摘 要：全面介紹紅外探測器特性參數(shù)，探測器種類。紅外溫度計系列產(chǎn)品和環(huán)境對紅外溫度計測溫影響。紅外溫度計應(yīng)用概述。

　　關(guān)鍵詞：紅外探測器,測溫,特性參數(shù)

　　1、引言

　　紅外溫度計屬于輻射型、不接觸測溫儀表它與熱電偶、熱電阻等接觸測溫比較，具有使用壽命長、 性能可靠、反映時間快、靈活、準確，不需與被測物體接觸等特點。特別適合于運動物體、腐蝕物體，不能用插入式測量物體，不能接觸等場合測溫用。典型的紅外溫度計是由光、機、電組成系統(tǒng)其中紅外探測器是關(guān)鍵元件。紅外探測器的工作原理是基于光輻射至探測器時，產(chǎn)生光電效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為熱電信號。本文由教育大論文下載中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理

　　2、紅外探測器的特性參數(shù)

　　為了恰當?shù)乇容^探測器的性能，要了解紅外探測器的基本特性參數(shù)。

　　2、1 光譜響應(yīng)

　　探測器的光譜響應(yīng)是最基本的特性參數(shù)，它的概念描述的是輸出信號與入射波長的關(guān)系。在理想情況下，光探測器在單位波長間隔和單位輻射功率的相對響應(yīng)，隨波長的增加而線性上升，在截止波長達到峰值后下降至零。相反，熱探測器僅對輻射功率響應(yīng)，其相對應(yīng)與波長無關(guān)。圖1是光探測器和熱探測器的理想光譜響應(yīng)曲線。其中X軸為波長,Y軸為單位波長間隔內(nèi)單位輻射功率下的相對信號電壓。

　　圖1 光譜響應(yīng)曲線

　　從探測器設(shè)計角度分析，了解探測器的光譜響應(yīng)范圍是很重要的，這樣可以根據(jù)目標的輻射特性，選擇合適的探測器。應(yīng)當注意的是，探測器的光譜響應(yīng)與探測器窗口(濾光片)以及紅外線溫度計的光學系統(tǒng)，特別是透射式光學系統(tǒng)的透射光譜曲線綜合考慮，在計算入射能量時，要從總的光學傳遞函數(shù)考慮。

　　2、2響應(yīng)率R

　　響應(yīng)率等于單位輻射功率射到探測器上所產(chǎn)生的信號電壓Vs的大小

　　R=

　　式中R的單位是v/w，H是入射在探測器上輻射照度(w/cm2)，Ad是探測器靈敏元件面積(cm2)，P是入射到探測器上輻射功率值(w)，VS為探測器輸出信號電壓值(v)。從設(shè)計角度看，設(shè)計探測器相匹配的前置放大器時，考慮整機電子系統(tǒng)總增益及各級增分配時，知道信號電壓VS(VS=RP)的大小十分重要。

　　2、3噪聲等效功率NEP及探測率D

　　噪聲等效功率NEP是信噪比等于1時的入射功率。又稱最小可測功率。

　　式中：NEP的單位為W;Vn是探測器噪聲電壓。

　　實際上，P應(yīng)比NEP大若干倍，要有足夠的信噪比才能保證測量精度。

　　目前在描述探測器的探測性能時，更多的是采用探測率D

　　顯然,D越高,探測器性能越好。在測溫系統(tǒng)確定后，選擇D高的探測器，可獲得高的溫度分辨率。

　　2、4響應(yīng)速度

　　當輻射光照射到探測器上時, 探測器輸出信號要滯后一段時間達到穩(wěn)定值.這種滯后時間叫探測器響應(yīng)時間。對于光探測器時間常數(shù)很短, 滯后時間在微秒級。而大多數(shù)熱探測器時間常數(shù)較大,通常毫秒級.從探測器使用角度，知道探測器的響應(yīng)速度,就可以根據(jù)測試要求選擇合適的探測器滿足紅外溫度計測量精度。

　　2、5探測器其它特性

　　(1)R、D、、Vn隨探測器溫度T的變化。在室溫工作工作的光探測器和熱探測器,由于環(huán)境溫度變化也會使R、D、Vn 變化。所以，在設(shè)計時，可采用恒定探測器溫度或補償措施。保證探測器測量精度。

　　(2)探測器的阻抗，探測器的偏置等特性

　　3、紅外溫度計常用的幾種探測器

　　3、1 熱電堆

　　熱電堆是利用溫差電效應(yīng)制成的。它不需要偏置，不需要調(diào)制，在寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)直流響應(yīng)率不變，其壽命長，廣泛應(yīng)用于紅外溫度計中。

　　3、2 熱釋電探測器是利用熱釋電晶體的自發(fā)極化隨溫度變化的特性制成。它不需要偏置，可在室溫工作，有寬的光譜響應(yīng)，較高探測率，其工作頻率達幾百千赫，遠超過其他探測器。響應(yīng)率受環(huán)境溫度變化的影響較小。其這些特點使得在紅外測溫儀中得到應(yīng)用。熱釋電探測器缺點是器件受微振影響，且不象熱電堆那樣直流連接，它必須進行調(diào)制。

　　3、3 熱敏電阻探測器

　　熱敏電阻探測器是利用材料的電阻隨溫度變化制成的。它是一種發(fā)展早應(yīng)用廣泛的探測器。它的響應(yīng)率R受環(huán)境溫度的變化影響比熱釋電探測器要大些。熱敏電阻探測器有寬波長響應(yīng)，它的制造工藝簡單，其穩(wěn)定性和可靠性高。因此熱敏電阻探測器獲得廣泛應(yīng)用。

　　3、4 硫化鋁探測器

　　硫化鋁探測器是成熟的薄膜型探測器，一般用真空蒸發(fā)式化學沉淀制成。這種探測器在比色溫度計中應(yīng)用。幾種紅外溫度計采用的紅外探測器性能。

　　4、紅外溫度計系列

　　紅外溫度計屬于輻射型，不接觸測溫儀表。下面按紅外線溫度計系列進行介紹。

　　4、1 Q系列紅外溫度計

　　Q系列紅外溫度計是硅光電池作為探測器。光譜波長0.5～1.1µm。Q系列溫度計是短波長溫度計，它所選用的工作波段遠離水汽，二氧化碳的吸收帶，不受水汽，二氧化碳氣氛影響，也不受距離變化的影響。因此，這種紅外溫度計適合鋼鐵、機械、玻璃制造等工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用。測度范圍400℃～2500℃。

　　每種型號的Q系列溫度計，按其結(jié)構(gòu)和具有功能來分，有系統(tǒng)1、系統(tǒng)2單卡，系統(tǒng)2多卡等種類。

　　系統(tǒng)1溫度計是簡單一種，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。缺點是其輸出信號與溫度成非線性關(guān)系。

　　系統(tǒng)2溫度計增加很多功能，如前置放大，峰值采樣，平均采樣保持，熱金屬探測，超值報警等多種功能卡。系統(tǒng)2溫度計除標準型外，還可制成許多變型產(chǎn)品，如用于測量小目標產(chǎn)品。

　　4、2 R系列紅外溫度計

　　R系列紅外溫度計采用紅外光譜響應(yīng)范圍寬的熱電堆作為探測器，配上不同的透鏡，濾光片構(gòu)成不同工作段儀表。R系列溫度計光譜響應(yīng)很寬，測溫范圍0℃～3000℃。測量精度和Q系列相同。由于R系列溫度計工作波段寬而長，很難避免某些波長上水汽、二氧化碳的影響，R系列溫度計在分度時，是根據(jù)實驗室環(huán)境溫度、濕度情況下進行刻度的。現(xiàn)場應(yīng)用時環(huán)境溫度、濕度、安裝距離都與標準狀態(tài)不同，會帶來一定誤差。

　　R系列溫度計同Q系列溫度計一樣，也有系統(tǒng)1，系統(tǒng)2單卡，系統(tǒng)2多卡之分，根據(jù)測量范圍和現(xiàn)場情況，也派生若干規(guī)格。

　　Q系列，R系列紅外溫度計可與計算機相聯(lián)，進行多功能控制巡回檢測。

　　4、3表面紅外線溫度計系列

　　表面溫度計是將鍍金凹半球面蓋在被測物體上，被測物體發(fā)生的輻射能量在半球和被測物體間多次反射形成一個黑體腔，然后能量經(jīng)半圓球中間小孔投射硅光電池或熱電堆控測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換可讀出溫度值。表面溫度計可測范圍0℃～1300℃。

　　熱電堆推測器響應(yīng)時間為2S，而光電池探測器響應(yīng)時間為1ms。表面溫度計屬于便攜式，使用時要注意，每次放在被測物體上的時間不能超過10S，否則鍍金半球過熱，會燒壞探測元件。表面溫度計優(yōu)點，可測高溫還可測物體發(fā)射率。

　　4、4 比色溫度計

　　比色溫度計是比單色溫度計更復(fù)雜的儀表。比色溫度計是在一個機體內(nèi)裝有兩個溫度計，兩個溫度計分別工作在不同的波長，但使用同一個光學系統(tǒng)，把兩者光軸重合。也可以使用兩個探測器，在這種情況下，內(nèi)部的光路必須分開。也可以用一個探測器，在這種情況下，決定工作波長的不同濾光片要交替置入光路中。兩個輸出信號之比，是被測物體溫度測量值。如果兩個信號以同一比例增加或減少，則比值不變。因此，在目標區(qū)有可能受到污染時，可以用比色溫度計進行測量以減少測量誤差。但是比色溫度計對表面發(fā)射率不同，將引起測量誤差。大系數(shù)表面的發(fā)射率都與波長有關(guān)，故比值信號也產(chǎn)生誤差。

　　5、消除被測環(huán)境對紅外溫度計測溫的影響

　　被測環(huán)境系指煙霧、水汽、粉塵對輻射測溫儀表的影響。可利用下述方法消除。

　　5、1 選擇合適的紅外溫度計

　　每種型號的紅外溫度計都有特定的工作波長，設(shè)計時，應(yīng)盡可能避開水汽和二氧化碳吸收波長。實驗證明，波長2.7µm和4.3µm吸收率很高。因此溫度計工作波長要避開。在選擇溫度計時，遠離吸收波段，就不會受到水汽和二氧化碳的影響。在選擇溫度計時，不只看測溫范圍和目標的大小，還要看工作波段是否避開水汽和二氧化碳的影響。

　　5、2 選擇合理的瞄測部位

　　在制定測溫位置時，選擇有利的部位，盡量避開煙霧、水汽等不利因素。如軋鋼錠前測鋼錠的溫度測溫時，可瞄準爐內(nèi)鋼錠，可在出爐時瞄準鋼錠，也可在鋼錠傳送帶上瞄準鋼錠，不一定非要在哪一個地方測溫，盡量避開環(huán)境干擾的影響。

　　5、3 吹掉瞄測光路的煙霧、水汽、粉塵

　　紅外溫度計有安裝附件可供選用。有空氣清洗器，測管等附件。吹氣有兩個作用，一是保護溫度計的透鏡免受污染;二是吹掉瞄測光路上的水汽、水滴、煙霧、粉塵以減少測量誤差。有些測溫環(huán)境惡劣的場合，可選用1米多長測管附件，加大吹氣量，確保測管內(nèi)的清潔，防止外界對測溫的干擾。

　　5、4 選擇合適的安裝位置

　　溫度計安裝在振動小，不防礙工作，煙霧、水汽、粉塵少的地方。安裝位置與被測面越近，光路吸收誤差越小。多數(shù)紅外溫度計是在距1米左右分度的，使用時，安裝部位距目標0.5～3米為宜。要根據(jù)目標大小、周圍條件、環(huán)境溫度、溫度計型號而定安置地點。一定要保證被測目標大于溫度計在該距離上要求的最小目標尺寸。

　　6、應(yīng)用概況

　　6、1 鼓風爐頂測溫本文由教育大論文下載中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理

　　鋼鐵工業(yè)是非接觸測溫傳統(tǒng)用戶。鼓風爐頂要避免因過熱而損壞，必須測量溫度。專門設(shè)計了一種鼓風爐頂安裝的附件，用兩支溫度計通過附件朝下瞄準到鼓風爐內(nèi)耐火磚上，一支溫度計使用，另一支供定期校驗用。這種用紅外溫度計測量爐頂溫度裝置，使用壽命長，不象接觸測溫裝置容易損壞。

　　6、2 鐵水測溫

　　高溫爐中鐵水溫度是影響金屬成分的主要因素之一，可是爐內(nèi)溫度難以測量，只能在鐵水出爐時測量。安置紅外溫度計則可以遠離測量鐵水及爐子溫度，測溫裝置不需要經(jīng)常維修。

　　6、3 連鑄測溫

　　連鑄是將鋼水直接鑄成鋼坯。連鑄的弧形噴水區(qū)域、較直、切段都需要控制溫度。在弧形噴水區(qū)域用幾臺紅外溫度計。較直、切段部位也用紅外溫度計測溫，準確測溫將大大改善鋼件表面質(zhì)量。

　　6、4 軋鋼測溫

　　軋鋼系指連扎、半連扎、粗軋、精軋、管、棒、板、絲及各種型材都可用紅外溫度計測量溫度。紅外溫度計瞄準運動中軋制鋼坯測溫，保證軋制出型材產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　6、5 各種加熱爐測溫

　　鋼錠在軋制之前，需要放在爐中加熱，用接觸法測溫，測出是爐堂溫度，而不是鋼錠的溫度。因此，用紅外溫度計瞄準鋼錠，測出鋼錠的溫度。鹽爐及各種熱處理爐均可用紅外溫度計測量加熱爐內(nèi)溫度。

　　6、6感應(yīng)加熱爐測溫

　　感應(yīng)加熱爐類型很多,其具有工件加熱快,工件運動等特點。需要測量工件表面溫度而不是感應(yīng)爐溫度.紅外線溫度計能瞄準工件進行精確測溫,而接觸測法達不到這樣測量效果。

　　6、7鍛件測溫

　　鋼件在鍛壓過程中,溫度是影響金相質(zhì)量的主要因素之一。鋼件在鍛壓過程中，形狀是在改變，產(chǎn)生不規(guī)則的氧化皮，固定安裝紅外線溫度計難以捕捉到理想的測溫面.要求紅外溫度計應(yīng)裝一個特制的掃描器上以一定的角度上下掃描,掃描周期為幾秒鐘.選用小目標溫度計,這樣能真實測出鍛件溫度。

　　6、8玻璃熔爐測溫

　　短波輻射能量對玻璃透過率高,但隨著玻璃厚度增加適過率減弱。玻璃熔爐中玻璃厚度至少有幾百毫米厚，已超過0.5～1.1µm波長能透過的厚度，利用這一性質(zhì),可用紅外溫度計來測量玻璃幾十毫米深度玻璃平均溫度。用幾臺紅外溫度計瞄準玻璃溶液，爐墻、爐頂，出料口等部位。安裝位置要盡量避開火焰的影響。

　　6、9玻璃成型測溫

　　無論是鋼化玻璃、平板玻璃,等在成型過程中控制成型溫度是非常重要。溫度差一點，玻璃湖狀的粘稠度大小一樣.制造出成品玻璃質(zhì)量不能保證合格。用紅外溫度計可測湖狀玻璃幾毫米厚度之內(nèi)的平均溫度。平板玻璃特別是浮法生產(chǎn)平板玻璃，控溫特別重要。出口處，錫槽退火區(qū)域，用多支紅外溫度計測出這些部位玻璃的表面溫度和玻璃內(nèi)部的平均溫度。保證成型玻璃產(chǎn)品質(zhì)量。

　　參考文獻：

　　[1] 張幼文編著，紅外光學工程上海科學技術(shù)出版社，1982、11

　　[2] R、J，凱斯主編，董培元譯測器與紅外探測器，科學出版社，1984