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

　　關鍵詞：紅外探測器,測溫,特性參數

　　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、電組成系統其中紅外探測器是關鍵元件。紅外探測器的工作原理是基于光輻射至探測器時，產生光電效應，轉化為熱電信號。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

　　為了恰當地比較探測器的性能，要了解紅外探測器的基本特性參數。

　　2、1 光譜響應

　　探測器的光譜響應是最基本的特性參數，它的概念描述的是輸出信號與入射波長的關系。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，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，其相對應與波長無關。圖1是光探測器和熱探測器的理想光譜響應曲線。其中X軸為波長,Y軸為單位波長間隔內單位輻射功率下的相對信號電壓。

　　圖1 光譜響應曲線

　　從探測器設計角度分析，了解探測器的光譜響應范圍是很重要的，這樣可以根據目標的輻射特性，選擇合適的探測器。應當注意的是，探測器的光譜響應與探測器窗口(濾光片)以及紅外線溫度計的光學系統，特別是透射式光學系統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考慮。

　　2、2響應率R

　　響應率等于單位輻射功率射到探測器上所產生的信號電壓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)。從設計角度看，設計探測器相匹配的前置放大器時，考慮整機電子系統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定值.這種滯后時間叫探測器響應時間。對于光探測器時間常數很短, 滯后時間在微秒級。而大多數熱探測器時間常數較大,通常毫秒級.從探測器使用角度，知道探測器的響應速度,就可以根據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,由于環境溫度變化也會使R、D、Vn 變化。所以，在設計時，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制成的。它不需要偏置，不需要調制，在寬的環境溫度范圍內直流響應率不變，其壽命長，廣泛應用于紅外溫度計中。

　　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，較高探測率，其工作頻率達幾百千赫，遠超過其他探測器。響應率受環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。它是一種發展早應用廣泛的探測器。它的響應率R受環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，它的制造工藝簡單，其穩定性和可靠性高。因此熱敏電阻探測器獲得廣泛應用。

　　3、4 硫化鋁探測器

　　硫化鋁探測器是成熟的薄膜型探測器，一般用真空蒸發式化學沉淀制成。這種探測器在比色溫度計中應用。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、玻璃制造等工業行業的應用。測度范圍400℃～2500℃。

　　每種型號的Q系列溫度計，按其結構和具有功能來分，有系統1、系統2單卡，系統2多卡等種類。

　　系統1溫度計是簡單一種，結構簡單，價格便宜。缺點是其輸出信號與溫度成非線性關系。

　　系統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2溫度計除標準型外，還可制成許多變型產品，如用于測量小目標產品。

　　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范圍寬的熱電堆作為探測器，配上不同的透鏡，濾光片構成不同工作段儀表。R系列溫度計光譜響應很寬，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，是根據實驗室環境溫度、濕度情況下進行刻度的。現場應用時環境溫度、濕度、安裝距離都與標準狀態不同，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1，系統2單卡，系統2多卡之分，根據測量范圍和現場情況，也派生若干規格。

　　Q系列，R系列紅外溫度計可與計算機相聯，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，然后能量經半圓球中間小孔投射硅光電池或熱電堆控測器上，經過光電轉換可讀出溫度值。表面溫度計可測范圍0℃～1300℃。

　　熱電堆推測器響應時間為2S，而光電池探測器響應時間為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。表面溫度計優點，可測高溫還可測物體發射率。

　　4、4 比色溫度計

　　比色溫度計是比單色溫度計更復雜的儀表。比色溫度計是在一個機體內裝有兩個溫度計，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，把兩者光軸重合。也可以使用兩個探測器，在這種情況下，內部的光路必須分開。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射率不同，將引起測量誤差。大系數表面的發射率都與波長有關，故比值信號也產生誤差。

　　5、消除被測環境對紅外溫度計測溫的影響

　　被測環境系指煙霧、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，設計時，應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。要根據目標大小、周圍條件、環境溫度、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

　　鋼鐵工業是非接觸測溫傳統用戶。鼓風爐頂要避免因過熱而損壞，必須測量溫度。專門設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。連鑄的弧形噴水區域、較直、切段都需要控制溫度。在弧形噴水區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，保證軋制出型材產品的質量。

　　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溫度。

　　6、6感應加熱爐測溫

　　感應加熱爐類型很多,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,溫度是影響金相質量的主要因素之一。鋼件在鍛壓過程中，形狀是在改變，產生不規則的氧化皮，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,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的平均溫度。平板玻璃特別是浮法生產平板玻璃，控溫特別重要。出口處，錫槽退火區域，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部的平均溫度。保證成型玻璃產品質量。

　　參考文獻：

　　[1] 張幼文編著，紅外光學工程上海科學技術出版社，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