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雙色紅外非接觸測溫技術(shù)應(yīng)用與探索
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
紅外測溫技術(shù)已發(fā)展到可對有熱變化表面進(jìn)行掃描測溫，確定其溫度分布圖像，迅速檢測出隱藏的溫差，這就是紅外熱像儀。紅外熱像儀最先應(yīng)用于軍事上，美國TI公司19 年研制出世界上第一臺紅外掃描偵察系統(tǒng)。以后，紅外熱成像技術(shù)在西方國家陸續(xù)用于飛機(jī)、坦克、軍艦和其他武器上，作為偵察目標(biāo)的熱瞄系統(tǒng)，大大提高了搜索、命中目標(biāo)的能力。但是，怎樣使紅外測溫技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，目前仍然是一個(gè)值得研究的應(yīng)用課題。目前在冶金行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。冶金行業(yè)中，鐵、鋼水的表面測溫，以及高速線材、熱軋板等表面測溫精度對于產(chǎn)品質(zhì)量的至關(guān)重要，而雙色紅外技術(shù)無以為提高測溫精度以及特殊環(huán)境下的測溫提供了良好的技術(shù)支撐。
1 測溫原理
熱輻射是一種電磁波輻射，人的眼睛只能感知有限的可見光，光譜范圍為0.38~ 0.75μm，其他范圍的光譜人眼無法感知，并且人眼能夠觀察到的紅外光譜是不精確的。
1.1 單色測溫原理
選擇不同的紅外探測儀器能夠接收不同范圍內(nèi)的紅外輻射。使用紅外探測器通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的黑色輻射源，在探測器前加一個(gè)窄帶濾色片，接收物體在某一個(gè)波長范圍內(nèi)的紅外輻射來測量物體表面的溫度，接收器將接收到的光電流信號經(jīng)過放大、濾波后送給MCL、MCU完成對信號的處理，將輸出結(jié)果送給LED顯示器和控制系統(tǒng)。
1.2 雙色測溫原理
通過使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的黑體輻射源，分別在兩個(gè)相近的紅外波段接收物體發(fā)出的紅外輻射信號，接收器接收器將接收到的兩路光電信號經(jīng)過放大、濾波后送給MCL、MCU完成對信號的處理，將輸出結(jié)果送給LED 顯示器和控制系統(tǒng)。只要物體的溫度不變，則輻射能量的比值也保持不變，如果物體的溫度發(fā)生變化，則比值相應(yīng)發(fā)生變化。但是測量不同的物體，比值變化的斜率是不同的，需要經(jīng)過雙色斜率系數(shù)進(jìn)行修正。雙色測溫模式采用信號求值比的方式來確定溫度，如測量小目標(biāo)時(shí)，測量現(xiàn)場多灰塵、水汽和霧氣，測量距離遠(yuǎn)和近的變化和物體局部被擋住，被測物體發(fā)射率頻繁發(fā)生變化的場合，由于相鄰兩波段接收到的信號同時(shí)減小，兩信號相除的斜率并不發(fā)生變化。故而采用雙波段信號采集求比的方法，抗干擾能力強(qiáng)，可減少測溫體的波動(dòng)，有效的解決了環(huán)境影響對測溫準(zhǔn)確度的影響。由此，依據(jù)被測目標(biāo)表面紅外波段部分的熱輻射進(jìn)行非接觸溫度測量，影響測溫結(jié)果的首要因素是被測目標(biāo)表面發(fā)射率，其次是測量通道上的煙霧、水蒸氣、灰塵、火焰、隔離玻璃以及陽光直射等光學(xué)狀況。測量小目標(biāo)時(shí)，測溫距離不當(dāng)也會(huì)影響測溫精度。紅外測溫解決了那些由接觸測溫?zé)o法完成的測溫要求，如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、容器內(nèi)目標(biāo)等。與接觸測溫相比其最大特點(diǎn)是：對溫度場無影響，因不接觸高溫目標(biāo)，測試儀器不易損壞經(jīng)久耐用;另一方面，接觸測溫可探入目標(biāo)內(nèi)部測溫，使用簡單，而紅外測溫只能測到目標(biāo)表面溫度，切測溫準(zhǔn)確度與目標(biāo)發(fā)射率，使用條件等多種因素有關(guān)。
2 適用場合
2.1單色模式適用場合
被測物體面積較大、表面比較平整、與測量方向小于30 度角、被測物體表面理化狀態(tài)穩(wěn)定、光學(xué)通道少積灰和沒有阻擋與衰減等場合下物體溫度的測量。
2.2 雙色模式使用場合
尤其適用于測量小目標(biāo)，測量現(xiàn)場多灰塵、水汽、霧氣，測量物體遠(yuǎn)和近的變化及物體局部被遮擋等場合。雙色模式允許與測量方向小于45 度角。當(dāng)環(huán)境溫度比被測物體溫度更高時(shí)，不適宜選擇雙色模式，應(yīng)選擇單色模式。
3 應(yīng)用與系統(tǒng)組成
紅外測溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。
輻射體發(fā)出的紅外輻射.進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。
4 技術(shù)參數(shù)
以下為DCT1- 6016 紅外探測儀的主要技術(shù)參數(shù)。
工作波長：單色 0.75~1.1μm;雙色 0.75~1.1μm/1.1μm
測溫范圍：單色 600~1450℃;雙色 600~1600℃
距離系數(shù)：單色模式：在1m 的位置測量物體，目標(biāo)視場大小最小為20mm，切目標(biāo)無抖動(dòng);雙色模式：即使目標(biāo)不充滿視場也能準(zhǔn)確測量，不受被測物大小的限制，在目標(biāo)溫度大于900℃時(shí)，允許信號有 90% 的衰減。聚焦范圍：0.5μm~ 無窮大。瞄準(zhǔn)激光：波長650μm±10%，輸出功率 <30μW，激光安全等級為Ⅰia。模擬量輸出：電流環(huán)輸出4m A~ 20m A 或 0m A~ 10m A，與溫度線性變化;電壓環(huán)輸出0~ 10V，與溫度線性變化;相對濕度：10~ 95% ;環(huán)境溫度：- 20℃~ +50℃，不帶水冷;- 20℃~ +120℃，帶水冷。
5 紅外測溫應(yīng)注意的問題
1) 只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內(nèi)部溫度。2) 波長在5um 以上不能透過石英玻璃進(jìn)行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許精確紅外溫度讀數(shù)。但可通過紅外窗口測溫。紅外測溫儀最好不用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫(不銹鋼、鋁等)。3) 定位熱點(diǎn)，要發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)，儀器瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后在目標(biāo)上作上下掃描運(yùn)動(dòng)，直至確定熱點(diǎn)。4) 注意環(huán)境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學(xué)系統(tǒng)而影響精確測溫。5) 環(huán)境溫度，如果測溫儀突然暴露在環(huán)境溫差為20℃或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)到新的環(huán)境溫度。
6 結(jié)論
雙色紅外測溫技術(shù)解決了接觸式測溫技術(shù)的局限性，彌補(bǔ)了在冶金行業(yè)中的運(yùn)用中對動(dòng)態(tài)物體及容器內(nèi)物體的表面溫度的準(zhǔn)確測量，使得由于溫度影響而決定產(chǎn)品質(zhì)量的因素由于得到良好掌控而大大減小。雖然雙色紅外測溫在一定區(qū)域還存在局限性，但是隨著進(jìn)一步的研究和探索，將會(huì)促進(jìn)測溫技術(shù)不斷發(fā)展。
摘自：中國計(jì)量測控網(wǎng)
