌适用于8~14μm波长范围。光纤可用于0.5~5.0μm波长区。从应用的观点看,光学器件的主要特征是视场(FOV),即在指定距离处目标尺寸是多少?例如,在一种普遍采用的透镜系统中,15英寸工作距离处目标直
6、径为1英寸。根据平方反比定律,通过将距离加倍(30英寸),目标区域理论上也加倍(直径为2英寸)。目标尺寸(测量区域)的实际定义将因供应商而异,并且取决于价格。其它光学配置从适用于近距离精密测量的小光斑器件(直径0.030英寸)到适合远距离瞄准的远距离光学器件(距离30英尺时直径为3英寸),不一而足。注意,如果目标占满视场(FOV),工作距离就不应影响精度,这一点很重要。在一种视场(FOV)测量技术中,可变因素是信号损失和直径。一条严格的规则是能量减少量为1%,但可以在一半功率或63.2%功率时提供一些数据。对准(瞄准)是另一个光学方面的因素。许多传感器没有这种功能;透镜对准表面,测量表面温度。
7、这种结构可用于不需要高精度的大目标,例如卷筒纸。对于使用小光斑光学器件的小目标,以及对于在远距离监测中使用的远距离光学器件,提供有目视瞄准、瞄准灯和激光瞄准。选择性光谱滤光通常将短波滤光片用于高温应用(大于1000˚F),将长波滤光片用于低温测量(–50˚F)。很明显,这与黑体能量分布曲线拟合,并且还有一些技术方面的优势。例如,高温/短波使用热稳定性极强的硅探测器,而且短波设计最大限度减小了发射率
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