1、第1章 人體紅外線測溫儀的理論依據1.1黑體輻射與紅外測溫原理一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1，其它的物質反射系數小于1，稱為灰體。應該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，

2、從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點，故稱黑體輻射定律。由于黑體的光譜輻射功率Pb()與絕對溫度 之間滿足普朗克定理： （1）其中，Pb()黑體的輻射出射度；波長；T絕對溫度；c1、c2輻射常數。式（1）說明在絕對溫度 下，波長處單位面積上黑體的輻射功率為Pb()。根據這個關系可以得到下圖1的關系曲線：圖1 黑體輻射的光譜分析從圖1中可以看出：(1)隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強。這是紅外輻射理論的出發點，也是單波段紅外測溫儀的設計依據。(2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(向左)，并滿足維恩位移定理T *m = 2897.8 m

3、*K，峰值處的波長m與絕對溫度 成反比，虛線為m 處峰值連線。這個公式告訴我們為什么高溫測溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。(3)輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的測溫儀相對信噪比高(靈敏度高)，抗干擾性強，測溫儀應盡量選擇工作在峰值波長處，特別是低溫小目標的情況下，這一點顯得尤為重要。根據斯特藩玻耳茲曼定理黑體的輻出度 Pb()與溫度 的四次方成正比， 即： (2)式中，Pb(T)溫度為T 時，單位時間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度；斯特藩玻耳茲曼常量；T物體溫度。式（2）中黑體的熱輻射定律正是紅外測溫技術的理論基礎。如果在條件相同情況下，物

4、體在同一波長范圍內輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻出度 Pb()小于黑體的單色黑度()，即實際物體接近黑體的程度。()= P(T)/ Pb(T) (3)考慮到物體的單色黑度()是不隨波長變化的常數，即 ()=，稱此物體為灰體。它是隨不同物質而值不同，即使是同一種物質因其結構不同值也不同，只有黑體=1，而一般灰體0<<1，由式(2)可得：所測物體的溫度為： (4)式(4)正是物體的熱輻射測溫的數學描述。1.2人體紅外線測溫儀的理論依據自然界一切溫度高于絕對零度(-273.15)的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其輻射能量密度與物體

5、本身的溫度關系符合輻射定律。紅外輻射原理 輻射定律： （2.1）式中：為輻射出射度數，；為斯蒂芬波爾茲曼常數，；為物體的輻射率；為物體的溫度，單位；為物體周圍的環境溫度，單位。測量出所發射的，就可得出溫度。利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。在不同的溫度范圍，對象發出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0100）范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設計也不同。根據式（2.1）的原理，儀表所測得的紅外輻射為： （2.2）式中：為光學常數，與儀表的具體設計結構有關；為被測對象的輻射率

6、；為紅外溫度計的輻射率；為被測對象的溫度（K）；為紅外溫度計的溫度（K）；它由一個內置的溫度檢測元件測出。輻射率是一個用以表達物體發射電磁波能力的系數，數值由0至1.0。所有真實的物體，包括人體各部位的表面，其值都是某個低于1.0的數值。人體主要輻射波長在910的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術的最大優點是測試速度快，1秒以內可測試完畢。紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處

7、理、顯示輸出等部分組成。第二章 人體紅外線測溫儀的性能指標及作用總的來說，測溫范圍、顯示分辨率、精度、工作環境溫度范圍、重復性、相對濕度、響應時間、電源、響應光譜、尺寸、最大值顯示、重量、發射率等都是紅外線測溫儀的性能指標。1、確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。2、確定目標尺寸：紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。否則背景會干擾測溫讀數，造成誤差。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。 3、確定距離系數（光學分辨率）：

8、距離系數由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與被測目標直徑之比。如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝在遠離目標之處， 而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀。光學分辨率越高，測溫儀的成本也越高。4、確定波長范圍 ：目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長對于高反射率合金材料，有低的或變化的發射率。5、確定響應時間：響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時間常數有 關。6、信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產）和連續過程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持

9、、谷值保持、平均值）。7、環境條件考慮：測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起損壞。8、紅外輻射測溫儀的標定：紅外測溫儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。 第三章 影響溫度測量的主要因素及修正方法3.1紅外測溫誤差分析由于紅外測溫是非接觸式的，這樣會存在著各種誤差，影響誤差的因素很多，除了儀器本身的因素外，主要表現在以下幾個方面：1、 輻射率輻射率是一個物體相對于黑體輻射能力大小的物理量，它除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸度等有關，還與測試的方向有關。若物體為光潔表面時，其方向性更為敏感。不同物質的輻射率是不同的，紅外測溫儀

10、從物體上接收到輻射能量大小正比于它的輻射率。（1） 輻射率的設定根據基爾霍夫定理：物體表面的半球單色發射率()等于它的半球單色吸收率()，=。在熱平衡條件下，物體輻射功率等于它的吸收功率，即吸收率()、反射率()、透射率()總和為1，即+=1，圖4 解釋了上述規律。對于不透明的(或具有一定厚度)的物體透射率可視=0，只有輻射和反射(+=1)，當物體的輻射率越高，反射率就越小，背景和反射的影響就會越小，測試的準確性也就越高；反之，背景溫度越高或反射率越高，對測試的影響就越大。由此可以看出，在實際的檢測過程中必須注意不同物體和測溫儀相對應的輻射率，對輻射率的設定要盡量準確，以減小所測溫度的誤差。圖

11、4 目標的紅外輻射（2） 測試角度輻射率與測試方向有關，測試角度越大，測試誤差越大，在用紅外進行測溫時，這一點很容易被忽視。一般來說，測試角最好在30°C 之內，一般不宜大于45°C，如果不得不大于45°C 進行測試，可以適當地調低輻射率進行修正。如果兩個相同物體的測溫數據要進行判斷分析，那么在測試時測試角一定要相同，這樣才更具有可比性。2、 距離系數距離系數(K=S:D)是測溫儀到目標的距離S 與測溫目標直徑D 的比值，它對紅外測溫的精確度有很大影響，K 值越大，分辨率越高。因此，如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光

12、學分辨率的測溫儀，以減小測量誤差。在實際使用中，許多人忽略了測溫儀的光學分辨率。不管被測目標點直徑D 大小，打開激光束對準測量目標就測試。實際上他們忽略了該測溫儀的S:D 值的要求，這樣測出的溫度會有一定的誤差。比如，用測量距離與目標直徑S:D=8:1 的測溫儀，測量距離應滿足表2 的要求。表2 S 值應滿足的要求目標大小D(mm)1550100200測量距離S(mm)<120<400<800<16003、 目標尺寸被測物體和測溫儀視場決定了儀器測量的精度。使用紅外測溫儀測溫時，一般只能測定被測目標表面上確定面積的平均值。一般測試時有以下三種情況：(1)當被測目標大于測

13、試視場時，測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響，就能顯示被測物體位于光學目標內確定面積的真實溫度，這時的測試效果最好。(2)當被測目標等于測試視場時，背景溫度已受到影響，但還比較小，測試效果一般。(3)當被測目標小于測試視場時，背景輻射能量就會進入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數，造成誤差。儀器僅顯示被測物體和背景溫度的加權平均值。因此建議在實際測溫時，被測目標尺寸超過視場大小的50%為好，具體情況如圖5 所示。圖5 目標與視場示意圖4、 響應時間響應時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時間常數有關。如果目

14、標的運動速度很快或者測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。但并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間可放寬要求。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。5、 環境因素 被測物體所處的環境條件對測量的結果有很大的影響，它主要體現在兩個方面，即環境的溫度和精晰度。(1) 環境溫度的影響設被測目標的溫度為T1，環境溫度為T2 時，該目標單位面積表面發射的輻射能為，而相應地被它所吸收輻射能為，則該物體發出的凈輻射能Q 為: Q=- （5）式中，A單位面積；物體的輻射率；吸收率。設被

15、測物體的 和兩者相等，由式(5)可得： (6)表3 提供了感受波長在(912m)的測溫儀在環境溫度為270K330K 范圍，對從300K1000K 目標溫度進行測量時產生的能量誤差(%)。由表中可以看出，隨著環境溫度的升高，產生的附加輻射影響就越大，測溫的誤差也就越大。表 3 能量誤差隨目標溫度計環境溫度的變化曲線目標溫度環境溫度27028029030031032033030020.3723.5026.7430.0033.2336.4539.594007.298.6310.0911.6513.2815.0016.775003.644.355.125.956.867.828.836002.232

16、663.153.684.254.865.527001.531.842172.542.943.373.848001.141.371.621.902.202.532.889000.931.121.331.551.802.072.3510000.750.901.071.251.451.661.90(2) 大氣吸收的影響紅外線在輻射的傳輸過程中，由于大氣的吸收作用，能量總要受到一定的衰減。大氣吸收是指在傳輸過程中使一部分紅外線輻射能量變成其它形式的能量，或以另一種光譜分布。大氣吸收程度隨空氣溫溫變化而變化，被測物體距離越遠，大氣透射對溫度測量的影響就越大。所以，在室外進行紅外測溫時，應盡量在無雨、無霧

17、、空氣比較清晰的環境下進行。在室內進行紅外測溫時，應在沒有水蒸氣的環境下進行，這樣就可以在誤差最小的情況下測得較準確的數值。3.2影響紅外人體測溫儀的因素有：1、測溫目標大小與測溫距離的關系：在不同距離處，可測的目標的有效直徑D是不同的，因而在測量小目標時要注意目標距離。人體紅外測溫儀距離系數K的定義為：被測目標的距離L與被測目標的直徑D之比，即K=L/D。 2、選擇被測物質發射率：人體紅外測溫儀一般都是按黑體（發射率=1.00）分度的，而實際上，物質的發射率都小于1.00。因此，在需要測量目標的真實溫度時，必須設置發射率值。物質發射率可從輻射測溫中有關物體發射率的數據中查得。3、測量溫度時的

18、環境因素：測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大的影響，應予考慮并適當解決，否則會影響測溫精度。本設計中正是利用了PM611熱釋電紅外線傳感器可以補償溫度起伏的作用，實現準確測溫。 4、強光背景里目標的測量：若被測目標有較亮背景光（特別是受太陽光或強燈直射），則測量的準確性將受到影響，因此可用物體遮擋直射目標的強光以消除背景光干擾。 5、溫度輸出功能：首先模擬信號輸出05V，15V，010V，0/420毫安，可以加入閉環控制中。其次高報警、低報警生產過程中要求控制溫度在某個范圍里，可設置高，低報警值。高報警：在高報警設置打開的情況下，當溫度高于高報警值，相應的LED燈閃爍，蜂鳴器響，并有AH常開繼電器接通。由于在溫度測量時是在不確定的環境中進行的，所以外界環境會對測溫造成一定的影響，對測量結果產生誤差，所以要對環境溫度有一個修正。 由2.1節輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應公式為： (2.3)式中：為與熱釋電響應特性及物體表面發射率有關的常數，為物體表面溫度，為環境溫度。根據表達式（2.3）可以得到不同的標定公式： （1）簡單關系式，即 （2.4）式中：，應用此公式所作的標定實驗結果見表1，表中數據表明，