图1-1  红外点温仪的基本组成
    红外点温仪只能测量设备表面上某点周围小面积的平均温度。从广义上讲，凡是以辐射定律为依据，利用物体发射的红外辐射能量为信息载体测量温度的仪器统称为红外测温仪。但考虑到人们的习惯用法，一般只把这种不能成像的红外测温仪器才称作红外测温仪，即红外点温仪。红外点温仪的种类、用途较多，结构、原理也存在差别，但基本的原理、结构大致相同。

    1．红外点温仪的基本原理

    红外点温仪是依据被测目标的红外辐射能量与其温度具有固定函数关系而制成的。首先，必须把被测目标发射的红外辐射能量搜集起来，再送到红外探测器上进行辐射能到电能的转换；然后，将转换得到的电信号经放大、处理；最后将结果显示并输出。

    红外点温仪的基本原理框图如图1-1所示。

    2．红外点温仪的基本构成

    从上述红外点温仪的基本原理框图可以看出，红外点温仪的基本构成包括四大部分，即红外光学系统、红外探测器、信号放大与处理系统和结果显示与输出系统，此外还有其他附属部分，如电源和瞄准器等。

    (1)红外光学系统

    红外点温仪的光学系统就是红外辐射的接收系统，它是红外探测器的窗口。光学系统的主要功能是收集被测目标发射的红外辐射能量，进而把它们汇聚到红外探测器的光敏面上。为了尽可能多地接收目标的红外辐射量，要求光学系统有较大的相对光学孔径。

    光学系统决定了红外点温仪的视场大小。红外点温仪的视场与它的另一个重要性能参数—距离系数直接相关，距离系数L/d与视场角成反比关系。因此光学系统的性能也决定了红外点温仪的距离系数。

    一些红外点温仪的光学系统还具有限定接收目标辐射光谱范围的功能，这是通过滤光片实现的。滤光片可以改变人射的红外辐射通量及光谱成分，以消除或减少散射辐射或背景辐射的影响，并分出具有特定波长范围的红外辐射。红外滤光片可分为截止滤光片和带通滤光片，带通滤光片又分为宽带滤光片和窄带滤光片等。

    根据光学系统的场镜设计原理可分成“反射式”、“折射式”和“干涉式”三种。

    根据工作方式的不同，红外点温仪的光学系统还可分为“固定焦点式”和“调焦式”。

    (2)红外探测器

    红外探测器是红外点温仪的核心部分，它的功能是将被测目标的红外辐射能量转变为电信号。红外探测器对红外点温仪的性能起着关键的作用。热电堆式探测器的工作波长为2~25μm，测温范围大于-50℃，响应时间约为0.1s，稳定性比较高；若采用热释电红外探测器做接收器件，由于它的灵敏度高，对光学系统的通光孔径要求可相对降低。

    (3)信号处理系统

    对于不同类型、不同测温范围、不同用途的红外点温仪，由于红外探测器种类的不同、设计原理的不同，其信号处理系统也就不同，但信号处理系统要完成的主要功能是相同的，即放大、抑制噪声、线性化处理、发射率修正、环境温度补偿、A/D和D/A转换以及根要求输出信号等。

  (4)显示系统

    红外点温仪的显示系统用于显示被测目标温度值，初期多为表头显示，目前显示器件多采用发光二极管、数码管和液晶等数字显示。数字显示不仅直观，而且精度高。为了便于记录和储存，不少红外点温仪还配备了记录装置或输出打印设备。

    (5)附件

    红外点温仪的附属部分除电源外，瞄准装置也是一个比较重要的附件。当被测目标距离较远时，为便于把点温仪对准被测部位，需要配备瞄准装置，常用的瞄准装置有目镜、可见光瞄准器和激光瞄准器。

    3．红外点温仪的分类

    红外点温仪按其测温范围可分为：

 
 红外点温仪按其结构形式可分为：

 
    红外点温仪都是以黑体辐射定律为理论依据，通过对被测目标红外辐射能量进行测量，经黑体标定，从而确定被测目标的温度。红外点温仪按其所选择使用的接收波长可以分为以下三类。

    (1)全辐射测温仪

    将目标辐射的波长从零到无穷大的全部辐射能量进行接收测量，由黑体校定出目标温度，其特点是结构简单、使用方便，但灵敏度较低，误差较大。

    (2)单色测温仪

    选择单一辐射光谱波段接收能量进行测量，靠单色滤光片选择接收特定波长的目标辐射，以此来确定目标温度，特点是结构简单、使用方便、灵敏度高，并能抑制某些干扰。在高温或低温范围内使用效果都比较好。

    以上两类测温仪，由于各种目标的比辐射率不同，因而存在比辐射率带来的误差。

    (3)比色测温仪

    它是靠两组（或更多）不同的单色滤光片收集两相近辐射段的辐射能量，在电路上进行比较，由此比值确定目标温度，因此可以基本上消除比辐射率带来的误差。其特点是结构较为复杂，但灵敏度较高，在中高温测温范围内使用较好，另外它受测试距离和其间吸收物的影响较小。

    4．红外点温仪的技术指标

    红外点温仪的技术指标主要包括测温范围、距离系数、瞄准方式、测温精度、响应时间、工作波长、环境温度、测温重复性（即测温的稳定性）等。

    (1)测温范围

    测温范围是点温仪能够测量的温度下限到温度上限的区间。

    (2)距离系数、检测角与光路图

    距离系数、检测角（又称视场角）和光路图是红外点温汇聚能量的“光路”通道的三种不同表达方式。距离系数是指被测目标的距离L与光学目标的直径d之比，即

                                   (1-1)

 
                                        图1-2 红外点温仪距离系数示意图

    如图1-2所示，距离系数越大，表示在相同测距的情况下被测目标的尺寸可以更小；或者说在检测相同大小的目标时，测量距离可以更远。

    检测角是以角度大小反映测量距离与光学目标直径的关系的。

    红外点温仪的距离系数与其检测角δ(rad)近似成反比关系，即

                                       (1-2)

或表示为   

                                                (1-3)   

    如图1-3所示，光路图是以图形方式表示测距与该位置对应的光学目标直径的关系，即点温仪的视场图。

    通过光路图可以很直观地理解：

    ①要使点温仪正确反映被测目标的真实温度，被测目标直径一定要大于（至少等于）相对于该测距时的光学目标直径；

    ②如果被测目标不能充满视场，则仪表接收到的能量不仅仅是被测目标表面发射的能量，还有一部分来自背景的能量。

    (3)瞄准方式

    红外点温仪瞄准方式一般分为两种，即可见光的光学聚焦瞄准和激光瞄准定位。

    可视的光学瞄准是按望远镜的光学原理寻找被测目标的，测温时只需将仪器目镜的中心线“十”对准被测目标的中心位置即可。

    激光定位瞄准的工作原理是：以半导体发射的激光束红点代表仪器光学目标的中心，测温时把激光红点瞄准到被测目标上即可。

 
                                              图1-3  红外点温仪的光路图

    (4)测温精度

    红外点温仪的测温精度定义为对温度标准值的不确定度或允许误差，其表示方式可以分为三种，即绝对误差、相对误差和引用误差。

    绝对误差是指实测值与真实值或标准值的偏差。例如，绝对误差士3℃，表示测温仪在其测量范围内任何测量值中所含的误差绝对值都小于或等于3℃。

    用相对误差表示时，如测温精度为测量值的2%，就是表示当测量值为100℃时，其误差不超过2℃;当测量值是300℃时，其误差不超过6℃。

    用引用误差表示测温精度时，如测温精度为士1℃时，仪器测量满量程为300℃，则表示在任何测量值时的误差都不超过3℃。

    对数字显示的测温仪，其误差除上述误差之外，还要再增加数字的量化误差，即士1或正负几个字。

    (5)响应时间

    响应时间即被测温度从室温突变为测温范围的上限温度时，测温仪的输出显示值达到稳定值的某一百分数时所需要经历的时间。

    (6)工作波段

    工作波段是根据测温范围所选择的红外辐射率。选择正确的波段至关重要，被测目标在工作波段区域中一定要有较高的辐射率，而反射率和透射率要低。

    (7)稳定性（又称复现性）

    稳定性是指在一定时间间隔内测温示值的最大可能变化值。它是表示红外点温仪测温示值可靠程度的性能指标。

    稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。短期稳定性的时间间隔一般规定为24h或一个月等；长期稳定性的时间间隔通常规定为半年或一年等。

    5.红外点温仪使用注意事项

    为了得到可靠的测温结果，就必须做到正确地使用红外点温仪。

    (1)对于便携式的红外点温仪，在使用时必须处于“热稳定状态”，即要求当仪器从包装箱中取出时，或使用场所环境变化时，应先将仪器在现场环境下放置一定时间，以消除仪器本体与环境温度产生热交换而使机体内温度不稳定而造成的测量误差。一般塑壳仪器约需30min左右，金属壳仪器约需l0min左右。

    (2)用于在线监测固定安装的红外点温仪，要防尘、防潮、防震、防过热。

    (3)防止环境介质的影响。由于红外点温仪是进行非接触测温的，在仪器与被测目标之间，即红外辐射的传输路途中（尤其在工业现场），往往可能存在水蒸气、SO2、CO、CO2等各种气体和烟尘的选择性吸收和散射，将使目标辐射衰减或引入外来辐射，造成测温误差。

    (4)注意消除环境辐射的影响。当被测物体周围有其他高温物体、光源和太阳的辐射时，会造成测温误差。

    (5)正确进行发射率的修正。根据被测目标的具体情况，选取合适的发射率是极其重要的。已有的经验和资料中选出与被测目标材料、表面状况和温度范围相应的发射率值，以此来进行发射率的调节修正，也可以自行测定目标实际的发射率值。