非接觸式溫度傳感器基礎知識
- 發(fā)布時間：2018-12-15
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您是否確信某種接觸式傳感器無法滿足您的應用要求？即使不是，那么還是請您遠離非接觸式器件，因為它們會帶來一些特殊的難題。而且，不要完全出于初始采購和安裝成本的考慮而偏向其中的一種方案。您需把維護成本因素也考慮進去，尤其是當傳感器在惡劣環(huán)境中工作或故障停工時將引發(fā)災難性后果。
市面上的非接觸式溫度傳感器形狀各異（圖1），每種構造的傳感器都具有與眾不同的獨特規(guī)格表。雖然這些器件名稱各異，但是從技術層面而言，它們都是熱紅外輻射溫度計。在本文中，我們將它們稱作“IRT”。它們可以是便攜式或固定安裝式、高端或低端、昂貴或便宜。
所有IRT的工作原理都依據(jù)普朗克熱輻射定律。它們所測量的大部分輻射位于電磁頻譜的IR部分。
您需要做些什么？
在選擇和使用非接觸式溫度傳感器時，將會遇到三大難題：
● 填充視場
● 克服物體透明度問題
● 實現(xiàn)正確的發(fā)射率調(diào)整
視場 物體的熱輻射“體現(xiàn)”出了其表面的溫度，這一點與無線電信標非常相似。不同之處在于在IRT測量中，熱輻射來自于物體表面上的一個已知大小的斑點。您需要捕獲所有輻射，而不能讓任何輻射在沿途上被阻隔。
在一段特定距離上的斑點直徑（也就是一段給定距離上的“視錐”的橫截面面積）由器件的光學特性來決定。一般來說，距傳感器越遠，斑點的直徑就越大。斑點尺寸常常用一個比值來表示，比如50:1或10:1。這意味著小的目標斑點直徑為傳感器至感興趣物體間距離的1/50或1/10（圖2）。
如果物體具有一個圓形橫截面（圖3），而且視野沿著直徑，則需確定所測量的嚴重彎曲的表面的大小是被觀察物體的一小部分。換句話說就是斑點直徑應為曲面有效直徑的25%或更小。
還要保證視錐角內(nèi)無障礙，否則檢測器將無法接收到進行有效測量所需的全部輻射。如果位置斑點大于物體，或者視錐角被部分阻斷，則測得的溫度將低于真實溫度。
如果不能確實地填充斑點直徑或保持視錐的暢通，則不妨考慮采用雙色或比例式IRT。這樣做可能會使準確度稍有損失，還可能影響響應速度，費用支出也將會小幅增加，但是，這些器件是專用于視距路徑被部分阻塞、視錐發(fā)生改變，或者有物體移入和移出視野的場合中的。它們對于發(fā)射率比值的變化非常敏感，不過這不在本文的討論范圍之內(nèi)。
透明度問題 大多數(shù)（但不是全部）有機材料和建筑材料（比如磚塊、木材、金屬、瀝青、巖石和礦石等）都是不透明的。但是，許多塑料在IR光譜中是半透明的，因此需要采用特殊的波段，以使相其對于傳感器來說是基本不透明。
其他會帶來透明度問題的物質(zhì)包括半導體材料（硅、砷化鎵）、某些涂料、一些光學材料（如氯化銀、藍寶石、石英、氯化鈉、鍺）以及許多特殊的晶體產(chǎn)品。
發(fā)射率校正 如果有人試圖告訴您這是一個微不足道的問題，請千萬不要信以為真。雖然這并非小事一樁，但一旦將它分解成三種您有可能遇到的情形，那么處理起來就變得相當容易了：
● 感興趣的物體處于或非常接近周圍環(huán)境溫度。
● 物體的溫度高于環(huán)境溫度。
● 物體的溫度低于環(huán)境溫度。
物體的光學性質(zhì)（發(fā)射率為其中之一）在這里開始起作用。如果目標是半透明的，那么您將有可能需要幫助；如果它是不透明的，則或許您可以自行處理發(fā)射率的校正工作。我們來看一下各種場合的具體實例。
場合一 如果物體的溫度與其環(huán)境溫度大致相同，而且其表面不是鏡面的，則其表面反射率將對發(fā)射率起到補償作用，而且無需進行發(fā)射率校正。實施發(fā)射率校正將得到一個高于真實溫度的溫度讀數(shù)。
場合二 如果物體的溫度高于其環(huán)境溫度，則需要進行發(fā)射率校正以獲得準確的溫度讀數(shù)。發(fā)射率會是一種難以捉摸且變化不定的光學性質(zhì)，但它通常只在表面上的某種東西有所改變時才會發(fā)生變化，比如出現(xiàn)焦化、氧化，或者熔化。
如果把發(fā)射率控制在1.00，則可在該場合中獲得“輻射亮度溫度”。盡管該數(shù)值將低于真實溫度，但在物體的發(fā)射率（雖然是未知的）未發(fā)生非常大的變化的情況下，它是可重復的。那么，多大才是“非常大”呢？這個問題提得很好，由于篇幅所限，這里無法回答，不過，如果物體在視覺上沒有變化，則光譜發(fā)射率未發(fā)生改變的可能性相當大。不能保證，只是存在可能性。
場合三 這是一種難對付的情形。當目標的溫度低于環(huán)境溫度時，簡單易行的解決方案就是變更測量的位置。例如，如果目標的溫度低于它正在進入的烤箱或熔爐的溫度，不要試圖在入口處或內(nèi)部（當它正在加熱時）測量其溫度。應將溫度測量的位置移至出口處，在物體完成了其加熱程序并離開烤箱時（此刻其溫度有可能高于其環(huán)境溫度）進行測量。
該場合具有一種“隱性”形式，就是當物體受到陽光照射、或者具有很高的溫度（它仍有可能低于環(huán)境溫度）或亮度水平的時候?？梢酝ㄟ^在表面上投射臨時性的陰影、并把IRT對準該陰影的方法來對這些條件進行測試。
在諸如金屬、玻璃、塑料等溫度較低的網(wǎng)狀產(chǎn)品進入烘箱或熔爐的加工生產(chǎn)線上，應當嘗試把IRT對準在產(chǎn)品與其所經(jīng)過的輥子之間形成的“楔形物”（圖4），特別是在其改變方向的情況下（即具有一個25%或更大的包角）。這可能是一種“實際場合”，因為輥子的表面通常具有反射性，并生成物體的鏡像。實際上，它被某些與其自身溫度相近的物體所包圍。
市面上的非接觸式溫度傳感器形狀各異（圖1），每種構造的傳感器都具有與眾不同的獨特規(guī)格表。雖然這些器件名稱各異，但是從技術層面而言，它們都是熱紅外輻射溫度計。在本文中，我們將它們稱作“IRT”。它們可以是便攜式或固定安裝式、高端或低端、昂貴或便宜。
所有IRT的工作原理都依據(jù)普朗克熱輻射定律。它們所測量的大部分輻射位于電磁頻譜的IR部分。
您需要做些什么？
在選擇和使用非接觸式溫度傳感器時，將會遇到三大難題：
● 填充視場
● 克服物體透明度問題
● 實現(xiàn)正確的發(fā)射率調(diào)整
視場 物體的熱輻射“體現(xiàn)”出了其表面的溫度，這一點與無線電信標非常相似。不同之處在于在IRT測量中，熱輻射來自于物體表面上的一個已知大小的斑點。您需要捕獲所有輻射，而不能讓任何輻射在沿途上被阻隔。
在一段特定距離上的斑點直徑（也就是一段給定距離上的“視錐”的橫截面面積）由器件的光學特性來決定。一般來說，距傳感器越遠，斑點的直徑就越大。斑點尺寸常常用一個比值來表示，比如50:1或10:1。這意味著小的目標斑點直徑為傳感器至感興趣物體間距離的1/50或1/10（圖2）。
圖2、在一段給定距離上的斑點直徑由傳感器的光學特性來決定，并被定義為一個比值；
通常，目標距傳感器越遠，斑點就越大。
如果物體具有一個圓形橫截面（圖3），而且視野沿著直徑，則需確定所測量的嚴重彎曲的表面的大小是被觀察物體的一小部分。換句話說就是斑點直徑應為曲面有效直徑的25%或更小。
圖3、當不得不在曲面上進行測量時，
應確定斑點直徑不大于曲面有效直徑的25%。
還要保證視錐角內(nèi)無障礙，否則檢測器將無法接收到進行有效測量所需的全部輻射。如果位置斑點大于物體，或者視錐角被部分阻斷，則測得的溫度將低于真實溫度。
如果不能確實地填充斑點直徑或保持視錐的暢通，則不妨考慮采用雙色或比例式IRT。這樣做可能會使準確度稍有損失，還可能影響響應速度，費用支出也將會小幅增加，但是，這些器件是專用于視距路徑被部分阻塞、視錐發(fā)生改變，或者有物體移入和移出視野的場合中的。它們對于發(fā)射率比值的變化非常敏感，不過這不在本文的討論范圍之內(nèi)。
透明度問題 大多數(shù)（但不是全部）有機材料和建筑材料（比如磚塊、木材、金屬、瀝青、巖石和礦石等）都是不透明的。但是，許多塑料在IR光譜中是半透明的，因此需要采用特殊的波段，以使相其對于傳感器來說是基本不透明。
其他會帶來透明度問題的物質(zhì)包括半導體材料（硅、砷化鎵）、某些涂料、一些光學材料（如氯化銀、藍寶石、石英、氯化鈉、鍺）以及許多特殊的晶體產(chǎn)品。
發(fā)射率校正 如果有人試圖告訴您這是一個微不足道的問題，請千萬不要信以為真。雖然這并非小事一樁，但一旦將它分解成三種您有可能遇到的情形，那么處理起來就變得相當容易了：
● 感興趣的物體處于或非常接近周圍環(huán)境溫度。
● 物體的溫度高于環(huán)境溫度。
● 物體的溫度低于環(huán)境溫度。
物體的光學性質(zhì)（發(fā)射率為其中之一）在這里開始起作用。如果目標是半透明的，那么您將有可能需要幫助；如果它是不透明的，則或許您可以自行處理發(fā)射率的校正工作。我們來看一下各種場合的具體實例。
場合一 如果物體的溫度與其環(huán)境溫度大致相同，而且其表面不是鏡面的，則其表面反射率將對發(fā)射率起到補償作用，而且無需進行發(fā)射率校正。實施發(fā)射率校正將得到一個高于真實溫度的溫度讀數(shù)。
場合二 如果物體的溫度高于其環(huán)境溫度，則需要進行發(fā)射率校正以獲得準確的溫度讀數(shù)。發(fā)射率會是一種難以捉摸且變化不定的光學性質(zhì)，但它通常只在表面上的某種東西有所改變時才會發(fā)生變化，比如出現(xiàn)焦化、氧化，或者熔化。
如果把發(fā)射率控制在1.00，則可在該場合中獲得“輻射亮度溫度”。盡管該數(shù)值將低于真實溫度，但在物體的發(fā)射率（雖然是未知的）未發(fā)生非常大的變化的情況下，它是可重復的。那么，多大才是“非常大”呢？這個問題提得很好，由于篇幅所限，這里無法回答，不過，如果物體在視覺上沒有變化，則光譜發(fā)射率未發(fā)生改變的可能性相當大。不能保證，只是存在可能性。
場合三 這是一種難對付的情形。當目標的溫度低于環(huán)境溫度時，簡單易行的解決方案就是變更測量的位置。例如，如果目標的溫度低于它正在進入的烤箱或熔爐的溫度，不要試圖在入口處或內(nèi)部（當它正在加熱時）測量其溫度。應將溫度測量的位置移至出口處，在物體完成了其加熱程序并離開烤箱時（此刻其溫度有可能高于其環(huán)境溫度）進行測量。
該場合具有一種“隱性”形式，就是當物體受到陽光照射、或者具有很高的溫度（它仍有可能低于環(huán)境溫度）或亮度水平的時候?？梢酝ㄟ^在表面上投射臨時性的陰影、并把IRT對準該陰影的方法來對這些條件進行測試。
在諸如金屬、玻璃、塑料等溫度較低的網(wǎng)狀產(chǎn)品進入烘箱或熔爐的加工生產(chǎn)線上，應當嘗試把IRT對準在產(chǎn)品與其所經(jīng)過的輥子之間形成的“楔形物”（圖4），特別是在其改變方向的情況下（即具有一個25%或更大的包角）。這可能是一種“實際場合”，因為輥子的表面通常具有反射性，并生成物體的鏡像。實際上，它被某些與其自身溫度相近的物體所包圍。
圖4、針對因目標的溫度低于環(huán)境溫度而引起的發(fā)射率問題（如對于網(wǎng)狀產(chǎn)品），
一種解決方案是把IRT對準由輥子和產(chǎn)品所形成的“楔形物”。
