雙色紅外非接觸測溫技術應用與探索
發布時間：2017-09-01
紅外測溫技術已發展到可對有熱變化表面進行掃描測溫，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。以后，紅外熱成像技術在西方國家陸續用于飛機、坦克、軍艦和其他武器上，作為偵察目標的熱瞄系統，大大提高了搜索、命中目標的能力。但是，怎樣使紅外測溫技術得到廣泛應用，目前仍然是一個值得研究的應用課題。目前在冶金行業中被廣泛應用。冶金行業中，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品質量的至關重要，而雙色紅外技術無以為提高測溫精度以及特殊環境下的測溫提供了良好的技術支撐。
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的紅外輻射。使用紅外探測器通過一個標準的黑色輻射源，在探測器前加一個窄帶濾色片，接收物體在某一個波長范圍內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過放大、濾波后送給MCL、MCU完成對信號的處理，將輸出結果送給LED顯示器和控制系統。
1.2 雙色測溫原理
通過使用一個標準的黑體輻射源，分別在兩個相近的紅外波段接收物體發出的紅外輻射信號，接收器接收器將接收到的兩路光電信號經過放大、濾波后送給MCL、MCU完成對信號的處理，將輸出結果送給LED 顯示器和控制系統。只要物體的溫度不變，則輻射能量的比值也保持不變，如果物體的溫度發生變化，則比值相應發生變化。但是測量不同的物體，比值變化的斜率是不同的，需要經過雙色斜率系數進行修正。雙色測溫模式采用信號求值比的方式來確定溫度，如測量小目標時，測量現場多灰塵、水汽和霧氣，測量距離遠和近的變化和物體局部被擋住，被測物體發射率頻繁發生變化的場合，由于相鄰兩波段接收到的信號同時減小，兩信號相除的斜率并不發生變化。故而采用雙波段信號采集求比的方法，抗干擾能力強，可減少測溫體的波動，有效的解決了環境影響對測溫準確度的影響。由此，依據被測目標表面紅外波段部分的熱輻射進行非接觸溫度測量，影響測溫結果的首要因素是被測目標表面發射率，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狀況。測量小目標時，測溫距離不當也會影響測溫精度。紅外測溫解決了那些由接觸測溫無法完成的測溫要求，如運動目標、容器內目標等。與接觸測溫相比其最大特點是：對溫度場無影響，因不接觸高溫目標，測試儀器不易損壞經久耐用;另一方面，接觸測溫可探入目標內部測溫，使用簡單，而紅外測溫只能測到目標表面溫度，切測溫準確度與目標發射率，使用條件等多種因素有關。
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穩定、光學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，測量現場多灰塵、水汽、霧氣，測量物體遠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。當環境溫度比被測物體溫度更高時，不適宜選擇雙色模式，應選擇單色模式。
3 應用與系統組成
紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發射率，將輻射功率轉化為溫度。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計和內部結構不盡相同，但基本結構大體相似，主要包括光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。
輻射體發出的紅外輻射.進入光學系統，經調制器把紅外輻射調制成交變輻射，由探測器轉變成為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。
4 技術參數
以下為DCT1- 6016 紅外探測儀的主要技術參數。
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：單色模式：在1m 的位置測量物體，目標視場大小最小為20mm，切目標無抖動;雙色模式：即使目標不充滿視場也能準確測量，不受被測物大小的限制，在目標溫度大于900℃時，允許信號有 90% 的衰減。聚焦范圍：0.5μm~ 無窮大。瞄準激光：波長650μm±10%，輸出功率 <30μW，激光安全等級為Ⅰia。模擬量輸出：電流環輸出4m A~ 20m A 或 0m A~ 10m A，與溫度線性變化;電壓環輸出0~ 10V，與溫度線性變化;相對濕度：10~ 95% ;環境溫度：- 20℃~ +50℃，不帶水冷;- 20℃~ +120℃，帶水冷。
5 紅外測溫應注意的問題
1) 只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內部溫度。2) 波長在5um 以上不能透過石英玻璃進行測溫，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。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，要發現熱點，儀器瞄準目標，然后在目標上作上下掃描運動，直至確定熱點。4) 注意環境條件：蒸汽、塵土、煙霧等。它阻擋儀器的光學系統而影響精確測溫。5) 環境溫度，如果測溫儀突然暴露在環境溫差為20℃或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節到新的環境溫度。
6 結論
雙色紅外測溫技術解決了接觸式測溫技術的局限性，彌補了在冶金行業中的運用中對動態物體及容器內物體的表面溫度的準確測量，使得由于溫度影響而決定產品質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域還存在局限性，但是隨著進一步的研究和探索，將會促進測溫技術不斷發展。
摘自：中國計量測控網
