非接触式温度传感器基础知识

2010-11-22 08:57:20来源: 佳工机电网
    您是否确信某种接触式传感器无法满足您的应用要求?即使不是,那么还是请您远离非接触式器件,因为它们会带来一些特殊的难题。而且,不要完全出于初始采购和安装成本的考虑而偏向其中的一种方案。您必需把维护成本因素也考虑进去,尤其是当传感器在恶劣环境中工作或故障停工时将引发灾难性后果。

    市面上的非接触式温度传感器形状各异(图1),每种构造的传感器都具有与众不同的独特规格表。虽然这些器件名称各异,但是从技术层面而言,它们都是热红外辐射温度计。在本文中,我们将它们称作“IRT”。它们可以是便携式或固定安装式、高端或低端、昂贵或便宜。

newmaker.com
(1) Marathon MM,Raytek公司产品, 网址:www.infrared-usa.com;

newmaker.com
(2) Modline 5,Ircon公司产品,网址:www.ircon.com;

newmaker.com
(3) Cyclops 100,Land Instruments International公司产品, 网址: www.landinstruments.net;

newmaker.com
(4) M770,Mikron公司产品,网址:www.mikroninfrared.com。
图1、四款IR温度传感器

    最后,所有IRT的工作原理都依据普朗克热辐射定律。它们所测量的大部分辐射位于电磁频谱的IR部分。

您需要做些什么?

在选择和使用非接触式温度传感器时,将会遇到三大难题:

● 填充视场
● 克服物体透明度问题
● 实现正确的发射率调整

    视场 物体的热辐射“体现”出了其表面的温度,这一点与无线电信标非常相似。不同之处在于在IRT测量中,热辐射来自于物体表面上的一个已知大小的斑点。您需要捕获所有辐射,而不能让任何辐射在沿途上被阻隔。

    在一段特定距离上的斑点直径(也就是一段给定距离上的“视锥”的横截面面积)由器件的光学特性来决定。一般来说,距传感器越远,斑点的直径就越大。斑点尺寸常常用一个比值来表示,比如50:1或10:1。这意味着最小的目标斑点直径为传感器至感兴趣物体间距离的1/50或1/10(图2)。

newmaker.com
图2、在一段给定距离上的斑点直径由传感器的光学特性来决定,并被定义为一个比值;
通常,目标距传感器越远,斑点就越大。

    如果物体具有一个圆形横截面(图3),而且唯一的视野沿着直径,则需确定所测量的严重弯曲的表面的大小是被观察物体的一小部分。换句话说就是斑点直径应为曲面有效直径的25%或更小。

newmaker.com
图3、当不得不在曲面上进行测量时,
应确定斑点直径不大于曲面有效直径的25%。

    还要保证视锥角内无障碍,否则检测器将无法接收到进行有效测量所需的全部辐射。如果位置斑点大于物体,或者视锥角被部分阻断,则测得的温度将低于真实温度。

    如果不能确实地填充斑点直径或保持视锥的畅通,则不妨考虑采用双色或比例式IRT。这样做可能会使准确度稍有损失,还可能影响响应速度,费用支出也将会小幅增加,但是,这些器件是专用于视距路径被部分阻塞、视锥发生改变,或者有物体移入和移出视野的场合中的。它们对于发射率比值的变化非常敏感,不过这不在本文的讨论范围之内。

    透明度问题 大多数(但不是全部)有机材料和建筑材料(比如砖块、木材、金属、沥青、岩石和矿石等)都是不透明的。但是,许多塑料在IR光谱中是半透明的,因此需要采用特殊的波段,以使相其对于传感器来说是基本不透明。

    其他会带来透明度问题的物质包括半导体材料(硅、砷化镓)、某些涂料、一些光学材料(如氯化银、蓝宝石、石英、氯化钠、锗)以及许多特殊的晶体产品。

    发射率校正 如果有人试图告诉您这是一个微不足道的问题,请千万不要信以为真。虽然这并非小事一桩,但一旦将它分解成三种您有可能遇到的情形,那么处理起来就变得相当容易了:

● 感兴趣的物体处于或非常接近周围环境温度。
● 物体的温度高于环境温度。
● 物体的温度低于环境温度。

    物体的光学性质(发射率为其中之一)在这里开始起作用。如果目标是半透明的,那么您将有可能需要帮助;如果它是不透明的,则或许您可以自行处理发射率的校正工作。我们来看一下各种场合的具体实例。

    场合一 如果物体的温度与其环境温度大致相同,而且其表面不是镜面的,则其表面反射率将对发射率起到补偿作用,而且无需进行发射率校正。实施发射率校正将得到一个高于真实温度的温度读数。

    场合二 如果物体的温度高于其环境温度,则需要进行发射率校正以获得准确的温度读数。发射率会是一种难以捉摸且变化不定的光学性质,但它通常只在表面上的某种东西有所改变时才会发生变化,比如出现焦化、氧化,或者熔化。

    如果把发射率控制在1.00,则可在该场合中获得“辐射亮度温度”。尽管该数值将低于真实温度,但在物体的发射率(虽然是未知的)未发生非常大的变化的情况下,它是可重复的。那么,多大才是“非常大”呢?这个问题提得很好,由于篇幅所限,这里无法回答,不过,如果物体在视觉上没有变化,则光谱发射率未发生改变的可能性相当大。不能保证,只是存在可能性。

    场合三 这是一种难对付的情形。当目标的温度低于环境温度时,最简单易行的解决方案就是变更测量的位置。例如,如果目标的温度低于它正在进入的烤箱或熔炉的温度,不要试图在入口处或内部(当它正在加热时)测量其温度。应将温度测量的位置移至出口处,在物体完成了其加热程序并离开烤箱时(此刻其温度有可能高于其环境温度)进行测量。

    该场合具有一种“隐性”形式,就是当物体受到阳光照射、或者具有很高的温度(它仍有可能低于环境温度)或亮度水平的时候。可以通过在表面上投射临时性的阴影、并把IRT对准该阴影的方法来对这些条件进行测试。

    在诸如金属、玻璃、塑料等温度较低的网状产品进入烘箱或熔炉的加工生产线上,应当尝试把IRT对准在产品与其所经过的辊子之间形成的“楔形物”(图4),特别是在其改变方向的情况下(即具有一个25%或更大的包角)。这可能是一种“实际场合”,因为辊子的表面通常具有反射性,并生成物体的镜像。实际上,它被某些与其自身温度相近的物体所包围。

newmaker.com
图4、针对因目标的温度低于环境温度而引起的发射率问题(如对于网状产品),
一种解决方案是把IRT对准由辊子和产品所形成的“楔形物”。

关键字:温度传感器

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2010/1122/article_517.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
温度传感器

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved