本文介紹黑體爐及紅外測(cè)溫儀的基本工作原理。分析紅外測(cè)溫儀檢定時(shí)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，并提出了減小誤差的措施和方法。

直接式測(cè)溫儀與紅外測(cè)溫儀相比具有更多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于冶金、石化、電力等許多領(lǐng)域，在測(cè)量計(jì)量中發(fā)揮著巨大的作用。要保證紅外測(cè)溫儀量值傳遞的準(zhǔn)確可靠，做好定期的檢定校準(zhǔn)是必須的，然而怎樣才能做好紅外測(cè)溫儀的檢定校準(zhǔn)?在以標(biāo)準(zhǔn)黑體爐作為主要標(biāo)準(zhǔn)器檢定紅外測(cè)溫儀的實(shí)際工作中，常有溫度讀數(shù)偏差較大、檢定數(shù)據(jù)難以判斷的情況。因此，探討紅外測(cè)溫儀檢定誤差產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決辦法，就顯得尤為重要。

1、基本原理

1.1　黑體爐

紅外測(cè)溫儀所測(cè)得的溫度是物體的輻射溫度而不是物體的實(shí)際溫度。紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)化檢定方法是采用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐檢定。黑體爐是一種實(shí)用的黑體輻射源，黑體腔體放置在特定的恒溫場(chǎng)中，它是黑體空腔理論在實(shí)際測(cè)溫中的具體應(yīng)用。黑體爐一般都是由加熱體和發(fā)射近似黑體輻射的腔體組成。中溫黑體爐(300~1200℃)一般用電阻絲加熱，爐管中間部位放置黑體空腔。

通過(guò)精確的自動(dòng)控溫調(diào)整，黑體腔體所在區(qū)域的技術(shù)指標(biāo)：水平溫差不大于0.05℃，垂直溫差不大于0.10℃；溫度波動(dòng)度不大于±0.1℃/10min。輻射黑體源的腔體置于這樣的工作區(qū)域內(nèi)，其靶面的溫度均勻性小于1.0℃，控溫穩(wěn)定度不大于0.3℃/10min?？涨徊捎貌讳P鋼或鎳鎘合金制成，并在高溫下進(jìn)行充分氧化發(fā)黑處理，以提高其表面的發(fā)射率，其有效發(fā)射率可達(dá)到0.995。

1.2　紅外測(cè)溫儀

紅外測(cè)溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測(cè)器(傳感器)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后，終端顯示被測(cè)物體的溫度。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，按照儀器內(nèi)部的計(jì)算和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的輻射溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、煙霧、塵埃、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。

2、紅外測(cè)溫過(guò)程中的誤差分析

紅外測(cè)溫儀通過(guò)接收目標(biāo)物體的輻射能量來(lái)測(cè)量其表面溫度。由于紅外測(cè)溫是非接觸式的，導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中會(huì)存在著各種誤差。影響誤差的因素很多，除了儀器本身的因素外，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1　距離系數(shù)

距離系數(shù)(K=S∶D)是紅外測(cè)溫儀探頭到被測(cè)目標(biāo)之間的距離S與被測(cè)目標(biāo)直徑D的比值(這里的被測(cè)目標(biāo)直徑指標(biāo)準(zhǔn)黑體爐的腔口直徑，也即輻射源靶面直徑)。它對(duì)紅外測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確度有很大影響，K值越大，光學(xué)分辨力越高。在實(shí)際的檢定校準(zhǔn)工作中，許多人忽略了測(cè)溫儀對(duì)距離系數(shù)的要求。不管被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)直徑D的大小，這樣測(cè)量得到的結(jié)果會(huì)有一定的誤差。因此，如果測(cè)溫儀由于測(cè)量條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量較小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨力的測(cè)溫儀，以減小測(cè)量誤差。

需要指出的是，在用測(cè)溫儀瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)目標(biāo)的直徑是不變的，而測(cè)溫儀的測(cè)量距離要求應(yīng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果的實(shí)際情況來(lái)確定。即遵循示值Zda化原則，在規(guī)定的測(cè)量距離上，以測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)目標(biāo)測(cè)量結(jié)果中的Zda值所對(duì)應(yīng)的距離來(lái)確定測(cè)溫儀的實(shí)際測(cè)量距離。

2.2　測(cè)量的方向與角度

紅外測(cè)溫儀從物體上接收到的輻射能量大小正比于它的發(fā)射率。物體的發(fā)射率除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸程度等有關(guān)，還與測(cè)量時(shí)的方向與角度有關(guān)。若物體為光潔表面時(shí)，其方向性更為敏感。測(cè)量角度越大，則測(cè)量誤差越大。在對(duì)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)時(shí)，這一點(diǎn)很容易被忽視。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)紅外測(cè)溫儀應(yīng)垂直對(duì)準(zhǔn)黑體爐腔口，其光軸與輻射源靶面軸線重合。

測(cè)量時(shí)角度Z好控制在30°以內(nèi)，不宜大于45°。如果不得不大于45°進(jìn)行測(cè)量，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低測(cè)溫儀的發(fā)射率進(jìn)行修正。在實(shí)際的檢定過(guò)程中應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)黑體爐和測(cè)溫儀相對(duì)應(yīng)的發(fā)射率，對(duì)紅外測(cè)溫儀發(fā)射率的設(shè)定調(diào)整要盡量準(zhǔn)確，必要時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)黑體爐和測(cè)溫儀發(fā)射率的換算，以減小所測(cè)量溫度的誤差。需要注意的是，如果要對(duì)兩個(gè)相同物體的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，那么在測(cè)量時(shí)測(cè)量角度一定要相同，這樣才更具有可比性。

2.3　被測(cè)目標(biāo)尺寸

被測(cè)目標(biāo)尺寸和紅外測(cè)溫儀的視場(chǎng)決定了儀器測(cè)量的準(zhǔn)確度。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫時(shí)，只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上確定面積的溫度值。在定測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)確保被測(cè)目標(biāo)面積等于或大于受測(cè)的測(cè)溫儀視場(chǎng)。激光瞄準(zhǔn)器型測(cè)溫儀，激光點(diǎn)應(yīng)在目標(biāo)ZX的上方，有12mm的偏置距離。

一般測(cè)量時(shí)有以下三種情況：(1)當(dāng)被測(cè)目標(biāo)大于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，測(cè)溫儀不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景輻射能量影響，能夠顯示被測(cè)物體位于光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實(shí)溫度，這時(shí)的測(cè)量效果Z好。就如在檢定紅外測(cè)溫儀時(shí)，黑體輻射源靶面直徑應(yīng)大于或等于測(cè)溫儀要求的目標(biāo)直徑。(2)當(dāng)被測(cè)目標(biāo)等于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，已受到背景輻射能量影響，但影響還比較小，測(cè)量效果一般。(3)當(dāng)被測(cè)目標(biāo)小于測(cè)試視場(chǎng)時(shí)，背景輻射能量就會(huì)干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。因此在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)超過(guò)測(cè)溫儀視場(chǎng)大小的50%為好。

2.4　響應(yīng)時(shí)間和環(huán)境因素

響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)Z后讀數(shù)的95%能量所需要的時(shí)間。它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要同被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。如果被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或溫度變化的速度很快，要選用快速響應(yīng)的測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量準(zhǔn)確度；對(duì)于靜止的目標(biāo)或溫度變化速度慢的目標(biāo)，則測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間可以放寬要求。此外，環(huán)境溫度的較大變化將影響紅外測(cè)溫儀的測(cè)量準(zhǔn)確度，對(duì)于待檢定的紅外測(cè)溫儀需要在實(shí)驗(yàn)室放置30min以上才可以進(jìn)行檢定。

3、結(jié)語(yǔ)

影響紅外測(cè)溫儀檢定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的原因很多，但只要深入研究檢定過(guò)程中應(yīng)注意的一些問(wèn)題，掌握標(biāo)準(zhǔn)黑體爐和紅外測(cè)溫儀的工作原理，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及被檢儀器的各個(gè)部分進(jìn)行認(rèn)真分析，就不難找出合理的減少測(cè)溫誤差的方法，從而保證紅外測(cè)溫儀檢定工作的正常開(kāi)展。