摘要：

测量温度的方法有很多种，

温度计大致可以分为接触式测温仪表和非接触

式测温仪表两类。

其中接触式的有我们熟悉的液体式温度计，

热电偶式温度计和

热电阻式温度计等等。

关键词：红外线

测温

辐射

光纤

*，温度是供热，供燃气，通风及空调系统中zui重要的参数之一。尤其在

热工测量过程中，

温度的程度往往是决定实验成败的关键。

因此，

一个

度高的测温仪器在工程中是*的。

因此本文就温度测量工具中的红外线测

温仪的原理及应用进行一些介绍。

一，红外测温的理论原理

在自然界中，

当物体的温度高于零度时，

由于它内部热运动的存在，

就会不

断的向四周辐射电磁波，

其中就包含了波段位于

0.75μm~100μm

的红外线。

他zui

大的特点是在给定的温度和波长下，

物体发射的辐射能有一个zui大值，

这种物质

称为黑体，并设定他的反射系数为

1

，其他的物质反射系数小于

1

，称为灰体，

由于黑体的光谱辐射功率

P(

λ

Ｔ

)

与温度

T

之间满足普朗克定。说明在

温度

T

下，波长

λ

处单位面积上黑体的辐射功率为

P(

λ

Ｔ

)

。根据这个关系可

以得到图

1

的关系曲线，从图中可以看出：

（

1)

随着温度的升高，

物体的辐射能量越强。

这是红外辐射理论的出发点，

也是

单波段红外测温仪的设计依据。

（

2)

随着温度升高，

辐射峰值向短波方向移动

（向左

)

，

并且满足维恩位移定理

，

峰值处的波长

与温度

T

成反比，

虚线为

处峰值连线。

这个公式告诉我们为

什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。

（

3)

辐射能量随温度的变化率，

短波处比长波处大，

即短波处工作的测温仪相对

信噪比高（灵敏度高），抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特

别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。

二，红外线测温仪的原理

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。

被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。

两信

号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，

使反馈源的光谱辐射亮度和物体

的光谱辐射亮度一样。显示器指出被测物体的亮度温度

三，红外线测温仪的性能指标及作用

测温范围，显示分辩率，精度，工作环境温度范围，重复性，相对湿度，响应时

间，电源

响应光谱，尺寸，zui大值显示，重量，发射率等

1

，确定测温范围：测温范围是测温仪zui重要的一个性能指标。每种型号的测温

仪都有自己特定的测温范围。

因此，

用户的被测温度范围一定要考虑准确、

周全，

既不要过窄，

也不要过宽。

根据黑体辐射定律，

在光谱的短波段由温度引起的辐

射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化。

2

，

确定目标尺寸

:

红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪

（辐射比

色测温仪）

。

对于单色测温仪，

在进行测温时，

被测目标面积应充满测温仪视场。

建议被测目标尺寸超过视场大小的

50%

为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射

能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，

造成误差。

相反，

如果目标大于

测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于双色测温仪，

其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很

小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都

不对测量结果产生重大影响。

对于细小而又处于运动或震动之中的目标，

双色测

温仪是*选择。这是由于光线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通

道上传输光辐射能量。

3

，确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由

D

：

S

之比确定，即测温仪探头到

目标之间的距离

D

与被测目标直径之比。

如果测温仪由于环境条件限制必须安装

在远离目标之处，

而又要测量小的目标，

就应选择高光学分辨率的测温仪。

光学

分辨率越高，即增大

D

：

S

比值，测温仪的成本也越高。如果测温仪远离目标，

而目标又小，

就应选择高距离系数的测温仪。

对于固定焦距的测温仪，

在光学系

统焦点处为光斑zui小位置，

近于和远于焦点位置光斑都会增大。

存在两个距离系

数。

4

，

确定波长范围

：

目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对

于高反射率合金材料，

有低的或变化的发射率。

在高温区，

测量金属材料的*

波长是近红外，

可选用

0.8

～

1.0

μ

m

。

其他温区可选用

1.6

μ

m,2.2

μ

m

和

3.9

μ

m

。

由于有些材料在一定波长上是透明的，

红外能量会穿透这些材料，

对这种材料应

选择特殊的波长。

5

，确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义

为到达zui后读数的

95%

能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示

系统的时间常数有关。

如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时，

要选

用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。然而，

并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。

对于静止的或目标热过程存在热

惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。

6

，信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红

外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供选用，如

测温传送带上的瓶子时，就要用峰值保持，其温度的输出信号传送至控制器内。

否则测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。

若用峰值保持，

设置测温仪响应时间

稍长于瓶子之间的时间间隔，这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。

7

，环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并

适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高，存在灰尘、烟雾

和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫

器等附件。

这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，

实现准确测温。

在确

定附件时，应尽可能要求标准化服务，以降低安装成本。

8

，红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被

测目标的温度。

如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，

则需退回厂家或维修

中心重新标定。

四，影响红外测温仪的主要因素

1

、测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径

D

是不同的，

因而在测量小目标时要注意目标距离。

红外测温仪距离系数

K

的定义

为：被测目标的距离

L

与被测目标的直径

D

之比，即

K=L/D  

2

、选择被测物质发射率：红外测温仪一般都是按黑体（发射率

ε

=1.00

）分度

的，而实际上，物质的发射率都小于

1.00

。因此，在需要测量目标的真实温度

时，须设置发射率值。物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中

查得。

3

、强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯

直射）

，

则测量的准确性将受到影响，

因此可用物遮挡直射目标的强光以消除背

景光干扰。

4

、小目标的测量

⑴ 应将测温仪固定在三角架（可选附件）上

⑵ 需要调焦，即：用目镜中小黑点对准目标（目标应充满小黑点），将镜

头前后调整，

眼睛稍微晃动，

如果被测小黑圆点之间没有相对运动，

则调焦就已

完成

5.

温度输出功能

（

1

）数字信号输出——

RS232

、

RS485

，温度信号远传

（

2

）模拟信号输出——

0

～

5V

，

1

～

5V

，

0

～

10V

，

0/4

～

20

毫安，可以加入闭环

控制中。

（

3

）高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里

,

可设置高

,

低报

警值。高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的

LED

灯闪烁，蜂鸣器响，并有

AH

常开继电器接通。

五，红外测温仪的特点

1.

非接触测量：

它不需要接触到被测温度场的内部或表面，

因此，

不会干扰被测

温度场的状态，测温仪本身也

不受温度场的损伤。

2.

测量范围广：

因其是非接触测温，

所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，

而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。

一般情况下可测量负几十度到三

千

多度。

3.

测温速度快：即响应时问快。只要接收到目标的红

外辐射即可在短时间内定温。

4.

准确度高：

红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，

因此测量

精度高。

5.

灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可

进行微小温度场的温度测量和

6.

温度分布测量，

以及运动物体或转动物体的温度测量。

使用安全及使用寿命长。

六，红外线测温仪的缺点

1.

易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等）

2.

对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大

3.

只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度

七，红外测温仪的使用注意事项

（

1

）必须准确确定被测物体的发射率

; 

（

2

）避免周围环境高温物体的影响

; 

(3

）对于透明材料，环境温度应低于被测物体温度

; 

(4

）测温仪要垂直对准被测物体表面，在任何情况下，角度都不能超过

30℃

(5

）不能应用于光亮的或抛光的金属表面的测温，不能透过玻璃进行测温

; 

(6

）正确选择跟离系数，目标直径必须充满视场

; 

(7

）如果红外测温仪突然处于环境温度差为

20℃ 或更高的情况下，测量数据将

不准确，温度平衡后再取其测量的温度值。

. 

八，改进方案

由于普通红外测温仪只限于测量物体外部温度，

不方便测量物体内部和存在障碍

物时的温度，

所以可以在其检测头部加一段光导纤维，

并在其前端装一个小视角

的透镜，

这样被测物体的辐射能经过透镜到光导纤维内部。

在光导纤维里面经过

多次反射传至检测器。

因为光纤可以自由弯曲，

使辐射能自由转向，

这就解决了

物体内部温度的测量问题，可以测量有障碍物挡住的角落等地方的温度。

例如，

在塑料挤压机内测量塑料温度，

涡轮机内通过静叶片的空隙来测量动叶片

的zui高温度和平均温度，并可以带有多个探头进行循环检测。

1

，光纤红外测温的原理