紅外測溫技術的原理及其在家用空調產品中的應用

摘要：本文在闡述紅外測溫基本原理的基礎上，著重分析了紅外測溫技術中的幾個關鍵點，并展望了紅外測溫技術在空調行業中的應用前景。

關鍵詞：紅外測溫；輻射系數；背景噪聲

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)24-1336-02

The Research of Infrared Temperature Measurement andApplication in Air Conditioner

YANG Fan

(Department of Applied Foreign Languages，Guangdong Women's Polytechnic College，Guangzhou 511450，China)

Abstract：This paper refer to some princple of infrare temperature measurement technologyand also present prospect of application in air conditioner.

Key words: infrare temperature measurement; radiation coefficient; background noise

1 引言

紅外測溫技術在環境溫度檢測，產品質量控制和監測，設備在線故障診斷和安全保護以及節約能源等方面發揮著重要作用。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術上得到迅速發展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優點。

2 紅外測溫原理

紅外線是介于可見光紅端與微波之間的電磁輻射。在這個波長帶內， 又進一步分為近紅外(波長0.76～3μm)、中紅外(波長3～6μm)、遠紅外(波長6～15μm) 和極遠紅外(波長15～1000μm) 四個波段，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。而紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小[1]。

在自然界中，任何溫度高于絕對零度(0°K或-273℃)的物體都在向外輻射各種波長的紅外線，物體的溫度越高，其輻射紅外線的強度也越大，其中就包括波段位于0.76～1000μm的紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫并進行分析判斷。

紅外測溫系統是根據物體的紅外輻射特性，依靠其內部光學系統將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器(傳感器) ，并轉換成電信號，再通過放大電路、補償電路及線性處理后，在顯示終端顯示被測物體的溫度。系統由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，其核心是紅外探測器，將入射輻射能轉換成可測量的電信號。

對單色紅外測溫是針對不同測溫范圍選擇典型的波長區段，其溫度是由該波長區段內的輻射能量確定的。黑體在波長λ1至λ2區段所發出的輻射能為

實際物體在波長λ1至λ2區段所發出的輻射能為

對于雙色紅外測溫來說，是針對不同測溫范圍選擇兩個典型的波長區段，其溫度是由兩個獨立波長帶內的輻射能量的比值確定的。由式(2)可知，雙色紅外輻射測溫的數學描述為

3 紅外測溫技術的幾個關鍵點

紅外線自目標發射或反射出來，總是要在大氣中傳播一段距離才能到達觀測儀器，除幾何發散外，紅外線在大氣中傳播會有很大衰減，主要因素是大氣中各種氣體對紅外線的吸收。組成大氣的主要氣體是氮氣、氧氣、氬氣，它們占99%以上。有幸的是，它們不吸收15μm以下的紅外線，否測紅外技術就無法使用。能引起紅外吸收的氣體是水汽、二氧化碳、臭氧(O3)，它們在不同波段針對紅外線形成吸收帶，再加上甲烷，一氧化碳等吸收作用，造成了紅外輻射的衰減。通過1μm到15μm的紅外線通過一海里長度的大氣透射比試驗，證明只有處于紅外吸收帶之間的紅外輻射能夠透過大氣向遠處傳輸，其中有三個透過大氣的紅外波段，1～2.5μm，3～5μm，8～13μm，這三個波段被稱作“大氣窗口”，紅外測溫系統常常在這三個窗口內工作。從原理上計，這兩個窗口都敏感，但大多數設計者都選擇了短波段，原因是該波段范圍中，能在較寬的范圍內提供最佳功能，達到良好的測溫要求；而長波窗口則更多地用于低溫及遠距離的檢查。

因此，實際測溫過程中的影響因素主要有發射率、背景噪聲、光路上的吸收與散射、紅外熱像儀的穩定性上述因素的影響程度隨測量條件的不同而變化， 為了保證測量的可靠性，盡可能準確地進行校準，也就是說，要想得到精確的溫度值，在實際測量時必須準確地設定各參數值[2]。

3.1 輻射系數

不同的物體輻射能力不同，理想黑體具有最大的輻射能力，而其它物體輻射能力的衡量引入了一個參量，即光譜發射率ε，又稱輻射系數。ε系指在相同溫度及條件下，實際輻射體與黑體的輻射度之比值。

發射率表明了輻射和吸收的能力，它是材料的固有性質。測溫時選用ε值的大小直接影響測溫結果。然而，它隨表面條件、形狀、波長和溫度等因素的影響而變化，為了測量真實溫度，需要精確的設定發射率值。ε的取值不同，對測溫的精度影響十分巨大。

3.2 背景噪聲

利用紅外線輻射測溫，由于信號非常小，低于常溫的測量將受背景噪聲的影響，在室外，陽光的直接輻射，折射和空間散射線是主要的背景噪聲。室內測量時，來自待測物體周圍的反射光有時極大地影響測量結果，因此在測溫時必須考慮上述影響因素，采取的基本對策如下：

1) 準確對焦距，避免非待測物體的輻射能進入測試角；2) 在待測物體附近設置屏避物，以排除外界干擾；3) 室外測量時，選擇有云天氣或晚上以排除日光的影響；4) 物體發射率低，光反射的影響越大，因而應采用發射率高的涂料或制小孔等方法來提高發射率。

3.3 光路上的吸收

空氣中某些物質，如H2O、CO2、O3、CO、N2O、CH2等均吸收紅外線。根據實際的工作環境及傳感器自身的適應性，在實際使用中需綜合考慮測試環境。例如一些傳感器，測溫精度跟空氣中的濕度有關，在使用時應多考慮濕度方面的影響。

除此以外，在實際檢測時，風力狀況也影響到測溫的精度。瑞典國家電力局早已為此經過了多次實驗并定義了下面的公式作為風力影響的修正:

T2-------在風速F2下的過熱測度

該公式適用于室外的強制對流（風正面吹向物體）條件。例如：風速F1＝4m/s時測得過熱溫度為T1＝10℃，那么在風速F2＝1m/s的條件下，過熱溫度T2可得為：

上述因素的影響程度隨測量條件的不同而變化，為了保證測量的可靠性，必須盡可能準確地進行校準。

4 紅外測溫技術在空調產品中應用

溫度檢測是空調產品中非常重要的功能，傳統的方法是利用感溫包來測溫，并且感溫包的位置固定在內機的進風口，這種測溫方式不能準確的測出整個室內的環境溫度。

在空調產品中引入紅外測溫技術，不僅能監測到整個室內環境溫度，還可在結合熱成像和圖象處理技術的基礎上，智能識別區域內人的存在及位置，從而調整送風的方向，并且根據測得的人體表面的溫度來自動調節空調送風的溫度，可達到空調的最佳使用效果。而且在空調使用的同時可監測空調所在室內的溫度，如果出現溫度異常狀況可發出警報，并切斷空調的電源。

5 結語

紅外測溫技術是一種非常有效和快速的測溫手段，但是要準確的測量溫度，須考慮各種環境因數的影響。

紅外測溫相比傳統的測溫方式有著明顯的優勢，在空調行業中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 劉福杰，王浩靜，范立東.紅外測溫儀原理及其在應用中注意的問題[J].現代儀器，2007，第四期.

[2] 李云紅，孫曉剛，楊幸芳，許冰海.紅外熱像儀精確測溫技術[J].西安工程科技學院學報. Vol . 21 ，No. 5，2007.10.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”