费勉100问第七期 | 红外测温

19.红外测温仪的工作原理？物距比是什么意思？不同材质同种温度下，红外测温测出的温度会有差别吗？

自然界物体温度高于绝对零度时，由于内部热运动的存在不断向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75 ~ 100μm 的红外线。红外测温仪正是利用这一原理制作而成的，具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点。

常用测温方法对比

黑体辐射

黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它物质反射系数小于1，称为灰体。自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型。普朗克黑体辐射定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，是一切红外辐射理论的出发点，如下图所示。

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。

随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动(向左)，并满足维恩位移定理T *λm = 2897.8 μm*K，峰值处的波长λm与绝对温度Τ 成反比，虚线为λm 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。

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。

红外测温仪采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过已知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同，红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。

测试误差

由于红外测温是非接触式的，会存在着各种误差，影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要表现在：

● 辐射率
辐射率是一个物体相对于黑体辐射能力大小的物理量，它除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸度等有关，还与测试的方向有关。若物体为光洁表面时，其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不同的，红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小正比于它的辐射率。

当物体的辐射率越高，反射率就越小，背景和反射的影响就会越小，测试的准确性也就越高；反之，背景温度越高或反射率越高，对测试的影响就越大。此外，辐射率还与测试方向有关，测试角度越大，测试误差越大，测试角最好在30° 之内，一般不宜大于45°，如果不得不大于45°进行测试，可以适当地调低辐射率进行修正。

●距离系数
距离系数(K=S:D)是测温仪到目标的距离S 与测温目标直径D 的比值，它对红外测温的精确度有很大影响，K 值越大，分辨率越高。因此，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，以减小测量误差。

在实际使用中，许多人忽略了测温仪的光学分辨率。不管被测目标点直径D 大小，打开激光束对准测量目标就测试。实际上他们忽略了该测温仪的S:D 值的要求，这样测出的温度会有一定的误差。

●目标尺寸
被测物体和测温仪视场决定了仪器测量的精度。使用红外测温仪测温时，一般只能测定被测目标表面上确定面积的平均值。一般测试时有以下三种情况：
1> 当被测目标大于测试视场时，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响，就能显示被测物体位于光学目标内确定面积的真实温度，这时的测试效果最好。
2> 当被测目标等于测试视场时，背景温度已受到影响，但还比较小，测试效果一般。
3> 当被测目标小于测试视场时，背景辐射能量就会进入测温仪的视场干扰测温读数，造成误差。仪器仅显示被测物体和背景温度的加权平均值。因此建议在实际测温时，被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。

●环境因素
被测物体所处的环境条件对测量的结果有很大的影响，随着环境温度的升高，产生的附加辐射影响就越大，测温的误差也就越大。

红外线在辐射的传输过程中，由于大气的吸收作用，能量总要受到一定的衰减。大气吸收是指在传输过程中使一部分红外线辐射能量变成其它形式的能量，或以另一种光谱分布。大气吸收程度随空气温度变化而变化，被测物体距离越远，大气透射对温度测量的影响就越大。所以，在室外进行红外测温时，应尽量在无雨、无雾、空气比较清晰的环境下进行。在室内进行红外测温时，应在没有水蒸气的环境下进行，这样就可以在误差最小的情况下测得较准确的数值。

如何正确选择红外测温仪

选择红外测温仪可从三个方面考虑：

● 性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、响应时间等

● 环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等

● 其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等。

红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。要从不同规格的各种型号测温仪中选择红外测温仪，应注意如下几个方面：

1> 首先要将测量要求和所要解决的问题弄清，如被测目标温度，被测目标大小，测量距离，被测目标材料，目标所处环境，响应速度要求，测量精度要求，以及用便携式还是在线式等；

2> 测量要求和所要解决的问题与现有各种型号的测温仪进行对比，选择出能够满足上述要求的仪器型号；

3> 在众多能满足要求的型号中，选择出性能、功能和价格方面的最佳搭配。