摘 要：全面介绍红外探测器特性参数，探测器种类。红外温度计系列产品和环境对红外温度计测温影响。红外温度计应用概述。
关键词：红外探测器,测温,特性参数
1、引言
红外温度计属于辐射型、不接触测温仪表它与热电偶、热电阻等接触测温比较，具有使用寿命长、 性能可靠、反映时间快、灵活、准确，不需与被测物体接触等特点。特别适合于运动物体、腐蚀物体，不能用插入式测量物体，不能接触等场合测温用。典型的红外温度计是由光、机、电组成系统其中红外探测器是关键元件。红外探测器的工作原理是基于光辐射至探测器时，产生光电效应，转化为热电信号。本文由教育大论文下载中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理
2、红外探测器的特性参数
为了恰当地比较探测器的性能，要了解红外探测器的基本特性参数。
2、1 光谱响应
探测器的光谱响应是最基本的特性参数，它的概念描述的是输出信号与入射波长的关系。在理想情况下，光探测器在单位波长间隔和单位辐射功率的相对响应，随波长的增加而线性上升，在截止波长达到峰值后下降至零。相反，热探测器仅对辐射功率响应，其相对应与波长无关。图1是光探测器和热探测器的理想光谱响应曲线。其中X轴为波长,Y轴为单位波长间隔内单位辐射功率下的相对信号电压。
图1 光谱响应曲线
从探测器设计角度分析，了解探测器的光谱响应范围是很重要的，这样可以根据目标的辐射特性，选择合适的探测器。应当注意的是，探测器的光谱响应与探测器窗口(滤光片)以及红外线温度计的光学系统，特别是透射式光学系统的透射光谱曲线综合考虑，在计算入射能量时，要从总的光学传递函数考虑。
2、2响应率R
响应率等于单位辐射功率射到探测器上所产生的信号电压Vs的大小
R=
式中R的单位是v/w，H是入射在探测器上辐射照度(w/cm2)，Ad是探测器灵敏元件面积(cm2)，P是入射到探测器上辐射功率值(w)，VS为探测器输出信号电压值(v)。从设计角度看，设计探测器相匹配的前置放大器时，考虑整机电子系统总增益及各级增分配时，知道信号电压VS(VS=RP)的大小十分重要。
2、3噪声等效功率NEP及探测率D
噪声等效功率NEP是信噪比等于1时的入射功率。又称最小可测功率。
式中：NEP的单位为W;Vn是探测器噪声电压。
实际上，P应比NEP大若干倍，要有足够的信噪比才能保证测量精度。
目前在描述探测器的探测性能时，更多的是采用探测率D
显然,D越高,探测器性能越好。在测温系统确定后，选择D高的探测器，可获得高的温度分辨率。
2、4响应速度
当辐射光照射到探测器上时, 探测器输出信号要滞后一段时间达到稳定值.这种滞后时间叫探测器响应时间。对于光探测器时间常数很短, 滞后时间在微秒级。而大多数热探测器时间常数较大,通常毫秒级.从探测器使用角度，知道探测器的响应速度,就可以根据测试要求选择合适的探测器满足红外温度计测量精度。
2、5探测器其它特性
(1)R、D、、Vn随探测器温度T的变化。在室温工作工作的光探测器和热探测器,由于环境温度变化也会使R、D、Vn 变化。所以，在设计时，可采用恒定探测器温度或补偿措施。保证探测器测量精度。
(2)探测器的阻抗，探测器的偏置等特性
3、红外温度计常用的几种探测器
3、1 热电堆
热电堆是利用温差电效应制成的。它不需要偏置，不需要调制，在宽的环境温度范围内直流响应率不变，其寿命长，广泛应用于红外温度计中。
3、2 热释电探测器是利用热释电晶体的自发极化随温度变化的特性制成。它不需要偏置，可在室温工作，有宽的光谱响应，较高探测率，其工作频率达几百千赫，远超过其他探测器。响应率受环境温度变化的影响较小。其这些特点使得在红外测温仪中得到应用。热释电探测器缺点是器件受微振影响，且不象热电堆那样直流连接，它必须进行调制。
3、3 热敏电阻探测器
热敏电阻探测器是利用材料的电阻随温度变化制成的。它是一种发展早应用广泛的探测器。它的响应率R受环境温度的变化影响比热释电探测器要大些。热敏电阻探测器有宽波长响应，它的制造工艺简单，其稳定性和可靠性高。因此热敏电阻探测器获得广泛应用。
3、4 硫化铝探测器
硫化铝探测器是成熟的薄膜型探测器，一般用真空蒸发式化学沉淀制成。这种探测器在比色温度计中应用。几种红外温度计采用的红外探测器性能。
4、红外温度计系列
红外温度计属于辐射型，不接触测温仪表。下面按红外线温度计系列进行介绍。
4、1 Q系列红外温度计
Q系列红外温度计是硅光电池作为探测器。光谱波长0.5～1.1µm。Q系列温度计是短波长温度计，它所选用的工作波段远离水汽，二氧化碳的吸收带，不受水汽，二氧化碳气氛影响，也不受距离变化的影响。因此，这种红外温度计适合钢铁、机械、玻璃制造等工业行业的应用。测度范围400℃～2500℃。
每种型号的Q系列温度计，按其结构和具有功能来分，有系统1、系统2单卡，系统2多卡等种类。
系统1温度计是简单一种，结构简单，价格便宜。缺点是其输出信号与温度成非线性关系。
系统2温度计增加很多功能，如前置放大，峰值采样，平均采样保持，热金属探测，超值报警等多种功能卡。系统2温度计除标准型外，还可制成许多变型产品，如用于测量小目标产品。
4、2 R系列红外温度计
R系列红外温度计采用红外光谱响应范围宽的热电堆作为探测器，配上不同的透镜，滤光片构成不同工作段仪表。R系列温度计光谱响应很宽，测温范围0℃～3000℃。测量精度和Q系列相同。由于R系列温度计工作波段宽而长，很难避免某些波长上水汽、二氧化碳的影响，R系列温度计在分度时，是根据实验室环境温度、湿度情况下进行刻度的。现场应用时环境温度、湿度、安装距离都与标准状态不同，会带来一定误差。
R系列温度计同Q系列温度计一样，也有系统1，系统2单卡，系统2多卡之分，根据测量范围和现场情况，也派生若干规格。
Q系列，R系列红外温度计可与计算机相联，进行多功能控制巡回检测。
4、3表面红外线温度计系列
表面温度计是将镀金凹半球面盖在被测物体上，被测物体发生的辐射能量在半球和被测物体间多次反射形成一个黑体腔，然后能量经半圆球中间小孔投射硅光电池或热电堆控测器上，经过光电转换可读出温度值。表面温度计可测范围0℃～1300℃。
热电堆推测器响应时间为2S，而光电池探测器响应时间为1ms。表面温度计属于便携式，使用时要注意，每次放在被测物体上的时间不能超过10S，否则镀金半球过热，会烧坏探测元件。表面温度计优点，可测高温还可测物体发射率。
4、4 比色温度计
比色温度计是比单色温度计更复杂的仪表。比色温度计是在一个机体内装有两个温度计，两个温度计分别工作在不同的波长，但使用同一个光学系统，把两者光轴重合。也可以使用两个探测器，在这种情况下，内部的光路必须分开。也可以用一个探测器，在这种情况下，决定工作波长的不同滤光片要交替置入光路中。两个输出信号之比，是被测物体温度测量值。如果两个信号以同一比例增加或减少，则比值不变。因此，在目标区有可能受到污染时，可以用比色温度计进行测量以减少测量误差。但是比色温度计对表面发射率不同，将引起测量误差。大系数表面的发射率都与波长有关，故比值信号也产生误差。
5、消除被测环境对红外温度计测温的影响
被测环境系指烟雾、水汽、粉尘对辐射测温仪表的影响。可利用下述方法消除。
5、1 选择合适的红外温度计
每种型号的红外温度计都有特定的工作波长，设计时，应尽可能避开水汽和二氧化碳吸收波长。实验证明，波长2.7µm和4.3µm吸收率很高。因此温度计工作波长要避开。在选择温度计时，远离吸收波段，就不会受到水汽和二氧化碳的影响。在选择温度计时，不只看测温范围和目标的大小，还要看工作波段是否避开水汽和二氧化碳的影响。
5、2 选择合理的瞄测部位
在制定测温位置时，选择有利的部位，尽量避开烟雾、水汽等不利因素。如轧钢锭前测钢锭的温度测温时，可瞄准炉内钢锭，可在出炉时瞄准钢锭，也可在钢锭传送带上瞄准钢锭，不一定非要在哪一个地方测温，尽量避开环境干扰的影响。
5、3 吹掉瞄测光路的烟雾、水汽、粉尘
红外温度计有安装附件可供选用。有空气清洗器，测管等附件。吹气有两个作用，一是保护温度计的透镜免受污染;二是吹掉瞄测光路上的水汽、水滴、烟雾、粉尘以减少测量误差。有些测温环境恶劣的场合，可选用1米多长测管附件，加大吹气量，确保测管内的清洁，防止外界对测温的干扰。
5、4 选择合适的安装位置
温度计安装在振动小，不防碍工作，烟雾、水汽、粉尘少的地方。安装位置与被测面越近，光路吸收误差越小。多数红外温度计是在距1米左右分度的，使用时，安装部位距目标0.5～3米为宜。要根据目标大小、周围条件、环境温度、温度计型号而定安置地点。一定要保证被测目标大于温度计在该距离上要求的最小目标尺寸。
6、应用概况
6、1 鼓风炉顶测温本文由教育大论文下载中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理
钢铁工业是非接触测温传统用户。鼓风炉顶要避免因过热而损坏，必须测量温度。专门设计了一种鼓风炉顶安装的附件，用两支温度计通过附件朝下瞄准到鼓风炉内耐火砖上，一支温度计使用，另一支供定期校验用。这种用红外温度计测量炉顶温度装置，使用寿命长，不象接触测温装置容易损坏。
6、2 铁水测温
高温炉中铁水温度是影响金属成分的主要因素之一，可是炉内温度难以测量，只能在铁水出炉时测量。安置红外温度计则可以远离测量铁水及炉子温度，测温装置不需要经常维修。
6、3 连铸测温
连铸是将钢水直接铸成钢坯。连铸的弧形喷水区域、较直、切段都需要控制温度。在弧形喷水区域用几台红外温度计。较直、切段部位也用红外温度计测温，准确测温将大大改善钢件表面质量。
6、4 轧钢测温
轧钢系指连扎、半连扎、粗轧、精轧、管、棒、板、丝及各种型材都可用红外温度计测量温度。红外温度计瞄准运动中轧制钢坯测温，保证轧制出型材产品的质量。
6、5 各种加热炉测温
钢锭在轧制之前，需要放在炉中加热，用接触法测温，测出是炉堂温度，而不是钢锭的温度。因此，用红外温度计瞄准钢锭，测出钢锭的温度。盐炉及各种热处理炉均可用红外温度计测量加热炉内温度。
6、6感应加热炉测温
感应加热炉类型很多,其具有工件加热快,工件运动等特点。需要测量工件表面温度而不是感应炉温度.红外线温度计能瞄准工件进行精确测温,而接触测法达不到这样测量效果。
6、7锻件测温
钢件在锻压过程中,温度是影响金相质量的主要因素之一。钢件在锻压过程中，形状是在改变，产生不规则的氧化皮，固定安装红外线温度计难以捕捉到理想的测温面.要求红外温度计应装一个特制的扫描器上以一定的角度上下扫描,扫描周期为几秒钟.选用小目标温度计,这样能真实测出锻件温度。
6、8玻璃熔炉测温
短波辐射能量对玻璃透过率高,但随着玻璃厚度增加适过率减弱。玻璃熔炉中玻璃厚度至少有几百毫米厚，已超过0.5～1.1µm波长能透过的厚度，利用这一性质,可用红外温度计来测量玻璃几十毫米深度玻璃平均温度。用几台红外温度计瞄准玻璃溶液，炉墙、炉顶，出料口等部位。安装位置要尽量避开火焰的影响。
6、9玻璃成型测温
无论是钢化玻璃、平板玻璃,等在成型过程中控制成型温度是非常重要。温度差一点，玻璃湖状的粘稠度大小一样.制造出成品玻璃质量不能保证合格。用红外温度计可测湖状玻璃几毫米厚度之内的平均温度。平板玻璃特别是浮法生产平板玻璃，控温特别重要。出口处，锡槽退火区域，用多支红外温度计测出这些部位玻璃的表面温度和玻璃内部的平均温度。保证成型玻璃产品质量。
参考文献：
[1] 张幼文编著，红外光学工程上海科学技术出版社，1982、11
[2] R、J，凯斯主编，董培元译测器与红外探测器，科学出版社，1984
