红外测温传感器.doc

《传感器原理》课程读书报告

红外光电传感器测温仪

1红外测温传感器结构
制 冷 器
目 标

前 置
放 大
红 外
探 测 路
光学成像
扫描系统

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信 号 处 理
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红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
放大器
温度补偿
加法器
滤波器
2
1
放射物
3
4
1
2
3
4
4
遮光器
传感器
慢速点机
温度补偿二极管
4
红外测温仪电路图
2红外测温传感器工作原理
在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射量。根据基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩公式这三大辐射定律，物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
三大辐射定律均是以“黑体”作为研究对象分析得出的。但是，自然界中存在的实际物体都不是黑体，所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为了使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在0-1之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态（ 如表面氧化情况，涂层材料，粗糙程度及污秽状态等）。
当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中的红外线在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质成为黑体，其他的波段的最大值成为灰体。事实上，自然界中并不存在黑体，只是为了获得红外线的分布规律才提出的，从而导出了普朗克黑体辐射定律。
普朗克黑体辐射定律是用于描述在任意温度下从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础用公式可表达为：      
E=δε（T-To）      
E是辐射出射度．单位是W／m3；
δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5．67x10-8W／（m2·K4）；
ε是物体的辐射率：
T是物体的温度（K）；
To是物体周围的环境温度（K）。
红外测温仪电路比较复杂, 包括前置放大, 选频放大, 温度补偿, 线性化, 发射率ε （比辐射率 ）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温仪, 利用单片机与软件的功能, 大大简化了硬件电路, 提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。 
红外测温仪的光学系统可以是透射式, 也可以是反射式。 反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜, 并在镜的表面镀金、 铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。
3红外测温理论基础
3.1红外辐射（红外线、红外光）
红外线是电磁波谱中，波长0.76μm-1000μm范围的电磁辐射，位于红外光与无线电波之间。与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同时具有粒子性。对人的眼睛不敏感，要用对红外敏感的探测器才能接收到。红外辐射的本质是热辐射，热辐射包括紫外光、可见光辐射，但是在0.76μm-40μm红外辐射热效应最大。
自然界中一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体，时时刻刻都在不停地辐射红外线。辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定；特别热辐射的强度及光谱成份取决于辐射体的温度。
3.2黑体辐射规律
黑体红外辐射的基本规律揭示的是黑体发射的红外热辐射随温度及波长的定量关系。黑体一种理想物体，它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分和形状特性无关。斯特藩和玻耳兹曼通过实验和计算得出黑体辐射定律：

式中：—— 温度为时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐出度；一—斯特藩玻耳兹曼常量；一—物体温度。
上式是黑体的热辐射定律。实际物体(非黑体)的辐射定律一般比较复杂，需借助于黑体的辐射定律来研究。
设被测物体的温度为时，总辐出度为M 等于黑体在温度为时的总辐出度Mo，即：

化简得

其中为发射率，不同物体的发射率不同，具体材料的值可通过查表或实验得到，T为被测物体的辐射温度，所以已知被测物体的和，就可算出物体的真实温度。

4红外测温传感器特性

当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。
红外线波长范围是0.78μm-100μm。然而,红外辐射自目标发射出来,总是要在大气中传播一段距离才能到达观测仪器,除几何发散外,红外辐射在大气中传播会有很大衰减,主要因素是大气中各种气体对辐射的吸收。
组成大气的主要气体是氮气.氧气.氩气,它们占99%以上。有幸的是，它们不吸收15μm以下的红外线,否则红外技术在野外就无法使用。能引起红外吸收的气体是水汽,二氧化碳,臭氧(O3),它们在不同波段针对红外线形成吸收带，再加上甲烷,一氧化碳等吸收作用,造成了红外辐射的衰减。
通过1μm-15μm的红外辐射通过一海里长度的大气透射比试验,证明只有处于红外吸收带之间的红外辐射能够透过大气向远处传输,其中有三个透过大气的红外波段，1-2.5μm,3-5μm,8-13μm，这三个波段被称作“大气窗口”，红外测温系统常常在这三个窗口内工作。
3-5μm,8-13μm两个波段的范围都有不同特性的控制可选用。这两个波段分别称为“短波”和“长波”窗口。从原理上计,这两个窗口都敏感,但大多数设计者都选择了短波段,原因是该波段范围中,能在较宽的范围内提供最佳功能,达到良好的测温要求；而长波窗口则更多地用于低温及远距离的检查(AGENA570就有此功能)
只有对热成像系统的原理及构成有了一定的了解后,才能实现对热像仪的正确操作,从而进一步实现对温度的精确测量。
由于热像仪测温是利用探测器输出的视频信号进行处理后得出的，根据公式:
Us∝(wσT5/π)∫ ε(λT)τα(λ)R(λ)dλ
式中:Us---探测器输出视频信号的幅度
λ1,λ2---热像仪工作波长范围
w---热像仪瞬时视场角.
σ---辐射常数
T ---被测目标温度
ε(λT)---被测目标光谱辐射率
τα(λ)---大气透过率
R(λ)---热像仪总光谱响应
可见,测温精度与很多因素有关,如目标特性,热像仪特性,测量距离等。
为了实现所需的温度测量和便于操作,目前使用的大多数热像仪（如PM290）已在系统中实现了以下三方面的精度补偿:
(1)热像仪内部的飘移和增溢补偿.
(2)不同操作温度下的补偿.如夏天和冬天.
(3)镜头视场外的辐射补偿.
其它如发射率,环境温度,距离,湿度等最基本的参数则要求用户根据实际情况自行设置,以保证测温精度的可靠性。
与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度计具有测温范围宽、寿命长、性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度计还特别适合测量腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。
两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。相对温差δt，可用下式求出：
δt=(t1-t2)/t1X100℅=(T1-T2)/(T1-T0) X100℅
式中：
1 和T1——发热点的温升和温度
2 和T2——正常相对应点的温升和温度
T0——环境温度参照体的温度
与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度计具有测温范围宽、寿命长、性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度计还特别适合测量腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。

4.1红外测温误差的分析
由于红外测温仪是非接触式的，其测量结果受很多因素影响，从仪器本身来说，有以下几个方面：以不等温黑体作为校准源，仪器发射率的不同，空气介质及仪器透镜结垢或磨损等；从外界因素来说，测量结果受被测物体的辐射率，测量距离系数，外界环境温度等几方面影响。
4.2红外测温误差的解决方法：
应用中一般采用现场比对校准的方法来尽量消除这些影响
根据实际校准需要相应选择几个校准温度，校准顺序由低温向高温依次进行。先设定物体的辐射率ε=1进行校准，然后调整ε值使显示温度与校准温度一致，读取ε=1的示值和调整后ε<1的示值。每个校准点反复读取几次，然后进行数据处理。对于示值误差和重复性均符合要求的测温仪将其s值标明即可。
5 小结
红外技术已经在现代科技、国防、医疗、工农业等领域获得了广泛的应用。在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。红外测温技术在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护，以及节约能源等方面发挥着重要作用。

参考文献

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