测温仪选型指南
红外测温仪与测温仪选型手册
测温仪的用途是什么？
测温仪在多个工业领域中都是至关重要的仪器。它们能够提供精确的非接触式温度读数，应用范围极广——从冷链监测到玻璃与金属生产中的高温工艺管理，在这些领域中均发挥着核心作用。通过提供可靠的温度数据，这些设备有助于识别热异常，从而提升生产效率、增强安全性并优化成本管理。
在工业过程监控领域，测温仪用于追踪金属、玻璃及塑料产品在制造过程中的温度。在冶金行业，短波测温仪在熔融金属处理、锻造、淬火、退火及轧制等工艺中发挥着至关重要的作用。测温仪采集的数据直接输入闭环控制系统，用以优化加热与冷却循环、精炼工艺模型，并最终提高产量、成品率及盈利能力。
在感应加热应用中，测温仪实现了无需物理接触的连续监测，这意味着它们不会受到强电磁场的干扰。此外，一旦实测温度偏离预设范围，测温仪即可触发警报，从而确保过程控制的一致性。
在半导体领域，几乎每个生产阶段都需要精确且稳定的温度监测——从化学气相沉积 (CVD) 和原子层沉积 (ALD)，到多晶硅与晶体生长，直至最后的晶圆抛光。
此外，测温仪还被应用于机械及电气系统的检测，用于发现摩擦、过热、对中不良或轴承磨损的早期征兆。及早发现这些问题能够实现预防性维护，从而延长设备的使用寿命，并避免昂贵的损坏或意外停机造成损失。
红外测温仪的工作原理是什么？
与传统的接触式温度计不同，测温仪无需接触物体即可远距离测量温度。从本质上讲，测温仪的核心任务是利用物体发射的红外辐射，在无物理接触的情况下测定其温度。任何温度高于绝对零度（-273.15 °C）的物体都会产生这种红外辐射，且其存在于可见光光谱之外。当这种辐射在大气中传播时，其路径会受到波长的显著影响。大气层中既有强烈吸收辐射的区域，也有允许辐射轻松通过的特定区间，即所谓的“大气窗口”。在非接触式测温中，红外辐射的波长范围通常在 0.5至14 μm 之间，涵盖了被划分为短波、中波和长波红外的多种电磁
理想的黑体辐射体是红外能量的终极发射源，它们在所有波长上进行辐射，且不存在任何反射或透射。然而在现实中，极少有物体能达到这一理想标准，即便在相同温度下，实际物体的辐射量通常也较低。红外传感器在设计上旨在捕捉物体表面发射的辐射，同时也包含来自环境的反射辐射，甚至可能包含透射的红外辐射。
材料的发射率是指其相对于理想黑体辐射热量的能力，其数值范围在 0 到 1 之间。这一特性受多种因素影响，包括材料类型、表面纹理、温度、波长以及测量角度。发射率对于获取准确的温度读数至关重要，因此必须根据具体应用场景对其进行调整，并仔细权衡所使用的测量设备。
在红外辐射领域，斯特藩-玻尔兹曼定律 (Stefan–Boltzmann law) 起着至关重要的作用，它将物体发出的辐射强度与其温度及发射率联系起来。用于此类测量的测温仪具有不同的光谱范围，通常可分为单色测温仪或双色测温仪（比色测温仪）。
图 3：根据普朗克定律，黑体发出的红外辐射光谱分布随温度升高呈指数级增长；而根据维恩位移定律，黑体辐射的峰值波长会随温度升高向短波方向偏移。图中彩色条带表示人类的可见光波段。
所有测温仪均由三个主要部分组成：光学系统、探测器及电子组件。当需要测量物体表面温度时，光学系统会捕捉物体发射的能量，并将其聚焦到对红外光极度敏感的探测器上。根据特定的红外波长需求，传感器探测器可采用多种技术，例如热电堆（Thermopiles）或红外光电探测器（Infrared Photodetectors）。探测器产生的电信号受多种因素影响，包括被测物体的温度、环境温度以及探测器自身的灵敏度。随后，这一微弱的电信号经由测温仪的电子电路进行放大并转换为数字格式。通过校准数据的实时调整，系统将数字化数据转化为最终的温度读数。根据仪器所配备的接口类型，读数还可能经过进一步信号处理，以实现模拟或数字信号输出。
红外测温仪具备多种光谱范围、测量量程、响应速度、灵敏度及分辨率，能够满足不同的预算需求。同时，市面上还提供各种性能等级的选择，以帮助您针对具体需求挑选最合适的型号。接下来的讨论将协助您识别并选出最适合您应用场景的测温仪。
图 4：测温仪原理方框图。目标物体发射红外辐射，通过光学透镜聚焦在探测器上。信号在经由模数转换器（ADC）数字化之前会先进行放大。校准数据将微弱信号转换为准确的温度信息。
步骤 1：根据需求选择单色或双色测量原理。
通常情况下，测温仪主要分为两大类：单色测温仪和双色测温仪。您可能也会听到它们被称为比色测温仪或双波长测温仪。
根据维恩位移定律 (Wien’s displacement law)，黑体辐射的峰值波长与其温度成反比。随着物体温度的升高，其在整个波长光谱范围内发射的辐射量都会增加，且辐射峰值会向更短的波长方向偏移。
单色测温仪基于辐射强度进行测量，其原理是测定特定波段内发射的红外辐射功率。相比之下，比色测温仪（或称双色测温仪）则观察两个相邻波长的红外辐射，并评估这两个强度之间的比例关系。这两个波段（即“双色”）的带宽既可以部分重叠，也可以完全独立。
比色测温仪的一大优势在于，即使在发射率未知或随温度波动的情况下，它们仍能提供可靠的测量结果。只要两个波长的信号受到发射率变化或工艺环境的影响程度相同，这一结论就成立。这种即便在严苛条件下也能提供稳定、准确读数的能力，正是双色测温仪最突出的特点。
当测量光斑未能完全覆盖目标物体，或者目标物小于测温仪的光斑尺寸时，这些比色测温仪便能派上用场。此外，在测温仪的光路受到粉尘、蒸汽、污垢或观察窗等不断变化的透过率影响时，它们也同样适用。您经常会在极具挑战性的工业环境（如金属加工）中看到这些设备，在这些环境中，发射率是未知的且处于波动状态，但在两个波长上的变化程度是完全相同的。
然而，值得注意的是，比色测温仪的测温范围通常偏向高温端，体积往往更大，且价格普遍比传统的单色测温仪更加昂贵。
步骤 2：选择测温仪的最佳光谱范围。
不同的探测器技术会在特定波长或波段下接收红外能量，这一特性会显著影响测量结果。非金属或非反射表面材料通常表现出较高且相对稳定的发射率，尤其是在长波光谱范围内。
相比之下，金属材料的发射率往往较低，且随表面纹理的变化而波动，并随波长的增加而下降。这种波动性使得获取一致且可靠的测量结果变得极具挑战性。
选择合适的温度选择合适的温度测量设备，意味着需要综合考虑红外辐射的波长，以及材料在特定温度范围内的发射率。为了获得最佳的测量精度，红外测温仪的光谱范围应与材料的发射率峰值相匹配，并重点关注辐射强度通常最高的短波测量。像 Optris 这样的公司在设计红外测温仪的波长范围时，充分考虑了特定的测量需求，通过对材料和测温仪选项进行系统化的分类，以确保设备能够根据需要进行灵活调整。测量设备，意味着需要综合考虑红外辐射的波长，以及材料在特定温度范围内的发射率。为了获得最佳的测量精度，红外测温仪的光谱范围应与材料的发射率峰值相匹配，并重点关注辐射强度通常最高的短波测量。像 Optris 这样的公司在设计红外测温仪的波长范围时，充分考虑了特定的测量需求，通过对材料和测温仪选项进行系统化的分类，以确保设备能够根据需要进行灵活调整。
| 型号系列 | 光谱波长 | 使用材料/应用场景 |
| LT | 8 … 14 µm | 非金属及非反射材料：如塑料、木材、纸张、陶瓷、砖块、碳、混凝土、织物、有机材料、冰、水、油漆、胶合板及涂层金属。 |
| G7 | 7.9 µm | 玻璃（专用于特定玻璃测量）。 |
| P7 | 7.9 µm | 塑料薄膜（如聚酯、聚四氟乙烯等）。 |
| G5 | 5 µm | 玻璃（标准玻璃表面测温）。 |
| 4M | 2.2 … 6 µm | 钢铁、陶瓷、半导体。 |
| F2 | 4.42 µm | 金属、陶瓷；可穿透火焰和燃烧气体进行测量。 |
| MT | 3.9 µm | 金属、陶瓷；可穿透火焰和燃烧气体进行测量。 |
| P3 | 3.43 µm | 塑料薄膜（如聚乙烯、聚丙烯等）。 |
| 3M | 2.3 µm | 钢铁、铁、黄铜、铜、锡、陶瓷、半导体。 |
| 2M | 1.6 µm | 钢铁、铁、黄铜、铜、锡、陶瓷、半导体。 |
| 1M | 1.0 µm | 钢铁、铁、黄铜、铜、锡、碳、陶瓷、半导体。 |
| 08M | 0.8 µm | 钢铁、铁、黄铜、铜、锡、碳、半导体。 |
| 05M | 0.5 µm | 钢铁、铁、黄铜、铜、锡、碳、半导体（适用于极高温金属测量）。 |
步骤 3：选择测温仪合适的测量量程、分辨率及响应速度。
物体的温度范围取决于其所能达到的极寒或极热状态。在特定的测量或应用中，这一范围由所遇到的最低和最高温度定义。例如，短波传感器经过校准后，测量温度可高达 3000 °C。然而，由于电子元件的动态范围有限，加之普朗克辐射定律的非线性特性，同时测量极低和极高的温度具有很大挑战。因此，不同类型的传感器具有不同的测温范围。此外，物体的材料成分通常在确定光谱范围方面起着关键作用，而光谱范围反过来又会影响测量量程。
在评估测温仪时，另一个需要考虑的重要因素是温度分辨率，通常被称为 NETD（噪声等效温差）。该数值表示红外传感器能够探测到的最小温度差异。它在很大程度上取决于传感器固有的噪声水平；噪声越低的传感器，其热分辨率就越出色。必须严格区分温度分辨率（即热灵敏度）与温度准确度这两个概念。温度分辨率告诉我们的是在某一场景中或随时间推移所能探测到的最小温度变化；而温度准确度则是衡量传感器测定物体实际温度的精准程度。因此，即便一台测温仪具有极高的温度分辨率，能够捕捉到细微的热量变化，其测量值与实际温度之间的误差往往仍会超过热分辨率的数值。尽管如此，许多测温仪仍提供“高灵敏度”选项，通过牺牲一定的测量量程来换取更高的温度分辨率。
由于探测器和电子组件的设计差异，测温仪的响应时间各不相同。如果您需要追踪快速变化的事件，测温仪中的短波至中波红外探测器材料允许更短的曝光时间，而长波探测器的响应速度通常较慢。高性能的高速测温仪对温度变化的响应时间最短可达 0.3 ms，这使其成为高速测量应用场景的理想选择。
步骤 4：选择红外传感器的光学镜头。
在设置测量方案时，一个需要考虑的重要因素是几何位置以及传感器距离与光斑尺寸之比（D:S 比）。为了获得准确的测量结果，尤其是在使用单色测温仪时，光斑尺寸必须小于被测物体。
距离系数比（通常简称为 D:S 比）是红外测温仪的一项核心性能指标。在长波波段领域，受限于探测器技术，目前的高性能测温仪的比例上限通常在 75:1 左右。这意味着所测光斑的直径仅为测温仪到物体距离的 1/75。例如，如果测温仪设置在距离物体 75 米远的地方，它测得的是直径为 1 米的光斑区域的温度。从本质上讲，D:S 比告诉我们，在确保光斑尺寸小于目标物体的前提下，测温仪在距离特定尺寸的目标多远时，仍能提供准确的温度读数。
为了进一步使传感器适配特定的应用需求，有多种光学镜头方案可供选择。其中两个常见的选择是标准焦距（远焦）镜头和近焦镜头。它们之间的核心区别在于光束路径的形状以及焦距。标准焦距镜头具有凹形（收束后发散）的光束路径，针对较远的测量距离进行了优化；而近焦镜头具有凸形（快速汇聚）的光束路径，专为近距离测量而设计。这些近焦镜头既可以内置在测温仪中，也可以作为附件单独购买。此外，一些高性能测温仪还配备了手动或电动调焦功能，能够轻松调整焦距。
图 7：标准焦距选项采用凹形光束路径，而近焦选项采用凸形光束路径。标准焦距镜头针对远距离测量进行了优化，而近焦镜头则专门为短距离设计，能够实现对目标物体的近距离精确测量。
步骤 5：确保红外测温仪通过合适的配件适配工业环境。
红外测温仪附件对于确保其在严苛工业环境下的最佳性能和保护至关重要。在这些环境中，设备往往面临高温、粉尘、振动、冲击、烟雾和潮湿的挑战。尽管这些配件是成功的关键，但在制定预算时却经常被忽视。针对每种红外传感器量身定制的各类配件，能够保障其在不同工业应用中发挥出卓越的性能并获得完善的保护。
尽管小型探头在不使用冷却装置的情况下能够承受高达 250°C 的环境温度，但针对更炎热的环境，可以配备最高耐受 315°C 的冷却夹套。在高环境温度的应用场景中，配备特殊的连接线和信号电缆也变得至关重要。Optris 测温仪凭借其创新的设计和制造技术，以卓越的抗热震性（抗温度骤变能力）而闻名。然而，在环境温度剧烈波动或传感器周围存在明显温度梯度的应用场景下，加装一个加固型外壳可以有效提高测量的重复精度。
在工业环境中，空气吹扫装置对于保持光学镜片清洁至关重要，它能有效防止污垢和粉尘沉积。其产生的层流气流有助于在镜头周围维持一个无尘区域，从而确保视线清晰。
可调式安装支架、标准管道适配器、瞄准管、法兰以及观察窗等附件，均有助于将红外测温仪无缝集成到工业应用中。通过这些附件的协同作用，可以显著增强红外测温仪在苛刻工业环境中的可靠性并延长其使用寿命。
步骤 6：考虑如何将红外测温仪集成到工业流程的控制回路中。
将红外传感器集成到机器或工业流程中的方法有很多。在当今的工业环境下，红外测温仪可以直接接入控制回路，无需额外的计算机软件即可提供红外温度读数。这些传感器通常配备多个可独立缩放的模拟输出，能够为各种系统提供直观的实时数据反馈。此外，Optris 测温仪兼容多种工业现场总线系统和通信协议，如 Ethernet/IP、Ethernet、USB、Modbus TCP、CAN bus、RS-485、RS-232、EtherCAT、IO-Link、ProfiBus 和 Profinet，这使其非常适合工业制造商无缝集成到机械设备中。然而，为了完成系统设定、配置和数据记录，通常需要通过基于计算机的软件进行固件更新，这有助于确保每台红外传感器都具备良好的用户友好性并处于最佳运行状态。根据每项应用所需的带宽、成本、集成难度和专业技术要求，负责该流程的工程师应提前仔细考虑并选择合适的通信协议。
步骤 7：选择拥有丰富应用支持和售后服务经验的供应商或制造商。
选择最优质的服务与支持合作伙伴，与挑选合适的红外传感器同样重要——在涉及红外传感技术这种复杂领域时尤其如此。可靠的制造商不仅专注于提供长期稳定的性能和可靠的运行，强大的应用支持也同样关键。经验丰富的支持工程师能够就测量方法提供建议、进行实地测试，并优化温度监控策略。当需要维修、故障排除或技术培训时，响应及时的售后服务和触手可及的技术专家支持便显得至关重要。在选择红外测温仪时，这些因素应当成为决策中的重要考量因素。
