三、红外测温原理及准确测温条件
（一）红外测温原理
1、红外辐射（红外线、红外光）
红外线是电磁波谱中，波长0.76μm~1000μm范围的电磁辐射，位于红外光与无线电波之间。与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同时具有粒子性。对人的眼睛不敏感，要用对红外敏感的探测器才能接收到。红外辐射的本质是热辐射。热辐射包括紫外光、可见光辐射，但是在0.76μm~40μm红外辐射热效应最大。
自然界中一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体，时时刻刻都在不停地辐射红外线。辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定；特别热辐射的强度及光谱成份取决于辐射体的温度。
2、黑体辐射规律
黑体红外辐射的基本规律揭示的是黑体发射的红外热辐射随温度及
图1 光谱示意 波长的定量关系。
（1）黑体辐射的光谱分布规律（量子理论）——普朗克辐射定律
普朗克辐射定律表明黑体的单位表面积在波长λ附近的单位波长间隔内，向整个半球空间发射的
辐射功率（简称为光谱辐射度）Mλb（T），与波长λ、温度T满足下列关系：
Mλb（λ、T）= C1λ-5[exp（C2/λT）－1]-1
（2）黑体辐射光谱的移动规律——维恩位移定律
维恩位移定律揭示黑体辐射光谱分布的峰值波长λm，随其绝对温度T成反比移动。其表达式为：
λm•T = 2897.8μm•K
一般强辐射体有50%以上的辐射能量集中在峰值波长附近， 2000K以上的灼热金属，辐射能大部分集中在3μm以下的近红外区及可见光区。人体皮肤的辐射波长主要在2.5～15μm之间，峰值波长在9.5μm处，其中8～14μm波段的辐射能占总数的46%。温度低于300K的室温物体，75%的辐射能集中在10μm以上的红外区。
（3）黑体辐射功率随温度的变化规律（全辐射量）——斯蒂芬－玻耳兹曼定律
斯蒂芬－玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度（-273.16℃）的物体，都会自发地向外发射红外辐射。而且，黑体单位面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。其表达式为：
Mb（T）= σT4
（4）黑体辐射的空间分布规律—朗伯余弦定律
图2 朗伯余弦定律 朗伯余弦定律，就是黑体（或任何其他漫辐射体）在任意方向上的辐射 强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比。其表达式为：
Iθ = I0cosθ
3、实际物体的辐射定律
（1）黑体与实际物体
黑体是一种理想化的物体，是在任何情况下对一切波长的入射辐射的吸收率都等于1的物体。实际物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射，因此吸收率小于1。实际物体的发射和吸收辐射的量都低于相同条件下黑体的辐射量。并且辐射量除依赖于温度和波长外，还与构成物体的材料性质及表面状态等因素有关。
将实际物体与同温度黑体辐射性能之比，作为物体的辐射系数，又称黑度。常以ε表示。实际物体根据光谱发射率随波长变化的形式，分为灰体和选择性辐射体两大类。灰体的发射率为小于1的常数；选择性辐射体的发射率随波长变化而变化。在波段比较狭窄的范围，选择性辐射体的发射率也可作为固定。实际物体引入发射率ε后，辐射规律可以下述形式表示：
Mλ（T）= ε（λ，T）• Mλb（T）
M （T）= ε（T）• σ•T4
4、红外测温原理
（1）红外测温仪器借助光学系统的滤光作用，使目标物体表面的红外辐射进入仪器的只能是预定工作波段。超过工作波段的其它辐射波长都被限制进入。
（2）物体表面的红外辐射量还与表面积大小有关系。红外测温仪器的光学系统只能接收视场面积发射的能量。因而转换成的温度是代表视场面积物体的平均温度。物体表面温度均匀，平均温度就是物体表面的真实温度。
（3）红外测温仪器利用物体表面温度与发射的红外辐射量有一定的函数关系，通过接收被测目标表面的红外辐射量，应用软件和计算机处理，显示出目标表面温度。
（二）红外测温准确的条件
红外测温仪器泛指红外测温仪、红外热电视和红外热像仪。传统红外测温只指红外测温仪的测温。红外测温仪又称红外温度计，属于依法管理计量器具。它的准确度（误差、精度）必须符合《计量法》要求。为了保证精度，要定期开展检定或校准。
按照红外测温原理，测温准确必须“被测目标充满视场”。 假设被测目标直径为φ’，视场直径为φ。当φ’＞φ，说明 “被测目标充满视场”。这样，仪器通过光学系统接收视场范围的目标物体发射的红外辐射，运用辐射量与温度间的函数关系，显示出视场范围物体的表面温度。
（三）红外测温准确的判断方法
1、根据光路图判别
图1表示3i测温仪的光路图。光路图的横坐标表示仪器的测量距离L；纵坐标表示视场直径φ。若被测目标直径为64mm，要保持准确测温，仪器最大有效测距为5m。小于5m时，视场直径都小于64mm，测温都真实反映目标表面温度。若仪表测温距离大于5m，测量时必然受到背景辐射
影响。由于目标温度与背景温度不同，而且背景温 图3 3i（120：1）光路图 度的变化没有规律，所以显示的温度与目标温度存
在差别，这 种差别称为“失真”。要对直径为40mm目标测温，有效检测 距离小于5m。如果进行计算，可以知道只有2.1 m。
根据光路图判别，只要φ’≥φ，测温准确。当φ’＜φ，测温必然不准确。
2、根据光学分辨力KL（仪表距离系数）与现场距离系数KL’大小来判别
若KL≥KL’，必然φ’≥φ，测温准确。当KL＜KL’，必然φ’＜φ，测温必然不准确。
例如，若现场检测直径为40mm ，距离15m的导电接头，现场距离系数KL’ =（1000mm/m）×15m÷40mm =375：1。当采用KL=375：1的测温仪，如WHD4015规格检测，测温必然准确。当采用HAS-201（300：1）、3i（120：1）测温仪测温，必然不准确。
3、配网及高压输电线路检测，必须采用调焦型规格，而且要保证φ’≥φ，才能准确测温。
配网线路检测的目标直径十分小，目标直径通常在20mm及以下；高压输电线路的检测距离更远。在国内外所有定焦型红外测温仪中，没有合适的规格。只有选择调焦型规格，通过调焦才能使视场直径符合要求。
例如：
（1）要检测10m远，目标直径为20mm的导电接头温度，KL’=500：1。如果采用定焦型测温仪，国内外产品中没有所需的规格可以保证φ’≥φ。如果采用调焦型WHT4020（500：1）规格，这种规格调焦到10m距离时，对应的视场直径为20mm，可以准确测温。
（2）要检测30m远，目标直径为30mm的导电接头温度，KL’=1000：1。当采用调焦型WHT4040（1000：1）规格时，调焦到30m距离时，对应的视场直径为30mm，所以可以准确测温。 |
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