解讀金屬表面的非接觸紅外測溫

對幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)階段而言，遵循給定的溫度值都是確保其加工與產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。非接觸紅外測溫儀是常用于測溫的裝置。因此，它同樣也適用于金屬的測溫。要實(shí)現對加工溫度的適當監測與控制，生產(chǎn)者必須進(jìn)行合理引導，同時(shí)消費者也應具備有關(guān)測溫計數的基礎知識。下文將對重要參數（諸如輻射率、反射和就此引起的測量錯誤）進(jìn)行說(shuō)明。此外，還將介紹金屬測溫時(shí)所受到的影響，以及如何實(shí)現可靠、可重復的測溫。

在測量領(lǐng)域，“溫度"是僅次于“時(shí)間"的*常用的物理參數。紅外測溫裝置通過(guò)吸收被測物體發(fā)出的紅外輻射來(lái)測定其溫度——無(wú)需接觸該物體。那么，非接觸測溫是如何實(shí)現的呢？金屬表面測溫存在哪些挑戰呢？

紅外輻射陣列

凡是溫度高于優(yōu)良零度（0 K或-273.15°C）的物體，均會(huì )自表面向外發(fā)出電磁輻射，且該輻射與物體的固有溫度成比例。紅外輻射陣列僅包含整個(gè)電磁輻射陣列中有限的一部分，從0.78 μm左右的可見(jiàn)光范圍起，到1000 μm左右的波長(cháng)為之。0.7 μm至14 μm是實(shí)現紅外測溫的重要波長(cháng)范圍。當波長(cháng)超出該范圍后，紅外能量過(guò)低，以至于探測器的靈敏度不足以檢測到它們，如下圖所示。

當該輻射貫穿大氣后，借助專(zhuān)用鏡頭便能將其聚集在探測器上。隨后，探測器會(huì )生成與該輻射成比例的電信號。該信號得到放大，并通過(guò)接受連續的數字信號處理而轉化為與物體溫度成比例的輸出信號。如此一來(lái)，在顯示器上便會(huì )顯示出溫度的測量值，或輸出為信號形式。

在將測定結果傳送至控制系統時(shí)，采用的是線(xiàn)性0/4-20 mA、0-10 V和熱電偶信號的標準化輸出形式。此外，目前所使用的大多數紅外測溫儀都提供數字接口（USB、RS232、RS485），來(lái)實(shí)現進(jìn)一步的數字信號處理，以及對裝置參數的訪(fǎng)問(wèn)。

采用紅外輻射實(shí)現溫度計算
作為輻射傳感器的探測器識別出各紅外測溫儀上*重要的元件。然后，在當前出現且*可判讀的電磁輻射中，生成一個(gè)信號。探測器信號U與物體溫度TObject的關(guān)系如下所示：

因物體發(fā)出的輻射（處于整個(gè)輻射陣列中）而產(chǎn)生的探測器信號與物體優(yōu)良溫度的四次方成正比。也就是說(shuō)：若被測物體的溫度呈雙倍升高，則探測器信號將呈現16倍的增大。

此外，紅外測溫儀并非應用于整個(gè)輻射陣列中。指數取決于波長(cháng)。N代表從1μm 14 μm的波長(cháng)，范圍為17…2；對短波（1.0 to 2.3 μm）金屬測溫裝置而言，該范圍為15…17：

物體溫度值因*后一列公式的變化而增大。這些計算結果以曲線(xiàn)陣列的形式保存在紅外測溫儀的電可擦只讀存儲器（EEPROM）中，用于所出現的所有溫度：

因此，紅外測溫儀接收到了足夠的測溫信號。從公式中可以看出，除了波長(cháng)范圍（輻射陣列）之外，所反射的周邊輻射及輻射率也會(huì )影響到測溫的**性。這些參數的重要作用將在后文中予以說(shuō)明。

黑體的重要參考作用

早在1900年，普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫就已詳細地闡述了電磁波譜，并為說(shuō)明紅外能量而制定了定性與定量相干性。黑體構成了理解非接觸測溫技術(shù)之物理原理、以及校正紅外測溫儀的基礎。

一方面，黑體是能夠吸收所存在的一切輻射的物體。在黑體上，既沒(méi)有反射（ρ = 0），也沒(méi)有透射（τ = 0）。另一方面，黑體又向外發(fā)出每個(gè)波長(cháng)所可能發(fā)出的*大能量（取決于其自身溫度）。黑體的構造十分簡(jiǎn)單：一個(gè)帶熱量的中空物體，一側末端有一個(gè)小孔。當黑體被加熱至某個(gè)特定溫度后，它的中空部分會(huì )形成平衡溫度。

普朗克的輻射定律說(shuō)明了非接觸測溫的基本相干性：它指出，黑體向半場(chǎng)中的具體光譜輻射Mλs取決于它的溫度T和波長(cháng)λ（c：光速；h：普朗克常數）：

黑體以選定溫度下的波長(cháng)譜發(fā)出具體輻射的過(guò)程

圖中顯示了黑體以其波長(cháng)發(fā)出光譜輻射Mλs時(shí)，以對數形式呈現的溫度示例。

其中可形成多種相干性，而下文僅了兩種進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)整合所有波長(cháng)下的光譜輻射密度（從0到無(wú)限大），可以得到黑體作為一個(gè)整體而發(fā)出的輻射值。這種相干性被稱(chēng)作斯蒂芬-玻爾茲曼定律。非接觸測溫的實(shí)際意義已在有關(guān)溫度計算的段落中予以說(shuō)明。

從上述圖形輪廓中，我們可以明顯得出**種相干性，即出現*大輻射值的波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)溫度的上升而移向短波區。這種現象成為維恩位移定律的基礎，同時(shí)也能在普朗克等式的變形中得出。

因此，高輻射就是為什么能夠在高溫下以短波長(cháng)測定金屬表面溫度的原因（但并非*主要的原因）。長(cháng)波范圍也包含了高強度。由于金屬是選擇性的輻射源，其輻射率、反射和因此對測量誤差造成的影響都是不容小覷的。

作為選擇性輻射源的金屬表面

在現實(shí)中，能夠滿(mǎn)足黑體這一理想條件的物體并不多。實(shí)際上，輻射表面通常用于傳感器的校正；其中，這些傳感器在所需波長(cháng)范圍內的輻射率*大為0.99。物體溫度可通過(guò)對輻射率ε（Epsilon）的輻射測量加以確定；該輻射率說(shuō)明了物體實(shí)際輻射值與黑體輻射值在同一溫度下的關(guān)系。因此，輻射率的取值在0到1之間：損失的輻射部分通過(guò)輻射率的顯示得到補償。

許多待測表面在多種波長(cháng)下均具有恒定的輻射率，但與黑體相比，其所發(fā)出的輻射較少。它們被稱(chēng)作灰體。一些非金屬固體可在長(cháng)波光譜范圍中顯示出相對恒定的高輻射率，而無(wú)論其表面狀況如何。

若物體（諸如金屬表面）的輻射率取決于溫度和波長(cháng)（與其它物體相比），則此類(lèi)物體被稱(chēng)作選擇性輻射源。就“為何僅能在短波范圍內進(jìn)行金屬測溫"，存在許多重要原因。首先，在高溫下處于短波范圍（2.3 μm；1.6 μm；1.0 μm）內的金屬表面同時(shí)呈現出*高的輻射與輻射率。其次，它們調整至金屬氧化物的輻射率，這樣就能*大程度的減小因改變輻射率（回火色）而造成的溫差。

之所以決定使用短波紅外測溫儀，另外一個(gè)重要原因就是金屬（與其它材料相比）可以具備許多未知的輻射率。短波裝置能夠極大地減少因輻射率的錯誤調整而造成的測量誤差。

不考慮反射的可重復測量

表面輻射率越低，紅外測溫儀所接收到的于環(huán)境中反射的輻射率就越高。由于大多數物體（諸如金屬）在紅外線(xiàn)區域內并不存在透射，因此適用下列公式：
ε + p = 1
本式中，ε代表輻射率，ρ代表反射。從裝置上判讀的、轉化為溫度值的紅外輻射不僅受到金屬表面輻射率（以及補償性的輻射部分）的影響，同時(shí)還明顯受到周邊環(huán)境（TAmbient）中的熱物體（例如高溫部件和爐子）的影響。

對參數TAmbient必須慎重考慮；待測金屬表面的溫度值越低，于周邊環(huán)境中反射的輻射溫度值就越高。實(shí)際上，反射量通常是定向的，因此易于確定。

反射量可被理解成一種尺寸，能夠為可重復測量的結果提供保障。

紅外測溫儀的實(shí)際應用：感應式淬火與誘導過(guò)程

在感應式淬火中的熱處理就是金屬表面測溫的一個(gè)實(shí)例。過(guò)程開(kāi)始時(shí)，將一個(gè)部件放置在強交變磁場(chǎng)中，隨后對其加熱、凍結，以形成所需結構。期間，可以通過(guò)控制頻率來(lái)調節滲透至材料局部的熱量；在該部件上，只有局部得到了處理。要使金屬材料形成所需結構，必須設置理想的溫度—時(shí)間過(guò)程。因此，有必要對溫度進(jìn)行持續監測。

紅外測溫儀的重要參數為：

• 傳感器探頭可從電子盒上拆下；因此測溫結果不會(huì )受到電磁場(chǎng)的干擾
• 金屬表面測溫專(zhuān)用波長(cháng)（1.0 μm / 1.6 μm / 2.3 μm）
• 周?chē)鷾囟妊a償（TAmbient），例如借助參考溫度
• 在50°C至1800°C范圍內，對金屬進(jìn)行可靠測溫
• 以保持在1 ms以?xún)鹊臏y溫來(lái)實(shí)現快速溫控
• 采用高光學(xué)分辨率（*小測量尺寸：0.7 mm）實(shí)現對小體積部件的測溫，以及采用雙激光瞄準器來(lái)標記測定區域大小
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