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紅外 (IR) 溫度計(jì)是一種通過(guò)檢測(cè)和量化測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射能量來(lái)確定物體溫度的傳感器。紅外溫度計(jì)非常像人的眼睛。眼睛的晶狀體就像
光學(xué)元件,物體發(fā)出的輻射(光子流)在大氣中通過(guò)該元件到達(dá)光敏層(視網(wǎng)膜),然后被轉(zhuǎn)化為信號(hào)并被傳送到大腦。圖 3 顯示了紅外測(cè)溫系
統(tǒng)的工作原理。
各種形式的物質(zhì)只要溫度高于絕對(duì)零度(-273.15°C / -459.8°F),都會(huì)根據(jù)其溫度發(fā)射紅外輻射,稱(chēng)為特征輻射。輻射的原因在于內(nèi)部分子的機(jī)
械運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度取決于物體的溫度。由于分子運(yùn)動(dòng)代表電荷位移,這種輻射是電磁輻射(光子粒子)。 這些光子以光速運(yùn)動(dòng),且運(yùn)行規(guī)
律符合已知的光學(xué)原理。它們可以被偏轉(zhuǎn),用透鏡聚焦或被反射表面反射。這種輻射的光譜范圍為 0.7 至 1000μm。因此,這種輻射通常用肉眼
看不到,見(jiàn)圖 4。
然而,光譜中人眼不可見(jiàn)部分所包含的能量是可見(jiàn)部分的 100,000 倍。這正是紅外測(cè)量技術(shù)的理論依據(jù)。從圖 5 中可以看出,隨著目標(biāo)溫度的升
高,輻射量逐漸向波段較短的區(qū)域移動(dòng),且物體在不同溫度下的輻射曲線相互不重疊。整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量(每條曲線下方的區(qū)域)增長(zhǎng)
至溫度的四次方。這些關(guān)系由 Stefan 和 Boltzmann 于 1879 年發(fā)現(xiàn),標(biāo)明可以從輻射信號(hào)中測(cè)量出明確的溫度。
圖 5 顯示了物體在不同溫度下的典型輻射。如前所述,物體在高溫下會(huì)發(fā)出少量可見(jiàn)光。因此,每個(gè)人都可以看到物體在非常高溫的環(huán)境下
(600°C 以上)發(fā)出紅色到白色的光線。經(jīng)驗(yàn)豐富的鋼鐵工人甚至可以從顏色上非常準(zhǔn)確地估算出鋼鐵的溫度。從 20 世紀(jì) 30 年代開(kāi)始,鋼鐵
行業(yè)便開(kāi)始使用經(jīng)典的隱絲式高溫計(jì)。
從圖 5 中可以看出,應(yīng)以此為目標(biāo):盡可能在寬的范圍內(nèi)設(shè)置紅外溫度計(jì),以獲取更多的能量(對(duì)應(yīng)于曲線下方的區(qū)域)或者目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)。
然而,在某些情況下,這種做法并不總是有利的。例如,在圖 5 中,當(dāng)溫度升高是,輻射強(qiáng)度在 2 μm 處增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在 10 μm 處的。每單位
溫差下的輻射差異越大,紅外溫度計(jì)的測(cè)量精度便越高。根據(jù)維恩位移定律(Wien's Displacement Law),隨著溫度的升高,物體的輻射量最大值
將向短波方向移動(dòng),因此,波長(zhǎng)范圍將取決于高溫計(jì)的溫度測(cè)量范圍。在低溫環(huán)境下,在 2 μm 處工作的紅外溫度計(jì)將在溫度低于 600°C 時(shí)由于
輻射能量太少而幾乎看不到任何東西,從而停止工作。使用針對(duì)不同波長(zhǎng)范圍的測(cè)量?jī)x器的另一個(gè)原因在于一些被稱(chēng)為非灰體(玻璃、金屬和塑
料薄膜)的材料的輻射率模式。圖 5 顯示了理想材料——所謂黑體的輻射情況。然而,許多物體在相同溫度下會(huì)發(fā)出少量的輻射。實(shí)際輻射量與
黑體的輻射量的比稱(chēng)為(ε)輻射率 ,輻射率的最大值為 1(與理想的黑體相對(duì)應(yīng)的物體),最小值為 0。輻射率小于 1 的物體被稱(chēng)為灰體。輻射率
還取決于溫度和波長(zhǎng)的物體被稱(chēng)為非灰體。此外,輻射的總和包括被吸收部分 (A)、被反射部分 (R) 和透射部分 (T) ,等于 1。(請(qǐng)參見(jiàn)下面的公
式和圖 6)
A + R + T = 1 (1)
實(shí)心體不會(huì)透射紅外光 (T = 0)。根據(jù)基爾霍夫定律,物體吸收的所有輻射(導(dǎo)致物體溫度升高)之后將被該物體輻射出去。則對(duì)于吸收率和輻射
率來(lái)說(shuō):
A ? E = 1 – R (2)
T理想的黑體也不會(huì)發(fā)生反射 (R = 0),所以 E = 1。
許多非金屬材料,如木材、塑料、橡膠、有機(jī)材料、巖石或混凝土的表面很少發(fā)生反射,因此其輻射率通常較高,在 0.8 和 0.95 之間(參見(jiàn)大多
數(shù)常見(jiàn)材料的輻射率值列表)。相比之下,金屬材料 - 特別是那些表面經(jīng)過(guò)拋光處理或者表面光亮的金屬 -它 的發(fā)射率約為 0.1。紅外測(cè)溫儀通過(guò)
提供可自主設(shè)定發(fā)射率參數(shù)的功能項(xiàng)來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn),另請(qǐng)參見(jiàn)圖 7(see 參見(jiàn)大多數(shù)金屬的輻射率值)。
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