淺談紅外測溫儀的測量問題

孫巖

摘要：文中簡要概述了紅外測溫儀的測溫原理，通過輻射源尺寸效應實驗進一步說明紅外測溫儀受到輻射源直徑大小的影響情況。最后提到在計量紅外測溫儀時需要注意的問題，以得到更加準確的測量結果。

關鍵詞：紅外測溫儀；黑體輻射源；輻射源直徑；發射率

Discussion on the Measurement of Infrared Thermometer

SUN Yan

（Fujian? Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： This paper briefly summarizes the temperature measurement principle of infrared thermometer，the size effect experiment of radiation source further shows that the infrared thermometer is affected by the diameter of radiation source.Finally， the problems needing attention in measuring infrared thermometer are mentioned in order to get more accurate measurement results.

Key Words： Infrared thermometer; Blackbody radiation source; Radiation source diameter; Emissivity

1測溫原理

紅外測溫儀的測溫原理為利用普朗克黑體輻射定律，根據輻射體的輻射特性與溫度的關系來測量輻射體的表面溫度[1]。普朗克黑體輻射定律如公式（1）所示。

其中：

為物體表面溫度，K；

λ為波長，m；

b（λ，T）為黑體的光譜輻射亮度，W·m-3·sr-1；

1為第一輻射常數，1=3.7418×10-16 W·m2；

2為第二輻射常數，2=1.4388×10-2m·K。

紅外測溫儀一般由光學系統、探測器、信號處理部分和顯示輸出部分組成[2，3]。光學系統接收輻射體的紅外輻射能量，經過光電轉換以及信號處理后將所獲得的電信號通過函數關系換算成溫度示值輸出顯示。因此在檢定校準以及用戶使用過程中，一定要保持光學系統的清潔，并盡量保證測量環境有較好的能見度。

2輻射源尺寸效應實驗

輻射源尺寸效應（SSE）是指當測量距離一定時紅外測溫儀測量值依賴被測物體大小的效應[4]。SSE函數計算公式為：

其中：

T（r），T（rmax），為紅外測溫儀測量半徑為r和rmax的輻射源時的示值，K；

Tb一般可取環境溫度，K；

λ為紅外測溫儀的極限有效波長，m。

下面通過兩組實驗進一步了解紅外測溫儀的輻射源尺寸效應。

2.1相同儀器不同溫度的SSE曲線對比

實驗條件如下：某型號工業用紅外測溫儀，響應波長（8～14）μm，測量距離900mm，環境溫度21℃，實驗用黑體面源。通過光柵改變輻射源直徑，設定黑體200℃和400℃兩個溫度點下測量被檢器的溫度示值，得到不同溫度下的儀器示值數據如表1所示。

考慮評定紅外測溫儀不確定度時其他因素的影響，可以得到實驗結論：在固定測量距離的情況下，同一臺儀器的SSE函數曲線是固定的，不受測量溫度的影響。

2.2不同型號儀器的SSE曲線對比

實驗條件如下：型號FLUKE-66與型號testo-830工業用紅外測溫儀，響應波長均為（8～14）μm，測量距離900mm，環境溫度21℃，實驗用黑體面源。通過光柵改變輻射源直徑，設定黑體溫度200℃時經過實驗得到同一溫度下不同型號的儀器示值數據，如表2所示。

根據表2數據得到兩臺儀器的SSE函數曲線，如圖1所示。

根據實驗數據可以得到結論，SSE函數曲線變化越小，儀器示值受輻射源直徑的影響越小。但不能說明在測量距離固定的情況下，被測目標視場越大越接近真實值。對于用戶來說一般建議測試視場不小于被測目標直徑的1.25倍[5]，當被測目標較小且無法近距離測量時，可以選擇距離系數較大（例如D：S為30：1）的紅外測溫儀，受到輻射源直徑影響較小。

3計量過程中需注意的問題

3.1測量距離

通常紅外測溫儀的說明書中會說明該儀器的距離系數（D：S），一種情況為距離系數為固定值，另一種情況為距離系數有三種數值，下面一組實驗討論同一臺儀器說明書所給的三組建議測量距離下的儀器示值差別。

實驗條件為某型號工業用紅外測溫儀，說明書給其三組D：S數據為62/1500、30/900、24/300，實驗用黑體面源，黑體設定溫度200℃，環境溫度21℃。實驗數據如表3所示。

根據實驗數據可知三組條件下的儀器示值存在明顯差別，因此在計量紅外測溫儀時，一方面，校準時可以考慮復現出廠條件，在某一校準條件下校準證書上的測量結果最接近真實值，用戶使用的時候也要盡量復現校準證書上的校準條件。另一方面，在輻射源直徑允許的條件下可以尋找D：S最大值點，因為D：S最大值點為設計距離，此時儀器的約定接收能量應為90%或95%，即此時SSE為0.9或0.95。

3.2發射率修正

根據JJG 856-2015《工作用輻射溫度計》檢定規程，在計量紅外測溫儀時，對于發射率可調的紅外測溫儀，應將發射率設置為1.00后進行檢定校準[6]。對于發射率固定為0.95的紅外測溫儀，應根據被檢器的響應波長對測量結果進行修正。必要時還應考慮黑體發射率不為1情況的示值修正。此外，計量過程中還應注意環境條件的影響，保持被檢器的光學系統潔凈，以得到更為準確的測量結果。

4結論

文中對紅外測溫儀的測溫原理進行了簡要闡述，通過幾組實驗介紹了紅外測溫儀的輻射源尺寸效應影響，提出在使用過程中要針對具體被測目標直徑具體確定測量距離。同時簡單總結了計量紅外測溫儀時所需要注意的問題，以實現對紅外測溫儀更加精準的溫度計量，對于用戶來說也可以更加明確紅外測溫儀的使用注意事項。

參考文獻

[1]張少華，姚國瑞，陳大鵬，等.基于熱釋電效應的非接觸式紅外測溫儀的設計[J].電腦科學與技術，?2021，17（17）：239-243.

[2]俞聯夢.紅外測溫儀測溫系統準確性研究[J].信息技術與信息化， 2020，（03）：69-71.

[3]史恩忠，楊寶華.紅外測溫儀檢定誤差原因剖析及對策[J]. 上海計量測試， 2014，41（05）：21-22.

[4]工作用輻射溫度計：JJG 856-2015[S].

[5]金輝，王曉嵐，孫健.紅外測溫儀測量準確度的影響因素分析及修正方法[J].上海計量測試，2019，?46（05）： 34-38.

[6]高原，胡蓉.紅外測溫儀示值的影響因素[J].計測技術，?2012，32（05）：38-40.