如何選擇和使用非接觸式溫度傳感器

在選擇和使用非接觸式溫度傳感器時(shí)，將會(huì)遇到三大難題：

● 填充視場(chǎng)
● 克服物體透明度問(wèn)題
● 實(shí)現(xiàn)正確的發(fā)射率調(diào)整

視場(chǎng) 物體的熱輻射“體現(xiàn)”出了其表面的溫度，這一點(diǎn)與無(wú)線電信標(biāo)非常相似。不同之處在于在IRT測(cè)量中，熱輻射來(lái)自于物體表面上的一個(gè)已知大小的斑點(diǎn)。您需要捕獲所有輻射，而不能讓任何輻射在沿途上被阻隔。

在一段特定距離上的斑點(diǎn)直徑（也就是一段給定距離上的“視錐”的橫截面面積）由器件的光學(xué)特性來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，距傳感器越遠(yuǎn)，斑點(diǎn)的直徑就越大。斑點(diǎn)尺寸常常用一個(gè)比值來(lái)表示，比如50:1或10:1。這意味著最小的目標(biāo)斑點(diǎn)直徑為傳感器至感興趣物體間距離的1/50或1/10（圖2）。

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圖2、在一段給定距離上的斑點(diǎn)直徑由傳感器的光學(xué)特性來(lái)決定，并被定義為一個(gè)比值；
通常，目標(biāo)距傳感器越遠(yuǎn)，斑點(diǎn)就越大。

如果物體具有一個(gè)圓形橫截面（圖3），而且唯一的視野沿著直徑，則需確定所測(cè)量的嚴(yán)重彎曲的表面的大小是被觀察物體的一小部分。換句話說(shuō)就是斑點(diǎn)直徑應(yīng)為曲面有效直徑的25%或更小。

 
圖3、當(dāng)不得不在曲面上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，
應(yīng)確定斑點(diǎn)直徑不大于曲面有效直徑的25%。

還要保證視錐角內(nèi)無(wú)障礙，否則檢測(cè)器將無(wú)法接收到進(jìn)行有效測(cè)量所需的全部輻射。如果位置斑點(diǎn)大于物體，或者視錐角被部分阻斷，則測(cè)得的溫度將低于真實(shí)溫度。

如果不能確實(shí)地填充斑點(diǎn)直徑或保持視錐的暢通，則不妨考慮采用雙色或比例式IRT。這樣做可能會(huì)使準(zhǔn)確度稍有損失，還可能影響響應(yīng)速度，費(fèi)用支出也將會(huì)小幅增加，但是，這些器件是專用于視距路徑被部分阻塞、視錐發(fā)生改變，或者有物體移入和移出視野的場(chǎng)合中的。它們對(duì)于發(fā)射率比值的變化非常敏感，不過(guò)這不在本文的討論范圍之內(nèi)。

透明度問(wèn)題 大多數(shù)（但不是全部）有機(jī)材料和建筑材料（比如磚塊、木材、金屬、瀝青、巖石和礦石等）都是不透明的。但是，許多塑料在IR光譜中是半透明的，因此需要采用特殊的波段，以使相其對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)是基本不透明。Ircon公司提供了一些有關(guān)塑料和玻璃測(cè)量的非常有益的應(yīng)用指南，可登錄Ircon公司 網(wǎng)址瀏覽。

其他會(huì)帶來(lái)透明度問(wèn)題的物質(zhì)包括半導(dǎo)體材料（硅、砷化鎵）、某些涂料、一些光學(xué)材料（如氯化銀、藍(lán)寶石、石英、氯化鈉、鍺）以及許多特殊的晶體產(chǎn)品。

發(fā)射率校正 如果有人試圖告訴您這是一個(gè)微不足道的問(wèn)題，請(qǐng)千萬(wàn)不要信以為真。雖然這并非小事一樁，但一旦將它分解成三種您有可能遇到的情形，那么處理起來(lái)就變得相當(dāng)容易了：

● 感興趣的物體處于或非常接近周圍環(huán)境溫度。
● 物體的溫度高于環(huán)境溫度。
● 物體的溫度低于環(huán)境溫度。

物體的光學(xué)性質(zhì)（發(fā)射率為其中之一）在這里開(kāi)始起作用。如果目標(biāo)是半透明的，那么您將有可能需要幫助；如果它是不透明的，則或許您可以自行處理發(fā)射率的校正工作。我們來(lái)看一下各種場(chǎng)合的具體實(shí)例。

場(chǎng)合一 如果物體的溫度與其環(huán)境溫度大致相同，而且其表面不是鏡面的，則其表面反射率將對(duì)發(fā)射率起到補(bǔ)償作用，而且無(wú)需進(jìn)行發(fā)射率校正。實(shí)施發(fā)射率校正將得到一個(gè)高于真實(shí)溫度的溫度讀數(shù)。

場(chǎng)合二 如果物體的溫度高于其環(huán)境溫度，則需要進(jìn)行發(fā)射率校正以獲得準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。發(fā)射率會(huì)是一種難以捉摸且變化不定的光學(xué)性質(zhì)，但它通常只在表面上的某種東西有所改變時(shí)才會(huì)發(fā)生變化，比如出現(xiàn)焦化、氧化，或者熔化。

如果把發(fā)射率控制在1.00，則可在該場(chǎng)合中獲得“輻射亮度溫度”。盡管該數(shù)值將低于真實(shí)溫度，但在物體的發(fā)射率（雖然是未知的）未發(fā)生非常大的變化的情況下，它是可重復(fù)的。那么，多大才是“非常大”呢？這個(gè)問(wèn)題提得很好，由于篇幅所限，這里無(wú)法回答，不過(guò)，如果物體在視覺(jué)上沒(méi)有變化，則光譜發(fā)射率未發(fā)生改變的可能性相當(dāng)大。不能保證，只是存在可能性。

場(chǎng)合三 這是一種難對(duì)付的情形。當(dāng)目標(biāo)的溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，最簡(jiǎn)單易行的解決方案就是變更測(cè)量的位置。例如，如果目標(biāo)的溫度低于它正在進(jìn)入的烤箱或熔爐的溫度，不要試圖在入口處或內(nèi)部（當(dāng)它正在加熱時(shí)）測(cè)量其溫度。應(yīng)將溫度測(cè)量的位置移至出口處，在物體完成了其加熱程序并離開(kāi)烤箱時(shí)（此刻其溫度有可能高于其環(huán)境溫度）進(jìn)行測(cè)量。

該場(chǎng)合具有一種“隱性”形式，就是當(dāng)物體受到陽(yáng)光照射、或者具有很高的溫度（它仍有可能低于環(huán)境溫度）或亮度水平的時(shí)候?？梢酝ㄟ^(guò)在表面上投射臨時(shí)性的陰影、并把IRT對(duì)準(zhǔn)該陰影的方法來(lái)對(duì)這些條件進(jìn)行測(cè)試。

在諸如金屬、玻璃、塑料等溫度較低的網(wǎng)狀產(chǎn)品進(jìn)入烘箱或熔爐的加工生產(chǎn)線上，應(yīng)當(dāng)嘗試把IRT對(duì)準(zhǔn)在產(chǎn)品與其所經(jīng)過(guò)的輥?zhàn)又g形成的“楔形物”（圖4），特別是在其改變方向的情況下（即具有一個(gè)25%或更大的包角）。這可能是一種“實(shí)際場(chǎng)合”，因?yàn)檩佔(zhàn)拥谋砻嫱ǔ＞哂蟹瓷湫?，并生成物體的鏡像。實(shí)際上，它被某些與其自身溫度相近的物體所包圍。

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圖4、針對(duì)因目標(biāo)的溫度低于環(huán)境溫度而引起的發(fā)射率問(wèn)題（如對(duì)于網(wǎng)狀產(chǎn)品），
一種解決方案是把IRT對(duì)準(zhǔn)由輥?zhàn)雍彤a(chǎn)品所形成的“楔形物”。

給讀者的建議

市面上有許多性能出色的非接觸式溫度傳感器，生產(chǎn)廠商均極力勸說(shuō)您購(gòu)買其產(chǎn)品。必需牢記不要以為只要溫度傳感器接通，就可以指望它們執(zhí)行您所分配的工作。必須為它們提供最佳的工作環(huán)境，或者對(duì)那些并非最佳的工作環(huán)境進(jìn)行校正。