一種新型紅外測(cè)溫儀的研究與設(shè)計(jì)

【摘 要】研制了一種利用實(shí)時(shí)定標(biāo)方法的新型紅外測(cè)溫儀。紅外輻射測(cè)溫的基本條件是待測(cè)物輻射率已知，經(jīng)修正后方可得出正確的測(cè)量值。但一般情況下，待測(cè)物的輻射率是未知的，故使紅外輻射測(cè)溫的精確度難以提高。本文給出的新型紅外測(cè)溫儀，可適用于不同環(huán)境下各種物質(zhì)的溫度測(cè)量，與傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀相比，測(cè)量精確度有大幅度提高。

【關(guān)鍵詞】紅外測(cè)溫；輻射率修正；實(shí)時(shí)定標(biāo)

1.研究背景概述

在日新月異的科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展中，人們對(duì)生產(chǎn)生活中的各種溫度測(cè)量提出了更高的要求，因此，測(cè)溫技術(shù)的相關(guān)創(chuàng)新得到普遍的重視。

在工業(yè)生產(chǎn)中，紅外測(cè)溫因其能夠針對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行非接觸式測(cè)溫而備受關(guān)注。同時(shí)，紅外測(cè)溫又容易受到具體環(huán)境條件和被測(cè)物體自身性質(zhì)的影響，其解決方法主要有偏振光法、發(fā)射率修正法等[1]，但這些方法均存在著各種局限性。本研究提出的無(wú)輻射率修正的紅外測(cè)溫方法創(chuàng)新性地采用了現(xiàn)場(chǎng)直接定標(biāo)，有效避免了在不同環(huán)境、不同物體等多種不定條件下對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度的影響，在很大程度上提高了測(cè)溫水平。

2.紅外測(cè)溫基本原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1紅外測(cè)溫儀基本原理

經(jīng)典輻射定律均是以“黑體”作為研究對(duì)象分析得出的，但實(shí)物一般都不是“黑體”，被測(cè)物自身的紅外輻射能量及波長(zhǎng)與其表面溫度聯(lián)系很大[2]。因此紅外測(cè)溫的基本原理就是通過紅外探測(cè)器接收紅外輻射并進(jìn)行光電信號(hào)處理等，計(jì)算并顯示被測(cè)物的表面溫度。

但實(shí)物輻射除了波長(zhǎng)、溫度影響外，還與材料、環(huán)境等因素有關(guān)。因此引入實(shí)物輻射和黑體輻射的比例系數(shù)（發(fā)射率），其值在0～1之間[4]。紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度時(shí)先測(cè)量實(shí)物紅外輻射再計(jì)算得到實(shí)際表面溫度。

2.2紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.新型無(wú)輻射率測(cè)溫技術(shù)原理

4.利用實(shí)時(shí)定標(biāo)的方法進(jìn)行低溫與高溫兩組實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證新型紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度比傳統(tǒng)方式更接近實(shí)際溫度，設(shè)計(jì)了兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別為測(cè)量水面溫度的低溫實(shí)驗(yàn)和測(cè)量火焰溫度的高溫實(shí)驗(yàn)。為了使測(cè)量精度更高，誤差的對(duì)比效果更明顯，溫度均以華氏度為單位。

用高精度的接觸式熱電偶測(cè)得實(shí)驗(yàn)環(huán)境下被測(cè)物體的實(shí)際溫度，把實(shí)時(shí)定標(biāo)的參數(shù)輸入系統(tǒng)，開始進(jìn)行連續(xù)不間斷的測(cè)溫并記錄下溫度與電壓數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出相應(yīng)誤差率，將低溫和高溫實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別整理。

4.2低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表

4.3高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表

4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過以上兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可見，以華氏度為單位時(shí)，新型紅外測(cè)溫儀的誤差在低溫和高溫時(shí)都低于3%，相對(duì)于傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀10%左右的誤差率而言，準(zhǔn)確度有了較大提高。

實(shí)時(shí)定標(biāo)方法校準(zhǔn)后的樣本值非常接近實(shí)際溫度，說(shuō)明該方法有效地將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成被測(cè)物的表面溫度，而無(wú)需進(jìn)行輻射率修正。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新方法的實(shí)用性（采用實(shí)時(shí)定標(biāo)方法）、實(shí)際測(cè)量的有效性與準(zhǔn)確性（實(shí)測(cè)溫度樣本值與實(shí)際表面溫度誤差小），以及對(duì)于被測(cè)物體的普適性（從傳統(tǒng)紅外測(cè)溫儀適用的連續(xù)光譜擴(kuò)展到分離光譜）。

5.總結(jié)

本論文分別從研究背景概述、紅外測(cè)溫基本原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、新型無(wú)輻射率測(cè)溫技術(shù)原理、利用實(shí)時(shí)定標(biāo)的方法進(jìn)行低溫與高溫兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)等多個(gè)角度介紹了關(guān)于無(wú)輻射率修正的紅外測(cè)溫儀的研究。該新型紅外測(cè)溫儀采用實(shí)時(shí)定標(biāo)的方法校準(zhǔn)了實(shí)際測(cè)量條件下隱含的特定環(huán)境參數(shù)，擬合實(shí)際環(huán)境下某一灰體物質(zhì)熱輻射的規(guī)律模型，成功地避開了傳統(tǒng)紅外測(cè)溫中需要根據(jù)被測(cè)物體的輻射率進(jìn)行修正的問題，能穩(wěn)定地、高精度地測(cè)量受到輻射環(huán)境中水蒸氣等外界吸收因素和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件復(fù)雜等外部波動(dòng)因素影響的物質(zhì)的溫度。 [科]

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