紅外測(cè)溫儀工作原理及應(yīng)用

　　2.3熱像儀分類

　　紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元（元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，用單元探測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。非掃描成像的熱像儀，如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成，被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)，連續(xù)放大，點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。
　　紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過(guò)熱釋電攝像管（PEV）接受被測(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射，并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)，因此，熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件，它是一種實(shí)時(shí)成像，寬譜成像（對(duì)3～5μm及8～14μm有較好的頻率響應(yīng)）具有中等分辨率的熱成像器件，主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。其技術(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過(guò)透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管，采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱像儀的主要參數(shù)有：

　　2.3.1工作波段；工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域，一般是3～5μm或8～12μm。
　　2.3.2探測(cè)器類型；探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數(shù)8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，其采用的元素有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和硅摻雜（Si：X）等。
　　2.3.3掃描制式；一般為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電視制式，PAL制式。
　　2.3.4顯示方式；指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
　　2.3.5溫度測(cè)定范圍；指測(cè)定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。
　　2.3.6測(cè)溫準(zhǔn)確度；指紅外熱像儀測(cè)溫的最大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。
　　2.3.7最大工作時(shí)間；紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。

3.紅外測(cè)溫

　　3.1紅外測(cè)溫儀器的種類

　　紅外測(cè)溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀（點(diǎn)溫儀）。60年代我國(guó)研制成功第一臺(tái)紅外測(cè)溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的測(cè)溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D 40mm，可達(dá)15 m）、WFHX330型（光學(xué)瞄準(zhǔn)，目標(biāo)D 50 mm，可達(dá)30 m）。美國(guó)生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測(cè)溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL－500 E可以應(yīng)用于110～500 kV變電設(shè)備上，圖像清晰，溫度準(zhǔn)確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國(guó)PM－250，瑞典AGA－ THV510、550、570。近期，國(guó)產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

　　3.2紅外測(cè)溫儀工作原理

　　了解紅外測(cè)溫儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)。紅外測(cè)溫儀由光學(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。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。
　　一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)?！?BR>　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱黑體輻射定律。
　　物體發(fā)射率對(duì)輻射測(cè)溫的影響：自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
　　影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。
　　當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。
　　紅外系統(tǒng)：紅外測(cè)溫儀由光學(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。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

　　3.3紅外測(cè)溫儀性能

　　紅外測(cè)溫儀是通過(guò)接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來(lái)測(cè)量其表面溫度。測(cè)溫儀內(nèi)的探測(cè)元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。在帶激光瞄準(zhǔn)器的型號(hào)中，激光瞄準(zhǔn)器只做瞄準(zhǔn)使用。其性能說(shuō)明如表1。
　　
　　　　測(cè)溫范圍　　-32℃--400℃　　顯示分辯率　　　0.1℃(199.1℃時(shí) )
　　　　精度　　　　23 ℃時(shí)±1%　　工作環(huán)境溫度范圍　　0--50 ℃
　　　　重復(fù)性　　　23 ℃時(shí)±1%　　相對(duì)濕度　　　　　30 ℃時(shí) 10—95%
　　　　響應(yīng)時(shí)間　　500ms　　　　　電源　　　　　　　　9V
　　　　響應(yīng)光譜　　7 -18micron　　尺寸　　　　　　　137 × 41 × 196mm
　　　　最大值顯示　Have　　　　　 重量　　　　　　　270g
　　　　發(fā)射率　　　0.95Preset　　 防水　　　　　　　　根據(jù)消防部隊(duì)要求特殊制作

表1紅外測(cè)溫儀性能

　　為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測(cè)溫儀與測(cè)試目標(biāo)之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)，所謂“光點(diǎn)尺寸”（spot size）就是測(cè)溫儀測(cè)量點(diǎn)的面積。您距離目標(biāo)越遠(yuǎn)，光點(diǎn)尺寸就越大。右圖所示為距離與光點(diǎn)尺寸的比率，或稱D：S。在激光瞄準(zhǔn)器型測(cè)溫儀上，激光點(diǎn)在目標(biāo)中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距離。
　　測(cè)量距離與光點(diǎn)尺寸
　　在定測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)確保目標(biāo)直徑等于或大于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸。右圖所標(biāo)示的“1號(hào)物體”（object 1 ）與測(cè)量?jī)x之間的距離正，因?yàn)槟繕?biāo)比被測(cè)光點(diǎn)尺寸略大一些。而“2號(hào)物體”距離太遠(yuǎn)，因?yàn)槟繕?biāo)小于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸，即測(cè)溫儀同在測(cè)量背景物體，從而降低了讀數(shù)的精確性。