红外测温仪检定误差原因剖析及对策

史恩忠 杨宝华 / 马鞍山市计量测试研究所

红外测温仪检定误差原因剖析及对策

史恩忠 杨宝华 / 马鞍山市计量测试研究所

介绍黑体炉及红外测温仪的基本工作原理。分析红外测温仪检定时测量误差产生的原因，并提出了减小误差的措施和方法。

红外测温仪；黑体炉；测量误差；措施方法

0 引言

直接式测温仪与红外测温仪相比具有更多优点，现已被广泛应用于冶金、石化、电力等许多领域，在测量计量中发挥着巨大的作用。要保证红外测温仪量值传递的准确可靠，做好定期的检定校准是必须的，然而怎样才能做好红外测温仪的检定校准？在以标准黑体炉作为主要标准器检定红外测温仪的实际工作中，常有温度读数偏差较大、检定数据难以判断的情况。因此，探讨红外测温仪检定误差产生的原因及相应的解决办法，就显得尤为重要。

1 基本原理

1.1 黑体炉

红外测温仪所测得的温度是物体的辐射温度而不是物体的实际温度。红外测温仪的标准化检定方法是采用标准黑体炉检定[1-2]。黑体炉是一种实用的黑体辐射源，黑体腔体放置在特定的恒温场中，它是黑体空腔理论[3]在实际测温中的具体应用。黑体炉一般都是由加热体和发射近似黑体辐射的腔体组成。中温黑体炉（300 ～ 1 200 ℃）一般用电阻丝加热，炉管中间部位放置黑体空腔。通过精确的自动控温调整，黑体腔体所在区域的技术指标：水平温差不大于0.05 ℃，垂直温差不大于0.10 ℃；温度波动度不大于±0.1 ℃/10 min。辐射黑体源的腔体置于这样的工作区域内，其靶面的温度均匀性小于1.0 ℃，控温稳定度不大于0.3 ℃/10 min。空腔采用不锈钢或镍镉合金制成，并在高温下进行充分氧化发黑处理，以提高其表面的发射率，其有效发射率可达到0.995。

1.2 红外测温仪

红外测温仪是根据物体的红外辐射特性,依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器 (传感器) ,并转换成电信号，再通过放大电路、补偿电路及线性处理后，终端显示被测物体的温度。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测器上并转换为可测量的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，按照仪器内部的计算和目标发射率校正后转变为被测目标的辐射温度值[4]。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、烟雾、尘埃、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。

2 红外测温过程中的误差分析

红外测温仪通过接收目标物体的辐射能量来测量其表面温度。由于红外测温是非接触式的，导致在测量过程中会存在着各种误差。影响误差的因素很多，除了仪器本身的因素外，主要表现在以下几个方面。

2.1 距离系数

距离系数（K=S∶D）是红外测温仪探头到被测目标之间的距离S与被测目标直径D的比值（这里的被测目标直径指标准黑体炉的腔口直径，也即辐射源靶面直径）。它对红外测温仪的测量准确度有很大影响，K值越大，光学分辨力越高。在实际的检定校准工作中，许多人忽略了测温仪对距离系数的要求。不管被测目标点直径D的大小，这样测量得到的结果会有一定的误差。例如，用距离系数为S∶D =8∶1的测温仪，测量距离应满足表1的要求。

因此，如果测温仪由于测量条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量较小的目标，就应选择高光学分辨力的测温仪，以减小测量误差。需要指出的是，在用测温仪瞄准测量目标进行测量时，被测目标的直径是不变的，而测温仪的测量距离要求应根据测量结果的实际情况来确定。即遵循示值最大化原则，在规定的测量距离上，以测温仪对被测目标测量结果中的最大值所对应的距离来确定测温仪的实际测量距离。

表1 测量距离与目标直径对应值

2.2 测量的方向与角度

红外测温仪从物体上接收到的辐射能量大小正比于它的发射率。物体的发射率除了与物体的材料形状、表面粗糙度、凹凸程度等有关，还与测量时的方向与角度有关。若物体为光洁表面时，其方向性更为敏感。测量角度越大，则测量误差越大。在对红外测温仪进行检定校准时，这一点很容易被忽视。一般来说，测量时红外测温仪应垂直对准黑体炉腔口，其光轴与辐射源靶面轴线重合。测量时角度最好控制在30°以内，不宜大于45°。如果不得不大于45°进行测量，可以适当地调低测温仪的发射率进行修正[5]。在实际的检定过程中应注意标准黑体炉和测温仪相对应的发射率，对红外测温仪发射率的设定调整要尽量准确，必要时进行标准黑体炉和测温仪发射率的换算，以减小所测量温度的误差。需要注意的是，如果要对两个相同物体的测温数据进行分析比较，那么在测量时测量角度一定要相同，这样才更具有可比性。

2.3 被测目标尺寸

被测目标尺寸和红外测温仪的视场决定了仪器测量的准确度。使用红外测温仪测温时，只能测定被测目标表面上确定面积的温度值。在定测量距离时，应确保被测目标面积等于或大于受测的测温仪视场。激光瞄准器型测温仪，激光点应在目标中心的上方，有12 mm的偏置距离。一般测量时有以下三种情况：（1）当被测目标大于测试视场时，测温仪不会受到测量区域外面的背景辐射能量影响，能够显示被测物体位于光学目标内确定面积的真实温度，这时的测量效果最好。就如在检定红外测温仪时，黑体辐射源靶面直径应大于或等于测温仪要求的目标直径。（2）当被测目标等于测试视场时，已受到背景辐射能量影响，但影响还比较小，测量效果一般。（3）当被测目标小于测试视场时，背景辐射能量就会干扰测温读数，造成误差。因此在实际测温时，被测目标尺寸应超过测温仪视场大小的50%为好。

2.4 响应时间和环境因素

响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要的时间。它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。红外测温仪响应时间的选择要同被测目标的情况相适应。如果被测目标的运动速度很快或温度变化的速度很快，要选用快速响应的测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量准确度；对于静止的目标或温度变化速度慢的目标，则测温仪的响应时间可以放宽要求。此外，环境温度的较大变化将影响红外测温仪的测量准确度，对于待检定的红外测温仪需要在实验室放置30 min以上才可以进行检定。

3 结语

影响红外测温仪检定数据准确可靠的原因很多，但只要深入研究检定过程中应注意的一些问题，掌握标准黑体炉和红外测温仪的工作原理，对标准设备及被检仪器的各个部分进行认真分析，就不难找出合理的减少测温误差的方法，从而保证红外测温仪检定工作的正常开展。

[1] JJG 415-2001工作用辐射温度计检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2001.

[2] JJG 67-2003工作用全辐射温度计检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2003.

[3] 常蕾，赵俭，武建红. 铱金属管黑体腔高温传感器发射率研究[J]. 工业计量，2013，（03）：35-36.

[4] 曾强，舒芳誉，李清华. 红外测温仪的工作原理及应用[J]. 电子质量，2007，（01）：25-26.

[5] 孙文锦. 如何用红外测温仪进行精确测量[J]. 工业计量，2010，（S1）：90-93.

The calibration of infrared temperature measurement error analysis of causes and
countermeasures

Shi Enzhong，Yang Baohua
（Ma′anshan Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduces the basic theory of blackbody furnace and infrared thermometer. Combined with the actual situation of the veri fi cation, divided Analysis of the causes of the infrared thermometer inspection timing measurement errors，and puts forward some measures and methods to reduce errors

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