非接触式温度传感器基础知识

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您是否确信某种接触式传感器无法满足您的应用要求？即使不是，那么还是请您远离非接触式器件，因为它们会带来一些特殊的难题。而且，不要完全出于初始采购和安装成本的考虑而偏向其中的一种方案。您必需把维护成本因素也考虑进去，尤其是当传感器在恶劣环境中工作或故障停工时将引发灾难性后果。
市面上的非接触式温度传感器形状各异（图1），每种构造的传感器都具有与众不同的独特规格表。虽然这些器件名称各异，但是从技术层面而言，它们都是热红外辐射温度计。在本文中，我们将它们称作“IRT”。它们可以是便携式或固定安装式、高端或低端、昂贵或便宜。
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(1) Marathon MM，Raytek公司产品， 网址：www.infrared-usa.com；

) l& M6 v8 y6 Z  k(2) Modline 5，Ircon公司产品，网址：www.ircon.com；

  s( x7 X, t# \0 B( |( f(3) Cyclops 100，Land Instruments International公司产品， 网址： www.landinstruments.net；

(4) M770，Mikron公司产品，网址：www.mikroninfrared.com。
+ V# Y$ M  a  _图1、四款IR温度传感器最后，所有IRT的工作原理都依据普朗克热辐射定律。它们所测量的大部分辐射位于电磁频谱的IR部分。
您需要做些什么？
在选择和使用非接触式温度传感器时，将会遇到三大难题：
- C, m& s. t1 E● 填充视场
( y, W  a  V2 F. a' O● 克服物体透明度问题
& Z' M3 S5 `9 G) B* I. S● 实现正确的发射率调整
视场 物体的热辐射“体现”出了其表面的温度，这一点与无线电信标非常相似。不同之处在于在IRT测量中，热辐射来自于物体表面上的一个已知大小的斑点。您需要捕获所有辐射，而不能让任何辐射在沿途上被阻隔。
2 u+ b- J) ]# v( ~在一段特定距离上的斑点直径（也就是一段给定距离上的“视锥”的横截面面积）由器件的光学特性来决定。一般来说，距传感器越远，斑点的直径就越大。斑点尺寸常常用一个比值来表示，比如50:1或10:1。这意味着最小的目标斑点直径为传感器至感兴趣物体间距离的1/50或1/10（图2）。

图2、在一段给定距离上的斑点直径由传感器的光学特性来决定，并被定义为一个比值；
- a) R# R. J7 C7 F6 y: [通常，目标距传感器越远，斑点就越大。如果物体具有一个圆形横截面（图3），而且唯一的视野沿着直径，则需确定所测量的严重弯曲的表面的大小是被观察物体的一小部分。换句话说就是斑点直径应为曲面有效直径的25%或更小。

图3、当不得不在曲面上进行测量时，
7 K4 N0 v( }$ X3 s: ]  W( S应确定斑点直径不大于曲面有效直径的25%。还要保证视锥角内无障碍，否则检测器将无法接收到进行有效测量所需的全部辐射。如果位置斑点大于物体，或者视锥角被部分阻断，则测得的温度将低于真实温度。
2 C% ]) |! ?6 U如果不能确实地填充斑点直径或保持视锥的畅通，则不妨考虑采用双色或比例式IRT。这样做可能会使准确度稍有损失，还可能影响响应速度，费用支出也将会小幅增加，但是，这些器件是专用于视距路径被部分阻塞、视锥发生改变，或者有物体移入和移出视野的场合中的。它们对于发射率比值的变化非常敏感，不过这不在本文的讨论范围之内。
  N  `) |0 N: u' [透明度问题 大多数（但不是全部）有机材料和建筑材料（比如砖块、木材、金属、沥青、岩石和矿石等）都是不透明的。但是，许多塑料在IR光谱中是半透明的，因此需要采用特殊的波段，以使相其对于传感器来说是基本不透明。
其他会带来透明度问题的物质包括半导体材料（硅、砷化镓）、某些涂料、一些光学材料（如氯化银、蓝宝石、石英、氯化钠、锗）以及许多特殊的晶体产品。
发射率校正 如果有人试图告诉您这是一个微不足道的问题，请千万不要信以为真。虽然这并非小事一桩，但一旦将它分解成三种您有可能遇到的情形，那么处理起来就变得相当容易了：
● 感兴趣的物体处于或非常接近周围环境温度。
● 物体的温度高于环境温度。
  I& U; ~' K% c+ x0 C; x0 l' J9 f● 物体的温度低于环境温度。
9 N  e7 {8 v7 K  ]% f- e物体的光学性质（发射率为其中之一）在这里开始起作用。如果目标是半透明的，那么您将有可能需要帮助；如果它是不透明的，则或许您可以自行处理发射率的校正工作。我们来看一下各种场合的具体实例。
场合一 如果物体的温度与其环境温度大致相同，而且其表面不是镜面的，则其表面反射率将对发射率起到补偿作用，而且无需进行发射率校正。实施发射率校正将得到一个高于真实温度的温度读数。
场合二 如果物体的温度高于其环境温度，则需要进行发射率校正以获得准确的温度读数。发射率会是一种难以捉摸且变化不定的光学性质，但它通常只在表面上的某种东西有所改变时才会发生变化，比如出现焦化、氧化，或者熔化。
% t/ }4 w* n+ E9 `9 J2 R如果把发射率控制在1.00，则可在该场合中获得“辐射亮度温度”。尽管该数值将低于真实温度，但在物体的发射率（虽然是未知的）未发生非常大的变化的情况下，它是可重复的。那么，多大才是“非常大”呢？这个问题提得很好，由于篇幅所限，这里无法回答，不过，如果物体在视觉上没有变化，则光谱发射率未发生改变的可能性相当大。不能保证，只是存在可能性。
- C- e  f8 }7 _) p) l' l* N场合三 这是一种难对付的情形。当目标的温度低于环境温度时，最简单易行的解决方案就是变更测量的位置。例如，如果目标的温度低于它正在进入的烤箱或熔炉的温度，不要试图在入口处或内部（当它正在加热时）测量其温度。应将温度测量的位置移至出口处，在物体完成了其加热程序并离开烤箱时（此刻其温度有可能高于其环境温度）进行测量。
该场合具有一种“隐性”形式，就是当物体受到阳光照射、或者具有很高的温度（它仍有可能低于环境温度）或亮度水平的时候。可以通过在表面上投射临时性的阴影、并把IRT对准该阴影的方法来对这些条件进行测试。
( @" d: F' }0 `) o  C) R在诸如金属、玻璃、塑料等温度较低的网状产品进入烘箱或熔炉的加工生产线上，应当尝试把IRT对准在产品与其所经过的辊子之间形成的“楔形物”（图4），特别是在其改变方向的情况下（即具有一个25%或更大的包角）。这可能是一种“实际场合”，因为辊子的表面通常具有反射性，并生成物体的镜像。实际上，它被某些与其自身温度相近的物体所包围。

7 i+ o) e" m8 s' ~7 p图4、针对因目标的温度低于环境温度而引起的发射率问题（如对于网状产品），
4 A% J  V8 B9 _0 }! O4 J( W一种解决方案是把IRT对准由辊子和产品所形成的“楔形物”。
文章关键词： 金属、传感器、测量