English | Deutsch | Español | Français | 日本 | にほん

什么是红外辐射?

红外 (IR) 温度计是一种通过检测和量化测量目标发射的红外辐射能量来确定物体温度的传感器。红外温度计非常像人的眼睛。眼睛的晶状体就像光学元件,物体发出的辐射(光子流)在大气中通过该元件到达光敏层(视网膜),然后被转化为信号并被传送到大脑。图 3 显示了红外测温系统的工作原理。

how an infrared measuring system works

各种形式的物质只要温度高于绝对零度(-273.15°C / -459.8°F),都会根据其温度发射红外辐射,称为特征辐射。辐射的原因在于内部分子的机械运动。这种运动的强度取决于物体的温度。由于分子运动代表电荷位移,这种辐射是电磁辐射(光子粒子)。 这些光子以光速运动,且运行规律符合已知的光学原理。它们可以被偏转,用透镜聚焦或被反射表面反射。这种辐射的光谱范围为 0.7 至 1000μm。因此,这种辐射通常用肉眼看不到,见图 4。

electromagnetic spectrum definition

然而,光谱中人眼不可见部分所包含的能量最高是可见部分的 100,000 倍。这正是红外测量技术的理论依据。从图 5 中可以看出,随着目标温度的升高,最大辐射量逐渐向波段较短的区域移动,且物体在不同温度下的辐射曲线相互不重叠。整个波长范围内的辐射能量(每条曲线下方的区域)增长至温度的四次方。这些关系由 Stefan 和 Boltzmann 于 1879 年发现,标明可以从辐射信号中测量出明确的温度。

图 5 显示了物体在不同温度下的典型辐射。如前所述,物体在高温下会发出少量可见光。因此,每个人都可以看到物体在非常高温的环境下(600°C 以上)发出红色到白色的光线。经验丰富的钢铁工人甚至可以从颜色上非常准确地估算出钢铁的温度。从 20 世纪 30 年代开始,钢铁行业便开始使用经典的隐丝式高温计。

black body radiation definition

从图 5 中可以看出,应以此为目标:尽可能在最宽的范围内设置红外温度计,以获取最多的能量(对应于曲线下方的区域)或者目标发出的信号。然而,在某些情况下,这种做法并不总是有利的。例如,在图 5 中,当温度升高是,辐射强度在 2 µm 处增加量远远高于在 10 µm 处的。每单位温差下的辐射差异越大,红外温度计的测量精度便越高。根据维恩位移定律(Wien's Displacement Law),随着温度的升高,物体的辐射量最大值将向短波方向移动,因此,波长范围将取决于高温计的温度测量范围。在低温环境下,在 2 µm 处工作的红外温度计将在温度低于 600°C 时由于辐射能量太少而几乎看不到任何东西,从而停止工作。使用针对不同波长范围的测量仪器的另一个原因在于一些被称为非灰体(玻璃、金属和塑料薄膜)的材料的辐射率模式。图 5 显示了理想材料——所谓黑体的辐射情况。然而,许多物体在相同温度下会发出少量的辐射。实际辐射量与黑体的辐射量的比称为(ε)辐射率 ,辐射率的最大值为 1(与理想的黑体相对应的物体),最小值为 0。辐射率小于 1 的物体被称为灰体。辐射率还取决于温度和波长的物体被称为非灰体。此外,辐射的总和包括被吸收部分 (A)、被反射部分 (R) 和透射部分 (T) ,等于 1。(请参见下面的公式和图 6)

A + R + T = 1 (1) 

实心体不会透射红外光 (T = 0)。根据基尔霍夫定律,物体吸收的所有辐射(导致物体温度升高)之后将被该物体辐射出去。则对于吸收率和辐射率来说:

E = 1 – R (2) 

What is reflection of solar radiation?

T理想的黑体也不会发生反射 (R = 0),所以 E = 1。
许多非金属材料,如木材、塑料、橡胶、有机材料、岩石或混凝土的表面很少发生反射,因此其辐射率通常较高,在 0.8 和 0.95 之间(参见大多数常见材料的辐射率值列表)。相比之下,金属材料 - 特别是那些表面经过抛光处理或者表面光亮的金属 -它 的发射率约为 0.1。红外测温仪通过提供可自主设定发射率参数的功能项来弥补这一点,另请参见图 7(see 参见大多数金属的辐射率值)。

我们的应用工程师可以针对您的目标材料、温度范围和应用类型,帮助您选择最合适的红外测温传感器。

emissivity definition

 

下载《红外测温技术的原理和优势》 Principles and Benefits of IR Temperature Measurement

以了解更多详细内容。

 

下一篇: 红外辐射的发现 >>