史恩忠 楊寶華 / 馬鞍山市計(jì)量測(cè)試研究所

紅外測(cè)溫儀檢定誤差原因剖析及對(duì)策

史恩忠 楊寶華 / 馬鞍山市計(jì)量測(cè)試研究所

介紹黑體爐及紅外測(cè)溫儀的基本工作原理。分析紅外測(cè)溫儀檢定時(shí)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，并提出了減小誤差的措施和方法。

紅外測(cè)溫儀；黑體爐；測(cè)量誤差；措施方法

0 引言

直接式測(cè)溫儀與紅外測(cè)溫儀相比具有更多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于冶金、石化、電力等許多領(lǐng)域，在測(cè)量計(jì)量中發(fā)揮著巨大的作用。要保證紅外測(cè)溫儀量值傳遞的準(zhǔn)確可靠，做好定期的檢定校準(zhǔn)是必須的，然而怎樣才能做好紅外測(cè)溫儀的檢定校準(zhǔn)？在以標(biāo)準(zhǔn)黑體爐作為主要標(biāo)準(zhǔn)器檢定紅外測(cè)溫儀的實(shí)際工作中，常有溫度讀數(shù)偏差較大、檢定數(shù)據(jù)難以判斷的情況。因此，探討紅外測(cè)溫儀檢定誤差產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決辦法，就顯得尤為重要。

1 基本原理

1.1 黑體爐

紅外測(cè)溫儀所測(cè)得的溫度是物體的輻射溫度而不是物體的實(shí)際溫度。紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)化檢定方法是采用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐檢定[1-2]。黑體爐是一種實(shí)用的黑體輻射源，黑體腔體放置在特定的恒溫場(chǎng)中，它是黑體空腔理論[3]在實(shí)際測(cè)溫中的具體應(yīng)用。黑體爐一般都是由加熱體和發(fā)射近似黑體輻射的腔體組成。中溫黑體爐（300 ～ 1 200 ℃）一般用電阻絲加熱，爐管中間部位放置黑體空腔。通過(guò)精確的自動(dòng)控溫調(diào)整，黑體腔體所在區(qū)域的技術(shù)指標(biāo)：水平溫差不大于0.05 ℃，垂直溫差不大于0.10 ℃；溫度波動(dòng)度不大于±0.1 ℃/10 min。輻射黑體源的腔體置于這樣的工作區(qū)域內(nèi)，其靶面的溫度均勻性小于1.0 ℃，控溫穩(wěn)定度不大于0.3 ℃/10 min?？涨徊捎貌讳P鋼或鎳鎘合金制成，并在高溫下進(jìn)行充分氧化發(fā)黑處理，以提高其表面的發(fā)射率，其有效發(fā)射率可達(dá)到0.995。

1.2 紅外測(cè)溫儀

紅外測(cè)溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性,依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測(cè)器 (傳感器) ,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后，終端顯示被測(cè)物體的溫度。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，按照儀器內(nèi)部的計(jì)算和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的輻射溫度值[4]。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、煙霧、塵埃、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。

2 紅外測(cè)溫過(guò)程中的誤差分析

紅外測(cè)溫儀通過(guò)接收目標(biāo)物體的輻射能量來(lái)測(cè)量其表面溫度。由于紅外測(cè)溫是非接觸式的，導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中會(huì)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(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 距離系數(shù)

距離系數(shù)（K=S∶D）是紅外測(cè)溫儀探頭到被測(cè)目標(biāo)之間的距離S與被測(cè)目標(biāo)直徑D的比值（這里的被測(cè)目標(biāo)直徑指標(biāo)準(zhǔn)黑體爐的腔口直徑，也即輻射源靶面直徑）。它對(duì)紅外測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確度有很大影響，K值越大，光學(xué)分辨力越高。在實(shí)際的檢定校準(zhǔn)工作中，許多人忽略了測(cè)溫儀對(duì)距離系數(shù)的要求。不管被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)直徑D的大小，這樣測(cè)量得到的結(jié)果會(huì)有一定的誤差。例如，用距離系數(shù)為S∶D =8∶1的測(cè)溫儀，測(cè)量距離應(yīng)滿(mǎn)足表1的要求。

因此，如果測(cè)溫儀由于測(cè)量條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量較小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨力的測(cè)溫儀，以減小測(cè)量誤差。需要指出的是，在用測(cè)溫儀瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)目標(biāo)的直徑是不變的，而測(cè)溫儀的測(cè)量距離要求應(yīng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果的實(shí)際情況來(lái)確定。即遵循示值最大化原則，在規(guī)定的測(cè)量距離上，以測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)目標(biāo)測(cè)量結(jié)果中的最大值所對(duì)應(yīng)的距離來(lái)確定測(cè)溫儀的實(shí)際測(cè)量距離。

表1 測(cè)量距離與目標(biāo)直徑對(duì)應(yīng)值

2.2 測(cè)量的方向與角度

紅外測(cè)溫儀從物體上接收到的輻射能量大小正比于它的發(fā)射率。物體的發(fā)射率除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸程度等有關(guān)，還與測(cè)量時(shí)的方向與角度有關(guān)。若物體為光潔表面時(shí)，其方向性更為敏感。測(cè)量角度越大，則測(cè)量誤差越大。在對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)時(shí)，這一點(diǎn)很容易被忽視。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)紅外測(cè)溫儀應(yīng)垂直對(duì)準(zhǔn)黑體爐腔口，其光軸與輻射源靶面軸線重合。測(cè)量時(shí)角度最好控制在30°以?xún)?nèi)，不宜大于45°。如果不得不大于45°進(jìn)行測(cè)量，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低測(cè)溫儀的發(fā)射率進(jìn)行修正[5]。在實(shí)際的檢定過(guò)程中應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)黑體爐和測(cè)溫儀相對(duì)應(yīng)的發(fā)射率，對(duì)紅外測(cè)溫儀發(fā)射率的設(shè)定調(diào)整要盡量準(zhǔn)確，必要時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)黑體爐和測(cè)溫儀發(fā)射率的換算，以減小所測(cè)量溫度的誤差。需要注意的是，如果要對(duì)兩個(gè)相同物體的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，那么在測(cè)量時(shí)測(cè)量角度一定要相同，這樣才更具有可比性。

2.3 被測(cè)目標(biāo)尺寸

被測(cè)目標(biāo)尺寸和紅外測(cè)溫儀的視場(chǎng)決定了儀器測(cè)量的準(zhǔn)確度。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫時(shí)，只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上確定面積的溫度值。在定測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)確保被測(cè)目標(biāo)面積等于或大于受測(cè)的測(cè)溫儀視場(chǎng)。激光瞄準(zhǔn)器型測(cè)溫儀，激光點(diǎn)應(yīng)在目標(biāo)中心的上方，有12 mm的偏置距離。一般測(cè)量時(shí)有以下三種情況：（1）當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，測(cè)溫儀不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景輻射能量影響，能夠顯示被測(cè)物體位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實(shí)溫度，這時(shí)的測(cè)量效果最好。就如在檢定紅外測(cè)溫儀時(shí)，黑體輻射源靶面直徑應(yīng)大于或等于測(cè)溫儀要求的目標(biāo)直徑。（2）當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，已受到背景輻射能量影響，但影響還比較小，測(cè)量效果一般。（3）當(dāng)被測(cè)目標(biāo)小于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，背景輻射能量就會(huì)干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。因此在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)超過(guò)測(cè)溫儀視場(chǎng)大小的50%為好。

2.4 響應(yīng)時(shí)間和環(huán)境因素

響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要的時(shí)間。它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要同被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。如果被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或溫度變化的速度很快，要選用快速響應(yīng)的測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量準(zhǔn)確度；對(duì)于靜止的目標(biāo)或溫度變化速度慢的目標(biāo)，則測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間可以放寬要求。此外，環(huán)境溫度的較大變化將影響紅外測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確度，對(duì)于待檢定的紅外測(cè)溫儀需要在實(shí)驗(yàn)室放置30 min以上才可以進(jìn)行檢定。

3 結(jié)語(yǔ)

影響紅外測(cè)溫儀檢定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的原因很多，但只要深入研究檢定過(guò)程中應(yīng)注意的一些問(wèn)題，掌握標(biāo)準(zhǔn)黑體爐和紅外測(cè)溫儀的工作原理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及被檢儀器的各個(gè)部分進(jìn)行認(rèn)真分析，就不難找出合理的減少測(cè)溫誤差的方法，從而保證紅外測(cè)溫儀檢定工作的正常開(kāi)展。

[1] JJG 415-2001工作用輻射溫度計(jì)檢定規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2001.

[2] JJG 67-2003工作用全輻射溫度計(jì)檢定規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003.

[3] 常蕾，趙儉，武建紅. 銥金屬管黑體腔高溫傳感器發(fā)射率研究[J]. 工業(yè)計(jì)量，2013，（03）：35-36.

[4] 曾強(qiáng)，舒芳譽(yù)，李清華. 紅外測(cè)溫儀的工作原理及應(yīng)用[J]. 電子質(zhì)量，2007，（01）：25-26.

[5] 孫文錦. 如何用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行精確測(cè)量[J]. 工業(yè)計(jì)量，2010，（S1）：90-93.

The calibration of infrared temperature measurement error analysis of causes and
countermeasures

Shi Enzhong，Yang Baohua
（Ma′anshan Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduces the basic theory of blackbody furnace and infrared thermometer. Combined with the actual situation of the veri fi cation, divided Analysis of the causes of the infrared thermometer inspection timing measurement errors，and puts forward some measures and methods to reduce errors

infrared temperature instrument；blackbody furnace；measurement error；methods