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紅外測溫儀的工作原理

來源:玉崎科學儀器(深圳)有限公司   2025年08月01日 09:28  

一、物理基礎:黑體輻射定律

紅外測溫的核心依據是熱輻射理論——任何溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體均會向外輻射電磁波,其波長主要集中在紅外波段(0.7μm–1000μm)

三大核心定律

  1. 斯蒂芬-玻爾茲曼定律

    • 黑體單位面積輻射功率與其絕對溫度的四次方成正比:
      M=σ?T4
      ($\sigma$:斯特藩常數 5.67×10?? W·m?2·K??;$T$:絕對溫度)

    • 實踐意義:通過測量總輻射能量反推物體溫度。

  2. 維恩位移定律

    • 峰值輻射波長$\lambda_{\max}$與溫度$T$成反比:
      λmax?=bT(b=2898 μm?K)

    • :人體37℃時$\lambda_{\max}=9.35\ \mu m$,熔鐵(1500℃)$\lambda_{\max}=1.7\ \mu m$。

  3. 普朗克輻射定律

    • 描述黑體在特定波長$\lambda$下的輻射強度:
      Mλ=C1λ5?1eC2/(λT)?1(C1=3.74×10?16 W?m2, C2=1.44×10?2 m?K)

    • 技術價值:為紅外傳感器波長選擇提供理論依據。

 關鍵結論:紅外測溫儀通過捕捉目標物體的紅外輻射能量→分析輻射波長分布→計算實際溫度


二、儀器結構與工作流程

1. 光學系統

  • 物鏡組件

    • 材料:鍺(Ge)、硒化鋅(ZnSe)等紅外透射材料(8–14μm波段透過率>90%)。

    • 功能:聚焦目標紅外輻射至探測器,視場角(FOV)決定測量區域大小(常見1°–30°)。

  • 孔徑光闌:控制入射光通量,避免探測器飽和。

2. 紅外探測器(核心傳感器)

類型原理特點適用場景
熱電堆塞貝克效應(溫差→電壓)無需制冷,響應慢(100ms級)工業手持測溫儀
光電探測器光子激發電子躍遷(InSb, HgCdTe)響應快(μs級),需液氮制冷科研、高速目標
微測輻射熱計熱敏電阻溫度變化改變電阻值室溫工作,集成于紅外熱像儀安防監控、醫療

3. 信號處理系統

  • 放大電路:將探測器輸出的μV級電壓信號放大1000倍以上。

  • 環境溫度補償

    • 內置熱敏電阻實時監測儀器內部溫度。

    • 根據修正公式消除環境溫差影響:
      T真實=(V輸出K?ε)1/4+T環境
      ($K$:校準系數;$\varepsilon$:發射率)

  • A/D轉換:將模擬信號轉為數字信號供處理器計算。

4. 溫度計算與輸出

  • 發射率校正:用戶輸入目標材質發射率$\varepsilon$(常見值:人體皮膚0.98,鋁箔0.05,陶瓷0.92)。

  • 算法處理:基于普朗克公式反演溫度值,結合環境參數校準。

  • 顯示/輸出:LCD屏幕顯示溫度,支持4–20mA/RS485等工業接口。


三、關鍵技術挑戰與解決方案

1. 發射率誤差(主要誤差源)

  • 問題:非黑體($\varepsilon<1$)輻射能量低于同溫度黑體。

  • 對策

    • 高發射率涂料(如測溫貼紙)覆蓋被測物。

    • 雙色測溫法:測量兩個波段輻射比,降低對$\varepsilon$的依賴(適用熔融金屬)。

2. 環境干擾

  • 大氣吸收:水蒸氣/CO?吸收特定紅外波段(2.7μm, 4.3μm)。

    • 對策:選用“大氣窗口”波段(3–5μm, 8–14μm)。

  • 背景輻射:高溫物體反射周邊熱源輻射。

    • 對策:調整測量角度,使用遮光罩。

3. 測量距離限制

  • 距離系數比(D:S):如20:1表示距目標20cm時可測直徑1cm的區域。

  • 對策:高D:S比鏡頭(可達300:1)用于遠距離小目標測量(高壓電線接頭)。


四、典型應用場景

領域應用案例技術需求
工業制造煉鋼爐溫監控(700–2000℃)高精度(±0.5%)、抗粉塵
電力運維變電站設備過熱預警(-20–500℃)防電磁干擾、安全距離>10m
醫療健康耳溫/額溫非接觸測量(32–42℃)響應時間<0.5秒、人體發射率校準
科學研究火箭發動機噴口溫度分布測繪(>3000℃)高速采樣(kHz級)、耐高溫鏡頭
日常生活廚房油煙溫度監測、電子設備散熱診斷便攜性、低成本

五、技術演進趨勢

  1. 多光譜測溫:同時分析3個以上波段,顯著提升復雜環境精度。

  2. AI圖像融合:紅外熱像儀+可見光攝像頭,自動識別過熱點(如光伏板故障定位)。

  3. MEMS微型化:手機集成紅外測溫模組(如FLIR One)。

  4. 無發射率測量:基于深度學習算法自適應校正材質差異。

總結:紅外測溫儀的本質是“輻射能→溫度”的高效轉換系統,其精度取決于光學設計、探測器性能、環境補償算法三者的協同優化。隨著材料與芯片技術的進步,非接觸測溫正向微型化、智能化、多維度感知方向快速發展。


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