固定式红外测温仪的工作原理

固定式红外测温仪是一种无需与被测物体直接接触，即可实现非接触式温度测量的设备，广泛应用于工业生产、电力监测、医疗防疫、食品加工等领域。其核心原理基于黑体辐射定律，通过捕捉物体发出的红外辐射能量，经光学系统、探测器及信号处理单元的转化，最终输出物体的温度值。

 

一、核心理论基础：黑体辐射与红外辐射特性

 

任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，其内部的分子、原子都会持续做无规则热运动，这种运动必然向外辐射电磁波，即热辐射。热辐射的波长范围覆盖紫外线、可见光、红外线及微波，其中波长在0.76μm~1000μm之间的电磁波被称为红外线，是物体热辐射的主要组成部分。

 

19世纪末，物理学家普朗克、斯蒂芬-玻尔兹曼等人通过研究“黑体”（一种能完全吸收所有入射辐射、且能完美辐射能量的理想物体）的辐射规律，建立了红外测温的理论基石，核心定律包括：

 

斯蒂芬-玻尔兹曼定律：物体单位面积辐射的总能量（辐射出射度）与物体绝对温度的四次方成正比（公式：\(M=εσT^4\)），其中\(ε\)为物体的“发射率”（实际物体与黑体的辐射能力比值，取值0~1），\(σ\)为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。这一定律表明：物体温度越高，辐射的总能量越强，为红外测温提供了“能量-温度”转化的定量依据。

 

维恩位移定律：物体热辐射的峰值波长与绝对温度成反比（公式：\(λ_=b/T\)，b为维恩常数）。例如，人体（约37℃）的峰值辐射波长约9.7μm，工业高温炉（约1000℃）的峰值波长约2.9μm，这决定了不同测温场景需匹配特定波长范围的红外探测器。

 

二、核心结构与工作流程

 

固定式红外测温仪的工作过程是“红外辐射捕捉-能量转化-信号处理-温度输出”的连续过程，主要由光学系统、红外探测器、信号处理单元、显示/输出模块四部分组成，各环节协同实现温度测量。

 

1.光学系统：聚焦红外辐射

 

光学系统是测温仪的“眼睛”，主要由透镜、反射镜、滤光片等元件组成，核心功能是收集并聚焦被测物体发出的红外辐射。

 

透镜/反射镜：采用锗（Ge）、硅（Si）或硫化锌（ZnS）等对红外线透明的材料制成，将被测区域的红外辐射汇聚成一束平行光或聚焦到红外探测器的敏感面上，确保探测器能高效接收能量。

 

滤光片：起到“波长选择”作用，只允许特定波长范围的红外线通过（如测量低温物体选8~14μm，高温物体选1~5μm），过滤掉可见光、紫外线及环境杂散辐射，减少测量干扰。

 

2.红外探测器：将辐射能量转化为电信号

 

红外探测器是测温仪的“核心传感器”，其作用是将光学系统聚焦后的红外辐射能量转化为可测量的电信号（电压或电流）。根据工作原理，探测器可分为“热型”和“光子型”两类：

 

热型探测器（如热电偶、热释电探测器）：利用红外辐射的热效应——辐射能量被探测器吸收后转化为热量，导致探测器材料的温度、电阻或极化状态发生变化，进而产生电信号。这类探测器响应范围宽、成本低，但响应速度较慢，适用于中低温（-50℃~1000℃）、对测量速度要求不高的场景。

 

光子型探测器（如红外光电二极管、红外电荷耦合器件CCD）：利用“光电效应”——红外光子被探测器材料的原子吸收后，激发电子跃迁形成光电流。其响应速度快、灵敏度高，但需在低温下工作（通常需制冷），成本较高，适用于高温（1000℃以上）、高速动态测量场景（如钢铁连铸测温）。

 

3.信号处理单元：校准与温度计算探测器输出的电信号通常微弱且受环境干扰（如环境温度、杂散辐射）影响，需通过信号处理单元进行放大、滤波、校准后，才能转化为准确的温度值。这一环节的核心是发射率补偿和环境温度修正：发射率补偿：实际物体并非黑体，其辐射能量比黑体弱（\(ε<1\)）。若直接按黑体辐射公式计算，会导致测量值偏低。因此，信号处理单元需根据用户设定的被测物体发射率（如金属约0.1~0.3，非金属约0.8~1.0），对能量信号进行修正，确保计算结果准确。环境温度修正：测温仪自身的光学系统、探测器会受环境温度影响产生“背景辐射”，信号处理单元通过内置的温度传感器采集环境温度，扣除背景辐射干扰，进一步提升测量精度。

 

4.显示/输出模块：结果呈现与数据传输经过处理的温度信号最终通过显示模块（如LCD、LED）实时显示，同时可通过模拟量（4~20mA、0~10V）、数字量（RS485、以太网）接口传输至PLC、DCS等控制系统，实现温度的实时监控、记录与报警，这也是“固定式”设备适配工业自动化场景的核心优势。