非接触式温度传感器的选择和使用

2013-11-24

在选择和使用非接触式温度传感器时，将会遇到三大难题：

● 填充视场
● 克服物体透明度问题
● 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。

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；
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，
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。

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。

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。Ircon公司提供了一些有关塑料和玻璃测量的非常有益的应用指南，可登录Ircon公司网址浏览。

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。
● 物体的温度低于环境温度。

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。

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。

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。

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。

newmaker.com
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），
一种解决方案是把IRT对准由辊子和产品所形成的“楔形物”。