红外测温技术与实施要点

本文介绍了红外点测温技术的原理,并结合本人使用多种品牌产品的经验,阐述了红外点温仪的正确使用方法。

红外测温技术与实施要点

2010.2

本文介绍了红外点测温技术的原理,并结合本人使用多种品牌产品的经验,阐述了红外点温仪的正确使用方法。

一、红外基础知识介绍二、红外测温原理简介三、红外测温应用要素介绍四、红外测温应用技巧五、电气设备的诊断方法和判断依据六、附录：材料发射率表

本文介绍了红外点测温技术的原理,并结合本人使用多种品牌产品的经验,阐述了红外点温仪的正确使用方法。

红外基础知识介绍(一)红外线的发现：1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较，在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在红光带外的一支温度计，比室内其他温度的批示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。

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红外基础知识介绍(二)红外线的产生：红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

红外线的特性：红外线的波长：0.76~100μm按波长的范围分类：近红外、中红外、远红外、极远红外电磁波连续频谱中的位置：无线电波与可见光之间的区域。

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红外测温原理简介(一)红外线的探测：一切温度高于绝对零度(-273℃)的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性一辐射能量的大小及其按波长的分布一与它的表面温度有着十分密切的关系。因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

黑体辐射定律：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。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,这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。

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红外测温原理简介(二)红外测温系统构成和工作：由光学系统、光电探测器、信号调理单元、信号处理、显示输出等部分组成。红外测温仪：光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被

测目标的温度值。

红外热像仪：光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(目前先进的焦平面热像仪无此机构)对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图的信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术

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红外测温原理简介(三)红外测温理论基础：斯特藩-玻耳兹曼定律‥‥‥‥‥‥‥热平衡等式的可扩展性

∞ M dγ=σT 4 M=∫ 0γ

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红外测温原理简介(四)红外测温原理(1):按接收全波段的辐射能量考虑，且考虑红外线的损失之后，探测器接收的能量为：

εσ AA 1 (τ aτ 0δ ) 2 (T 24 T14 )= m (T 24 T14 ) W=π f

(1)

其中：m为各项参数的总和； T2为被测物温度，T1为调制片温度，等于环境温度。探测器输出的电压VS为： VS=KW

(2)

这里K为响应率，一般的测温探测器的响应率与环境温度有关。加上辐射率的校正，(2)式可改写为： VS=εKW (3)

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红外测温原理简介(五)红外测温原理(2):我们设探测器的输出电压为UTP,被测物温度为Tobj,环境温度为 Ta。由(1)、(3)式可得：

UTP=εKf(Tobj,Ta)由热平衡等式的可扩展性可得：

(4) (5)

UTP=εKf(Tobj,Tref)-εKf(Ta,Tref)其中，TKef为任意设定的温度由(5)式，我们可以将红外测温的实现过程列如下： 1)环境温度的测量：可直接由温度测量芯片测得。 2)查表得到K值：由环境温度查表即可得到K。 3)再可以根据环境温度查表得到值 4)加入发射率修正即可得到f(Tobj,Tref):

f(Tobj,Tref)= UTP/(εK)+ f(Ta,Tref) (6)5)最后通过查表得到被测物温度。

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红外测温应用要素介绍(一)辐射能量：所有物体均反射、透射和辐射能量。只有发射的能量表示物体的温度。红外测温仪或热像仪测量表面温度时，会传感全部三种能量，因而所有测温仪均必须调节以只读出辐射的能量。测量误差通常由反射光源的能量造成。

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红外测温应用要素介绍(二)物体发射率：(参见附录的材料发射率表)发射率的产生：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。实际物

体的辐射量依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。发射率定义：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比。

其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率,就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构、材料厚度等。

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红外测温应用要素介绍(三)光谱响应范围(波长):(参见附录的材料发射率表)影响波长的决定因素：目标材料的发射率和表面特性。变化特性：对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。在高温区,测量金属材料的最佳波长是近红外,可选用0.18-1.0μm波长。其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。由于有些材料在一定波长是透明的,红外能量会穿透这些材料,对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用10μm、 2.2μm和3.9μm(被测玻璃要很厚,否则会透过)波长。测低温区选用8-14μm波长为宜。

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红外测温应用要素介绍(四)光学分辨率(距离系数):定义：测温仪到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比。红外测温仪所测量的是一个视场为圆的面内的平均温度，该圆的大小取决于D:S。

距离系数10:1示意图：

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红外测温应用要素介绍(五)环境条件：定义：测温仪和被测物体同时存在的环境，称之为“测温环境”。考虑范围：环境温度：由红外测温原理得知，环温变化影响测温仪的稳定性。须尽量使测温仪与被测物体的环温一致。粉尘、烟雾、蒸汽(湿度):异常颗粒会降低被测物体能量信号。光照：较亮背景光(特别是阳光或强灯光直射),影响准确性。电磁场：强电磁波会干扰被测物体的红外辐射能量。

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红外测温应用技巧(一)在波长范围内调节发射率：(参见附录的材料发射率表)在利用测温仪时，首先应根据被测物体的可能温度范围确定测温仪的光谱响应范围(波长)。然后根据多种材料的发射率表中查到被测物的发射率，然后调节红外测温仪的发射率，这样利用红外测温仪便能够测到准确的温度数。对于发射率可调的红外测温仪，多种材料的发射率可以从出版的发射率表中找到，通过调节红外测温仪的发射率，得到比较准确的温度值。对于发射率不可调的红外测温仪(发射率多固定在0.95),就需要用胶带或平光黑漆涂于被测物表面加以补偿。对于发射率未知(或不确定)的材料，可

参照第三项的方法来进行测量。

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红外测温应用技巧(二)控制测温距离、测温范围：如果测温仪远离目标，而目标又小，应选择高分辨率的测温仪。目标尺寸:测温时，被测目标应大于测温仪的视场，否则测量有误差。建议被测目标尺寸超过测温仪视场的50%为好。只要辐射系数小于0.9,仪器须垂直对准待测表面。任何情况下，偏离入射角不得超过 30度。根据标准，带有激光辅助瞄准系统的测温仪，允许激光点与探测器中心之间有最大12mm的距离。

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红外测温应用技巧(三)降低环境条件约束度(1):想要来回跨越环温变化较大的场所进行测量。则须使测温仪在新环境下经过一段时间以达到温度平衡后再测量。最好将测温仪放在经常使用的场所。避免隔着玻璃或其它透明材料测量柜体内的物体温度。

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红外测温应用技巧(四)降低环境条件约束度(2):流体的内部温度，必须搅动，然后就可测表面温度。若被测目标有较亮背景光(特别是受太阳光或强灯直射),可用物遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。遮盖周围高温表面，避免反射。对于半透明材料，如塑料薄膜和玻璃，确保背景较均匀且温度比待测对象的温度低。须避免在强电磁场环境下使用，例如，强电柜旁。需保持红外测温探头周边有一定干净度，避免由于异物颗粒或者污染引起测量不准。

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电气设备的诊断方法和判断依据(一)判断依据：表面温度判断：按照DL/T664标准的有关规定，凡温度(或温升)超标时，可根据设备温度超标程度、设备负荷的大小、设备的重要性及设备承受机械力的大小来确定设备缺陷的性质。对在小负荷率下温升超标者或承受机械应力较大的设备要从严定性。相对温差判断：对于电流致热型设备，若发现设备的导流部分热态异常，应拍摄清晰的热像图，得出准确的温度数据，按下面公式算出相对温差值，按规定判断设备缺陷的性质。 T T2τ τ 2× 100%= 1δt= 1× 100% T1 T0τ1式中：τ1和 T1——————发热点的温升和温度

τ2

和 T2——————正常相对应点的温升和温度 T0——————环境参照的温度

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电气设备的诊断方法和判断依据(二)诊断方法(1):同类比较法：电流致热型：在同一电气回路，当三相电流对称和三相(或两相)的设备相同时，比较三相(或两相)电流致热型设备对应部位的温升值，可判断设备是否正常。若三相的设备同时出现异常，可与同回路的同类设备比较。当三相负荷电流不对称时，应考虑负荷电流的影响。电压致热型：对于型号规格相同的电压致热型设备

,可根据其对应点温升值的差异来判断设备是否正常。电压致热型设备的缺陷宜用允许温升或同类允许温差的判断依据确定。一般情况下，当同类温差超过允许温升值的30%时应定为最大缺陷。当三相电压不对称时应考虑工作电压的影响。三相温差：相间温差小于20度属于正常温差；相间温差在20-40度属于异常发热，为一般故障(隐患)应加强跟踪，在维修时处理；相间温差大于40度时，应判为重大(或危险)隐患，应立即消除。

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电气设备的诊断方法和判断依据(三)诊断方法(2):热像图分析法：根据同类设备在正常状态下的热像图的差异来判断设备是否正常。档案分析法：分析同一设备在不同检测周期的温度数据(例如温升、相对温差和热像图),找出设备致热参数的变化趋势和变化速率，以判断设备是否正常。

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