劉培 徐標(biāo)

摘? 要：隨著科技水平的迅速發(fā)展，紅外測溫技術(shù)在疫情防控、產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著越來越大的作用，尤其在2019新冠肺炎抗疫中發(fā)揮了鑒別患者、阻斷病毒傳播的關(guān)鍵作用。同時隨著我國工業(yè)升級，紅外測溫技術(shù)在我國將扮演著越來越重要的角色，為我國的現(xiàn)代化和節(jié)能減排保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：紅外輻射? 測溫? 發(fā)射率? 誤差

中圖分類號：TG333 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0050-03

Abstract： With the rapid development of science and technology， infrared temperature measurement technology plays an increasingly important role in epidemic prevention and control， product quality control and monitoring， on-line fault diagnosis and safety protection of equipment， and energy saving， especially in 2019COVID-19， which plays a key role in identifying patients and blocking virus transmission. Meanwhile， with China's industrial upgrading， infrared temperature measurement technology will play an increasingly important role in China， escorting China's modernization， energy conservation and emission reduction.

Key Words： Infrared radiation; Temperature measurement; Emission rate; Error

現(xiàn)階段，越來越多的紅外額溫計、紅外耳溫計和工業(yè)用紅外測溫儀在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中取代傳統(tǒng)的接觸式測溫設(shè)備，極大地提高了測溫的快速性和準(zhǔn)確性。同時紅外體溫計的使用也有效的降低了病毒在不同個體之間的交叉感染的機(jī)會，阻斷了疫情的大范圍傳播。無論是人體測溫還是工業(yè)測溫，其工作原理都是紅外測溫技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用拓寬了測溫范圍，提高了測溫便捷性，使設(shè)備溫度實現(xiàn)了實時監(jiān)控與自動控制。但是隨著紅外測溫儀的使用越來越廣泛，我們發(fā)現(xiàn)在某些條件下測溫儀的測量值會存在一定誤差，為后續(xù)工作的進(jìn)行帶來影響。

1? 紅外輻射與紅外測溫的特點

紅外輻射是自然界中普遍存在的一種不可見光輻射，紅外輻射的物理原理是熱輻射。當(dāng)某一物體的表面溫度高于絕對零度時，紅外線就會向周圍空間充分散發(fā)輻射。大量的實驗研究證明，目標(biāo)物體表面溫度與紅外輻射能量之間成正比例，即被測物體表面溫度的高低能夠?qū)椛淠芰可l(fā)的多少起促進(jìn)作用，因此，紅外輻射中的熱效應(yīng)是非常明顯的。紅外測溫儀中使用紅外輻射的應(yīng)用能夠?qū)θ搜劭床坏降募t外線做出靈敏反應(yīng)，但不同波長段范圍的紅外輻射代表著不同的被測溫度，使用過程中需仔細(xì)辨認(rèn)。在進(jìn)行不同的生產(chǎn)、生活應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)所測量溫度范圍的不同選擇相應(yīng)波長段的紅外測溫設(shè)備。

紅外測溫技術(shù)是現(xiàn)階段隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種新型的溫度測量技術(shù)。與傳統(tǒng)測量方式不同，紅外測溫不需要接觸被測物體，因此在測量距離較遠(yuǎn)物體的溫度或高溫高壓等測量難度較大的物體方面具有明顯優(yōu)勢。其次，紅外測溫具有與紅外輻射相似的靈敏性，通過斯特藩-玻耳茲曼定理可知，物體的紅外輻射量與物體實際溫度之間是四次方的理論關(guān)系。由此，即便物體實際溫度只發(fā)生十分微小的變化，最終的測量結(jié)果也會產(chǎn)生很大變化。更為重要的一點是，紅外測溫技術(shù)測量的準(zhǔn)確性是非常高的，并不會由于不與被測物體接觸而對準(zhǔn)確性造成影響，反而能夠保護(hù)被測物體原本的溫度分布情況。這樣一來，采用紅外輻射進(jìn)行測溫所得數(shù)值的真實性就大大增加。此外，紅外測溫的使用范圍非常廣泛，低到零下幾十度，高到零上千度的溫度測量都能夠正常進(jìn)行。在使用場合方面也沒有明顯的規(guī)定，幾乎各種符合測量條件的場合都可以使用，如工業(yè)生產(chǎn)中高溫環(huán)境的窯爐、有色金屬的連鑄及各種軍事應(yīng)用的發(fā)動機(jī)內(nèi)部溫度等。

2? 紅外輻射測溫原理及使用

紅外輻射測溫過程的實現(xiàn)與紅外測溫儀內(nèi)部的傳感器有直接關(guān)系。當(dāng)被測量物體發(fā)出的某一波長范圍的輻射內(nèi)部能量傳輸?shù)郊t外測溫儀的光路上時，儀器內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)會將探測到的紅外輻射能量傳遞至紅外傳感器中。經(jīng)過內(nèi)部傳感器的熱電勢處理，所吸收的能量能夠轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)入放大電路，最終通過處理將測量溫度在信號終端顯示出來。

3? 紅外輻射測溫影響因素的誤差分析

3.1 環(huán)境因素

所測目標(biāo)周圍的環(huán)境變化及其他因素能夠?qū)t外測溫數(shù)值及靈敏度產(chǎn)生影響，如當(dāng)前環(huán)境溫度變化、光輻射以及空氣流動等。在這里我們主要對環(huán)境溫度變化對紅外輻射測溫結(jié)果產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析。我們假設(shè)被測目標(biāo)的實體溫度為T1，當(dāng)前外界環(huán)境溫度為T2，根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定理可得，AεσT14為每單位面積通過空氣媒介傳輸?shù)妮椛淠芰浚珹ασT24為該單位面積內(nèi)所能吸收的輻射能量，兩者相減就可以得出目標(biāo)物體在當(dāng)前環(huán)境溫度下的凈輻射能。這里的A代表的是目標(biāo)物體的單位面積，ε代表目標(biāo)物體的發(fā)射率，α代表與前者相反的目標(biāo)物體的吸收率。在一定條件下，ε與α可以實現(xiàn)數(shù)值相等，但外界環(huán)境溫度會不斷變化，因此目標(biāo)物體的凈輻射能也會不斷改變，從而造成測量溫度的變化。表1為目標(biāo)物體溫度變化及環(huán)境溫度變化對能量誤差造成的影響。

3.2 發(fā)射率

發(fā)射率所呈現(xiàn)的是目標(biāo)物體的輻射能力與客觀條件相同狀態(tài)下的黑體輻射能力之間的比例關(guān)系。發(fā)射率的數(shù)值在0～1之間不斷變化，通過計算數(shù)值的高低還可以判斷目標(biāo)物體輻射能力的強(qiáng)弱。在這里我們同樣利用假設(shè)的方法進(jìn)行論證，ε1代表目標(biāo)測量物體的實際發(fā)射率，ε2代表紅外測溫儀參數(shù)設(shè)置的發(fā)射率，T1代表被測物體的真實溫度，T2代表紅外測溫儀最終結(jié)果，環(huán)境溫度視為TO。根據(jù)被測物體在環(huán)境溫度下的發(fā)射率等于紅外測溫儀在環(huán)境溫度下的發(fā)射率，即紅外輻射測溫定律可計算出目標(biāo)測量物體的實際發(fā)射率與經(jīng)過參數(shù)設(shè)定的紅外測溫儀發(fā)射率。當(dāng)然，我們也可以將上述字母用數(shù)字代替進(jìn)行驗證。假設(shè)TO所代表的外界環(huán)境溫度為20℃，紅外測溫儀最終的結(jié)果為50℃，ε1、ε2的數(shù)值分別為0.95、0.98。根據(jù)上述定律可計算出被測物體的實際溫度為50.38℃。此時，我們繼續(xù)改變被測物體的實際發(fā)射率即ε1，將其改為0.8，其他數(shù)值均不變，繼續(xù)對被測物體的實際溫度進(jìn)行計算，可以得出此時物體的實際溫度為52.52℃。這樣一來，我們就可以明顯看到兩者之間存在的誤差，由此也可以證明不論是在理論基礎(chǔ)還是實際測量，發(fā)射率都能夠造成一定誤差。要想最大程度上獲取精確測量結(jié)果，減少誤差，需要首先排除目標(biāo)物體發(fā)射率的影響，確認(rèn)排除后再開始對被測物體進(jìn)行測溫。我們常見的工業(yè)設(shè)備的發(fā)射率都是相對穩(wěn)定的，基本維持在0.85～0.95之間。因此，大部分紅外測溫儀的發(fā)射率將0.95作為固定值。

3.3 距離系數(shù)

設(shè)計紅外測溫設(shè)備時候一個重要的環(huán)節(jié)就是光路設(shè)計，距離系數(shù)K就是其中一個關(guān)鍵參數(shù)，它代表著紅外測溫儀分辨率的高低。K=S/D，這里的S是指目標(biāo)物體與紅外測溫儀之間的距離數(shù)值，D則代表被測物體的實際直徑，兩者之間數(shù)值相比對紅外測溫儀分辨率的高低進(jìn)行判定，若計算得出的K值較大，則代表紅外測溫儀分辨率較高。由此可以看出，K值與紅外測溫儀分辨率之間是正相關(guān)的。若實際測量過程中，目標(biāo)物體與紅外測溫儀之間的距離增大并超過其自身光路設(shè)計，紅外測溫儀所呈現(xiàn)的物體比例就會隨之縮小。當(dāng)縮小到一定程度目標(biāo)物體比例就會小于紅外測溫儀視場，此時測量的輸出數(shù)據(jù)就會相對減少，誤差由此產(chǎn)生。因此在使用過程中，要想減小紅外測溫儀的使用誤差，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的K值和被測物體的尺寸來確定合適的測量距離，減小距離因素帶來的影響。

4? 結(jié)語

綜上所述，造成紅外測溫儀測量結(jié)果誤差的因素很多，環(huán)境因素、發(fā)射率以及光路設(shè)計都是對測量結(jié)果有重要影響的環(huán)節(jié)。因此在使用時我們應(yīng)該注意以下幾點來減少不恰當(dāng)?shù)牟僮鲙淼臏y溫誤差：（1）首先要盡可能的減少環(huán)境中的溫度、輻射以及風(fēng)速等對設(shè)備造成直接影響;（2）根據(jù)所測溫度的不同選擇相對應(yīng)波長段的紅外測溫設(shè)備;（3）根據(jù)所測物體表面性質(zhì)的不同，調(diào)整紅外測溫設(shè)備的發(fā)射率來獲取正確的溫度數(shù)據(jù);（4）研究所使用紅外測溫設(shè)備的光路設(shè)計，根據(jù)所測物體外形尺寸的不同選擇正確的測溫距離;（5）同時在實際應(yīng)用過程中，要注意保持紅外測溫設(shè)備的部件可靠性和穩(wěn)定性，減少因設(shè)備維護(hù)原因造成的溫度測量誤差。

參考文獻(xiàn)

[1] 金輝，王曉嵐，孫健.紅外測溫儀測量準(zhǔn)確度的影響因素分析及修正方法[J].上海計量測試，2019，46（5）：34-38.

[2] 許濤.高線紅外測溫的影響因素及解決措施研究[J].冶金與材料，2019，39（5）：43，45.

[3] 劉純紅，熊丹，董勇，等.輻射換熱角系數(shù)理論對紅外輻射測溫的優(yōu)化[J].量子電子學(xué)報，2019，36（4）：490-494.

[4] 王磊.基于輻射測溫理論的比色測溫儀的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[5] 郝璽.黑體輻射測溫法對Cu液—固相變溫度的研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2017.

[6] 解樂.道面溫度測量系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.