红外辐射测温的影响因素及误差分析

刘培 徐标

摘  要：随着科技水平的迅速发展，红外测温技术在疫情防控、产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥着越来越大的作用，尤其在2019新冠肺炎抗疫中发挥了鉴别患者、阻断病毒传播的关键作用。同时随着我国工业升级，红外测温技术在我国将扮演着越来越重要的角色，为我国的现代化和节能减排保驾护航。

关键词：红外辐射  测温  发射率  误差

中图分类号：TG333           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0050-03

Abstract： With the rapid development of science and technology， infrared temperature measurement technology plays an increasingly important role in epidemic prevention and control， product quality control and monitoring， on-line fault diagnosis and safety protection of equipment， and energy saving， especially in 2019COVID-19， which plays a key role in identifying patients and blocking virus transmission. Meanwhile， with China's industrial upgrading， infrared temperature measurement technology will play an increasingly important role in China， escorting China's modernization， energy conservation and emission reduction.

Key Words： Infrared radiation; Temperature measurement; Emission rate; Error

现阶段，越来越多的红外额温计、红外耳温计和工业用红外测温仪在我们的日常生活和工业生产中取代传统的接触式测温设备，极大地提高了测温的快速性和准确性。同时红外体温计的使用也有效的降低了病毒在不同个体之间的交叉感染的机会，阻断了疫情的大范围传播。无论是人体测温还是工业测温，其工作原理都是红外测温技术，该技术的应用拓宽了测温范围，提高了测温便捷性，使设备温度实现了实时监控与自动控制。但是随着红外测温仪的使用越来越广泛，我们发现在某些条件下测温仪的测量值会存在一定误差，为后续工作的进行带来影响。

1  红外辐射与红外测温的特点

红外辐射是自然界中普遍存在的一种不可见光辐射，红外辐射的物理原理是热辐射。当某一物体的表面温度高于绝对零度时，红外线就会向周围空间充分散发辐射。大量的实验研究证明，目标物体表面温度与红外辐射能量之间成正比例，即被测物体表面温度的高低能够对辐射能量散发的多少起促进作用，因此，红外辐射中的热效应是非常明显的。红外测温仪中使用红外辐射的应用能够对人眼看不到的红外线做出灵敏反应，但不同波长段范围的红外辐射代表着不同的被测温度，使用过程中需仔细辨认。在进行不同的生产、生活应用时，应根据所测量温度范围的不同选择相应波长段的红外测温设备。

红外测温技术是现阶段随着科学技术的发展出现的一种新型的温度测量技术。与传统测量方式不同，红外测温不需要接触被测物体，因此在测量距离较远物体的温度或高温高压等测量难度较大的物体方面具有明显优势。其次，红外测温具有与红外辐射相似的灵敏性，通过斯特藩-玻耳兹曼定理可知，物体的红外辐射量与物体实际温度之间是四次方的理论关系。由此，即便物体实际温度只发生十分微小的变化，最终的测量结果也会产生很大变化。更为重要的一点是，红外测温技术测量的准确性是非常高的，并不会由于不与被测物体接触而对准确性造成影响，反而能够保护被测物体原本的温度分布情况。这样一来，采用红外辐射进行测温所得数值的真實性就大大增加。此外，红外测温的使用范围非常广泛，低到零下几十度，高到零上千度的温度测量都能够正常进行。在使用场合方面也没有明显的规定，几乎各种符合测量条件的场合都可以使用，如工业生产中高温环境的窑炉、有色金属的连铸及各种军事应用的发动机内部温度等。

2  红外辐射测温原理及使用

红外辐射测温过程的实现与红外测温仪内部的传感器有直接关系。当被测量物体发出的某一波长范围的辐射内部能量传输到红外测温仪的光路上时，仪器内部的光学系统会将探测到的红外辐射能量传递至红外传感器中。经过内部传感器的热电势处理，所吸收的能量能够转化为电信号进入放大电路，最终通过处理将测量温度在信号终端显示出来。

3  红外辐射测温影响因素的误差分析

3.1 环境因素

所测目标周围的环境变化及其他因素能够对红外测温数值及灵敏度产生影响，如当前环境温度变化、光辐射以及空气流动等。在这里我们主要对环境温度变化对红外辐射测温结果产生的误差进行分析。我们假设被测目标的实体温度为T1，当前外界环境温度为T2，根据斯特藩-玻耳兹曼定理可得，AεσT14为每单位面积通过空气媒介传输的辐射能量，AασT24为该单位面积内所能吸收的辐射能量，两者相减就可以得出目标物体在当前环境温度下的净辐射能。这里的A代表的是目标物体的单位面积，ε代表目标物体的发射率，α代表与前者相反的目标物体的吸收率。在一定条件下，ε与α可以实现数值相等，但外界环境温度会不断变化，因此目标物体的净辐射能也会不断改变，从而造成测量温度的变化。表1为目标物体温度变化及环境温度变化对能量误差造成的影响。

3.2 发射率

发射率所呈现的是目标物体的辐射能力与客观条件相同状态下的黑体辐射能力之间的比例关系。发射率的数值在0～1之间不断变化，通过计算数值的高低还可以判断目标物体辐射能力的强弱。在这里我们同样利用假设的方法进行论证，ε1代表目标测量物体的实际发射率，ε2代表红外测温仪参数设置的发射率，T1代表被测物体的真实温度，T2代表红外测温仪最终结果，环境温度视为TO。根据被测物体在环境温度下的发射率等于红外测温仪在环境温度下的发射率，即红外辐射测温定律可计算出目标测量物体的实际发射率与经过参数设定的红外测温仪发射率。当然，我们也可以将上述字母用数字代替进行验证。假设TO所代表的外界环境温度为20℃，红外测温仪最终的结果为50℃，ε1、ε2的数值分别为0.95、0.98。根据上述定律可计算出被测物体的实际温度为50.38℃。此时，我们继续改变被测物体的实际发射率即ε1，将其改为0.8，其他数值均不变，继续对被测物体的实际温度进行计算，可以得出此时物体的实际温度为52.52℃。这样一来，我们就可以明显看到两者之间存在的误差，由此也可以证明不论是在理论基础还是实际测量，发射率都能够造成一定误差。要想最大程度上获取精确测量结果，减少误差，需要首先排除目标物体发射率的影响，确认排除后再开始对被测物体进行测温。我们常见的工业设备的发射率都是相对稳定的，基本维持在0.85～0.95之间。因此，大部分红外测温仪的发射率将0.95作为固定值。

3.3 距离系数

设计红外测温设备时候一个重要的环节就是光路设计，距离系数K就是其中一个关键参数，它代表着红外测温仪分辨率的高低。K=S/D，这里的S是指目标物体与红外测温仪之间的距离数值，D则代表被测物体的实际直径，两者之间数值相比对红外测温仪分辨率的高低进行判定，若计算得出的K值较大，则代表红外测温仪分辨率较高。由此可以看出，K值与红外测温仪分辨率之间是正相关的。若实际测量过程中，目标物体与红外测温仪之间的距离增大并超过其自身光路设计，红外测温仪所呈现的物体比例就会随之缩小。当缩小到一定程度目标物体比例就会小于红外测温仪视场，此时测量的输出数据就会相对减少，误差由此产生。因此在使用过程中，要想减小红外测温仪的使用误差，应根据设备的K值和被测物体的尺寸来确定合适的测量距离，减小距离因素带来的影响。

4  结语

综上所述，造成红外测温仪测量结果误差的因素很多，环境因素、发射率以及光路设计都是对测量结果有重要影响的环节。因此在使用时我们应该注意以下几点来减少不恰当的操作带来的测温误差：（1）首先要尽可能的减少环境中的温度、辐射以及风速等对设备造成直接影响;（2）根据所测温度的不同选择相对应波长段的红外测温设备;（3）根据所测物体表面性质的不同，调整红外测温设备的发射率来获取正确的温度数据;（4）研究所使用红外测温设备的光路设计，根据所测物体外形尺寸的不同选择正确的测温距离;（5）同时在实际应用过程中，要注意保持红外测温设备的部件可靠性和稳定性，减少因设备维护原因造成的温度测量误差。

参考文献

[1] 金辉，王晓岚，孙健.红外测温仪测量准确度的影响因素分析及修正方法[J].上海计量测试，2019，46（5）：34-38.

[2] 许涛.高线红外测温的影响因素及解决措施研究[J].冶金与材料，2019，39（5）：43，45.

[3] 劉纯红，熊丹，董勇，等.辐射换热角系数理论对红外辐射测温的优化[J].量子电子学报，2019，36（4）：490-494.

[4] 王磊.基于辐射测温理论的比色测温仪的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2019.

[5] 郝玺.黑体辐射测温法对Cu液—固相变温度的研究[D].太原：太原科技大学，2017.

[6] 解乐.道面温度测量系统设计与研究[D].北京：中国科学技术大学，2017.