摘要：本文在阐述红外测温基本原理的基础上，着重分析了红外测温技术中的几个关键点，并展望了红外测温技术在空调行业中的应用前景。
关键词：红外测温；辐射系数；背景噪声
中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)24-1336-02
The Research of Infrared Temperature Measurement andApplication in Air Conditioner
YANG Fan
(Department of Applied Foreign Languages,Guangdong Women"s Polytechnic College,Guangzhou 511450,China)
Abstract：This paper refer to some princple of infrare temperature measurement technologyand also present prospect of application in air conditioner.
Key words: infrare temperature measurement; radiation coefficient; background noise
1 引言
红外测温技术在环境温度检测，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重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。
2 红外测温原理
红外线是介于可见光红端与微波之间的电磁辐射。在这个波长带内, 又进一步分为近红外(波长0.76～3μm)、中红外(波长3～6μm)、远红外(波长6～15μm) 和极远红外(波长15～1000μm) 四个波段，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。而红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小[1]。
在自然界中，任何温度高于绝对零度(0°K或-273℃)的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大，其中就包括波段位于0.76～1000μm的红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。
红外测温系统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,在显示终端显示被测物体的温度。系统由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成,其核心是红外探测器,将入射辐射能转换成可测量的电信号。
对单色红外测温是针对不同测温范围选择典型的波长区段,其温度是由该波长区段内的辐射能量确定的。黑体在波长λ1至λ2区段所发出的辐射能为
实际物体在波长λ1至λ2区段所发出的辐射能为
对于双色红外测温来说,是针对不同测温范围选择两个典型的波长区段,其温度是由两个独立波长带内的辐射能量的比值确定的。由式(2)可知,双色红外辐射测温的数学描述为
3 红外测温技术的几个关键点
红外线自目标发射或反射出来，总是要在大气中传播一段距离才能到达观测仪器，除几何发散外，红外线在大气中传播会有很大衰减,主要因素是大气中各种气体对红外线的吸收。组成大气的主要气体是氮气、氧气、氩气，它们占99%以上。有幸的是，它们不吸收15μm以下的红外线,否测红外技术就无法使用。能引起红外吸收的气体是水汽、二氧化碳、臭氧(O3)，它们在不同波段针对红外线形成吸收带，再加上甲烷,一氧化碳等吸收作用,造成了红外辐射的衰减。通过1μm到15μm的红外线通过一海里长度的大气透射比试验,证明只有处于红外吸收带之间的红外辐射能够透过大气向远处传输,其中有三个透过大气的红外波段，1～2.5μm,3～5μm,8～13μm，这三个波段被称作“大气窗口”，红外测温系统常常在这三个窗口内工作。从原理上计，这两个窗口都敏感，但大多数设计者都选择了短波段,原因是该波段范围中，能在较宽的范围内提供最佳功能,达到良好的测温要求；而长波窗口则更多地用于低温及远距离的检查。
因此，实际测温过程中的影响因素主要有发射率、背景噪声、光路上的吸收与散射、红外热像仪的稳定性上述因素的影响程度随测量条件的不同而变化, 为了保证测量的可靠性，尽可能准确地进行校准，也就是说，要想得到精确的温度值，在实际测量时必须准确地设定各参数值[2]。
3.1 辐射系数
不同的物体辐射能力不同，理想黑体具有最大的辐射能力，而其它物体辐射能力的衡量引入了一个参量，即光谱发射率ε，又称辐射系数。ε系指在相同温度及条件下，实际辐射体与黑体的辐射度之比值。
发射率表明了辐射和吸收的能力，它是材料的固有性质。测温时选用ε值的大小直接影响测温结果。然而，它随表面条件、形状、波长和温度等因素的影响而变化，为了测量真实温度，需要精确的设定发射率值。ε的取值不同，对测温的精度影响十分巨大。
3.2 背景噪声
利用红外线辐射测温，由于信号非常小，低于常温的测量将受背景噪声的影响，在室外，阳光的直接辐射，折射和空间散射线是主要的背景噪声。室内测量时，来自待测物体周围的反射光有时极大地影响测量结果，因此在测温时必须考虑上述影响因素，采取的基本对策如下：
1) 准确对焦距，避免非待测物体的辐射能进入测试角；2) 在待测物体附近设置屏避物，以排除外界干扰；3) 室外测量时，选择有云天气或晚上以排除日光的影响；4) 物体发射率低，光反射的影响越大，因而应采用发射率高的涂料或制小孔等方法来提高发射率。
3.3 光路上的吸收
空气中某些物质，如H2O、CO2、O3、CO、N2O、CH2等均吸收红外线。根据实际的工作环境及传感器自身的适应性，在实际使用中需综合考虑测试环境。例如一些传感器，测温精度跟空气中的湿度有关，在使用时应多考虑湿度方面的影响。
除此以外，在实际检测时，风力状况也影响到测温的精度。瑞典国家电力局早已为此经过了多次实验并定义了下面的公式作为风力影响的修正:
T2-------在风速F2下的过热测度
该公式适用于室外的强制对流（风正面吹向物体）条件。例如：风速F1＝4m/s时测得过热温度为T1＝10℃，那么在风速F2＝1m/s的条件下，过热温度T2可得为：
上述因素的影响程度随测量条件的不同而变化,为了保证测量的可靠性,必须尽可能准确地进行校准。
4 红外测温技术在空调产品中应用
温度检测是空调产品中非常重要的功能，传统的方法是利用感温包来测温，并且感温包的位置固定在内机的进风口，这种测温方式不能准确的测出整个室内的环境温度。
在空调产品中引入红外测温技术，不仅能监测到整个室内环境温度，还可在结合热成像和图象处理技术的基础上，智能识别区域内人的存在及位置，从而调整送风的方向，并且根据测得的人体表面的温度来自动调节空调送风的温度，可达到空调的最佳使用效果。而且在空调使用的同时可监测空调所在室内的温度，如果出现温度异常状况可发出警报，并切断空调的电源。
5 结语
红外测温技术是一种非常有效和快速的测温手段，但是要准确的测量温度，须考虑各种环境因数的影响。
红外测温相比传统的测温方式有着明显的优势，在空调行业中具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 刘福杰,王浩静,范立东.红外测温仪原理及其在应用中注意的问题[J].现代仪器,2007,第四期.
[2] 李云红,孙晓刚,杨幸芳,许冰海.红外热像仪精确测温技术[J].西安工程科技学院学报. Vol . 21 ,No. 5,2007.10.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
