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| 紅外測溫儀工作原理及應用 |
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| 紅外測溫儀工作原理及應用 | | 來(lái)源:亞辰電子 發(fā)布時(shí)間:5月8日 查看次數:592次 | 了解紅外測溫儀的工作原理、技術(shù)指標、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶(hù)正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎。 ->r udR Q
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一、紅外測溫儀工作原理 kJ "}JRA<
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紅外測溫儀由光學(xué)系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統匯聚其視場(chǎng)內的目標紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘�。該信號�?jīng)過(guò)放大器和信號處理電路，并按照儀器內療的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。 Kv m XRf*z
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在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(cháng)的分布 —— 與它的表面溫度有著(zhù)十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀(guān)基礎。 X u& v3Y~k
黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(cháng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為 1 。但是，自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(cháng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱(chēng) 黑體輻射定律 。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴(lài)于輻射波長(cháng)及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類(lèi)、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數，即發(fā)射率。該系數表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于 1 的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等。 &uXu$)IZ
當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時(shí)首先要測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。 Xp~O?2:3 l
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二、正確選擇紅外測溫儀 # 66 vk f*
隨著(zhù)技術(shù)和不斷發(fā)展，紅外測溫儀最佳設計和新進(jìn)展為用戶(hù)提供了各種功能和多用途的儀器，擴大了選擇余地。在選擇測溫儀型號時(shí)應首先確定測量要求，如被測目標溫度，被測目標大小，測量距離，被測目標材料，目標所處環(huán)境，響應速度，測量精度，用便攜式還是在線(xiàn)式等等；在現有各種型號的測溫儀對比中，選出能夠滿(mǎn)足上述要求的儀器型號；在諸多能夠滿(mǎn)足上述要求的型號中選擇出在性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能等。 #Ti5G " C
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1 、確定測溫范圍 [ Y8ot- 6
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確定測溫范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個(gè)性能指標。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。如 Raytek （雷泰）產(chǎn)品覆蓋范圍為 -50 ℃ - +3000 ℃ ，但這不能由一種型號的紅外測溫儀來(lái)完成。因此，用戶(hù)的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬。根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時(shí)應盡量選用短波較好。一般來(lái)說(shuō)，測溫范圍越窄，監控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測溫范圍過(guò)寬，會(huì )降低測溫精度。例如，如果被測目標溫度為 1000 攝氏度，首先確定在線(xiàn)式還是便攜式，如果是便攜式。滿(mǎn)足這一溫度的型號很多，如 3iLR3 ， 3i2M ， 3i1M 。如果測量精度是主要的，最好選用 2M 或 1M 型號的，因為如果選用 3iLR 型，其測溫范圍很寬，則高溫測量性能便差一些；如果用戶(hù)除測量 1000 攝氏度的目標外，還要照顧低溫目標，那只好選擇 3iLR3 。 *wV` 7\@
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2 、確定目標尺寸 9On(b|mT
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為了獲得精確的溫度讀數，測溫儀與測試目標之間的距離必須在合適的范圍之內，所謂 “ 光點(diǎn)尺寸 ” （ spot size ）就是測溫儀測量點(diǎn)的面積。您距離目標越遠，光點(diǎn)尺寸就越大。 &I?d(Z=:\
紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時(shí)，被測目標面積應充滿(mǎn)測溫儀視場(chǎng)。建議被測目標尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的 50% 為好。如果目標尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì )進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數，造成誤差。相反，如果目標大于測溫儀的視場(chǎng)，測溫儀就不會(huì )受到測量區域外面的背景影響。對于比色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨立的波長(cháng)帶內輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當被測目標很小，不充滿(mǎn)視場(chǎng)，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時(shí)，都不會(huì )對測量結果產(chǎn)生影響。甚至在能量衰減了 95% 的情況下，仍能保證要求的測溫精度。對于細小而又處于運動(dòng)或震動(dòng)之中的目標，比色測溫儀是最佳選擇。這是由于光線(xiàn)直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場(chǎng)的目標。 XZ _vbYTj
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3 、確定距離系數（光學(xué)分辨率） ,{g B$8z^
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距離系數由 D ： S 之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離 D 與被測目標直徑之比。光學(xué)分辨率越高，即增大 D ： S 比值，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學(xué)系統焦點(diǎn)處為光斑最小位置，近于和遠于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì )增大。存在兩個(gè)距離系數。因此，為了能在接近和遠離焦點(diǎn)的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大于焦點(diǎn)處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個(gè)最小焦點(diǎn)位置，可根據到目標的距離進(jìn)行調節。增大 D ： S ，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離系數 D ： S 很難做大，這就要增加儀器成本。 7 =pJ)4;ZA
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4 、確定波長(cháng)范圍 o |c %uw
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目標材料的發(fā)射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長(cháng)對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區，測量金屬材料的最佳波長(cháng)是近紅外，可選用 0.8 ～ 1.0μm 。其他溫區可選用 1.6μm,2.2μm 和 3.9μm 。由于有些材料在一定波長(cháng)上是透明的，紅外能量會(huì )穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長(cháng)。如測量玻璃內部溫度選用 1.0μm ， 2.2μm 和 3.9μm （被測玻璃要很厚，否則會(huì )透過(guò)）波長(cháng)；測玻璃表面溫度選用 5.0μm ；測低溫區選用 8 ～ 14μm 為宜。如測量聚乙烯塑料薄膜選用 3.43μm ，聚酯類(lèi)選用 4.3μm 或 7.9μm ，厚度超過(guò) 0.4mm 的選用 8-14μm 。如測火焰中的 CO 用窄帶 4.64μm ，測火焰中的 NO2 用 4.47μm 。 U$AV"F&!&}
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5 、確定響應時(shí)間 kac ]Rh8vO
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響應時(shí)間定義為到達最后讀數的 95% 能量所需要的時(shí)間，表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時(shí)間常數有關(guān)。紅外測溫儀響應時(shí)間的選擇要和被測目標的情況相適應，確定響應時(shí)間主要根據目標的運動(dòng)速度和目標的溫度變化速度。如果目標的運動(dòng)速度很快或測量快速加熱的目標時(shí)，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會(huì )降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外測溫儀。對于靜止的或目標熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，響應時(shí)間就可以放寬要求了。 b%D} mxbS
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6 、信號處理功能 8Zv ozQE
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鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續過(guò)程不同，所以要求紅外測溫儀具有多信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供選用，如測溫傳送帶上的瓶子時(shí)，就要用峰值保持，其溫度的輸出信號傳送至控制器內。否則測溫儀讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，設置測溫儀響應時(shí)間稍長(cháng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測量之中。 +6+!M_0w A
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7 、環(huán)境條件考慮 = R H7 j
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測溫儀所處的環(huán)境條件對測量結果有很大影響，應予考慮并適當解決，否則會(huì )影響測溫精度甚至引起損壞。當環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠(chǎng)商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護測溫儀，實(shí)現準確測溫。在確定附件時(shí)，應盡可能要求標準化服務(wù)，以降低安裝成本。當在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時(shí)，光纖雙色測溫儀是最佳選擇。在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)和難以接近的環(huán)境條件下，或其他惡劣條件時(shí)，宜選擇光線(xiàn)比色測溫儀。在密封的或危險的材料應用中（如容器或真空箱），測溫儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀(guān)測。材料必須有足夠的強度并能通過(guò)所用測溫儀的工作波長(cháng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)行觀(guān)察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。 EG3 ?C
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在低溫測量應用中，通常用 Ge 或 Si 材料作為窗口，不透可見(jiàn)光，人眼不能通過(guò)窗口觀(guān)察目標。 si.w1
如操作員需要通過(guò)窗口目標，應采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如 ZnSe 或 BaF2 等作為窗口材料。 |Z uS"'3_w
當測溫儀工作環(huán)境中存在易燃氣體時(shí)，可選用本征安全型紅外測溫儀，從而在一定濃度的易燃氣體環(huán)境中進(jìn)行安全測量和監視。 1 X j>kE:
在環(huán)境條件惡劣復雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開(kāi)的系統，以便于安裝和配置。 -k I;yL
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三、為什么使用紅外測溫儀 ~v+ A6N:qC
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紅外測溫儀已被證實(shí)是檢測和診斷電子設備故障的有效工具�？晒澥〈罅块_(kāi)支，用紅外測溫儀，你可連續診斷電子連接問(wèn)題和通過(guò)查找在 DC 電池上的輸出濾波器連接處的熱點(diǎn)，以檢測不間斷電源（ UPS ）的功能狀態(tài)，你可檢驗電池組件和功率配電盤(pán)接線(xiàn)端子，開(kāi)關(guān)齒輪或保險絲連接，防止能源消耗；由于松的連接器和組合會(huì )產(chǎn)生熱，紅外測溫儀有助于識別回路中斷器的絕緣故障 . 或監視電子壓縮機；日常掃描變壓器的熱點(diǎn)可探測開(kāi)裂的繞組和接線(xiàn)端子。 V$' ;B=M
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使用紅外測溫儀的好處 "fTW 2D74
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便捷 紅外測溫儀可快速提供溫度測量，在用熱偶讀取一個(gè)滲漏連接點(diǎn)的時(shí)間內，用紅外測溫儀幾乎可以讀取所有連接點(diǎn)的溫度。另外由于紅外測溫儀堅實(shí) . 輕巧，且不用時(shí)易于放在皮套中。在工廠(chǎng)巡視和日常檢驗工作時(shí)都可攜帶。 K k ?C
精確 紅外測溫儀通常精度都是 1 度以?xún)�。這種性能在做預防性維護時(shí)特別重要，如監視惡劣生產(chǎn)條件和將導致設備損壞或停機的特別事件時(shí)。用紅外測溫儀，你甚至可快速探測操作溫度的微小變化，在其萌芽之時(shí)就可將問(wèn)題解決，減少因設備故障造成的開(kāi)支和維修的范圍。 & W@ #p G
安全 紅外測溫儀能夠安全地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度 ，可以在儀器允許的范圍內讀取目標溫度。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區域進(jìn)行，精確測量就象在手邊測量一樣容易。 O h{ >xg
四、紅外測溫儀 在設備故障診斷時(shí) 的使用 lj w( cUM
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設備故障紅外診斷最核心的問(wèn)題，是要求準確地獲得被測設備的溫度分布或故障相關(guān)部位溫度值與溫升值。這個(gè)溫度信息不僅是判斷設備有無(wú)故障的依據，也是判斷故障屬性、位置、嚴重程度的客觀(guān)依據。因此，對被測設備故障相關(guān)部位溫度的計算與合理修正，將是提高檢測設備表面溫度準確性的關(guān)鍵環(huán)節。然而在現場(chǎng)進(jìn)行設備紅外檢測時(shí)，由于檢測條件和環(huán)境的影響變化，可能導致同一設備因檢測條件不同，而得到不同的結果。因此，為了提高紅外檢測的準確度，必須對現場(chǎng)檢測過(guò)程中或對檢測結果的分析處理中，采取相應的對策與措施或選擇良好的檢測條件，或對檢測現場(chǎng)結果進(jìn)行合理的修正。 f%2>pQTq@)
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運行狀態(tài)的影響與對策 cU
電氣設備故障無(wú)論是電流效應引起的發(fā)熱故障 ( 導電回路故障 ) ，發(fā)熱功率與負荷電流值的平方成正比。電壓效應引起的發(fā)熱故障 ( 絕緣介質(zhì)故障 ) ，發(fā)熱功率與運行電壓的平方成正比。因此，設備的工作電壓和負荷電流的大小，將直接影響到紅外檢測與故障診斷的效果。泄漏電流的增大，能造成高壓設備部分電壓不均勻。如果沒(méi)有加載運行或者負荷很低，則會(huì )使設備故障發(fā)熱不明顯，即使存在較嚴重的故障，也不可能因特征性熱異常的形式暴露出來(lái)。只有當設備在額定電壓下運行，而且負荷越大時(shí)，發(fā)熱及溫升才越嚴重，故障點(diǎn)的特征性熱異常也暴露得越明顯。因此在進(jìn)行紅外檢測時(shí)，為了能夠取得可靠的檢測效果，要盡量保證設備在額定電壓和滿(mǎn)負荷下運行，即使不能做到連續滿(mǎn)負荷運行，也應編制一個(gè)運行方案，以便在檢測前和檢測過(guò)程中，能讓設備滿(mǎn)負荷運行一段時(shí)間 ( 如 4 ～ 6h) ，使設備故障部位有足夠的發(fā)熱時(shí)間，并保證其表面達到穩定溫升。 +IkL=/';#
由于電氣設備故障紅外診斷時(shí)，故障判斷標準往往是以設備在額定電流時(shí)的溫升為依據，因此當檢測時(shí)實(shí)際運行電流小于額定電流時(shí)，應該是現場(chǎng)實(shí)際測量的設備故障點(diǎn)溫升換算為額定電流的溫升。 z Z * \v
設備表面發(fā)射率的影響與對策 b Y^K)0+^s
任何紅外測量?jì)x器都是通過(guò)測量電氣設備表面紅外輻射功率，來(lái)獲得設備溫度信息的。并且在紅外診斷儀器接收來(lái)自目標紅外輻射功率相同的情況下，因目標的表面發(fā)射率不同，將會(huì )得到不同的檢測結果。也就是說(shuō)，相同輻射功率，發(fā)射率越低，就會(huì )顯示越高的溫度。因物體表面發(fā)射率主要決定于材料性質(zhì)和表面狀態(tài) ( 如表面氧化情況，涂層材料，粗糙程度及污穢狀態(tài)等 ) 。因此為了應用紅外熱像儀器準確地測量電氣設備溫度，必須要知道受檢目標的發(fā)射率值，并將該值作為計算溫度的重要參數輸入計算機或者調整紅外測量?jì)x的ε修正值，以便對所測量的溫度輸出值進(jìn)行發(fā)射率修正。消除發(fā)射率對檢測結果影響的另外兩種對策措施是：當使用紅外熱像儀進(jìn)行測量時(shí)，要對發(fā)射進(jìn)行修正，查出被測設備部件表面的發(fā)射率值進(jìn)行發(fā)射率修正，從而獲得可靠的測溫結果，提高檢測的可靠性；對于紅外檢測的故障頻發(fā)設備部件，為使檢測結果具有良好的可比性，可以運用敷涂適當漆料的方法來(lái)增大和穩定其發(fā)射率值，以便獲得被測設備表面的真實(shí)溫度。 \zMx ~-2oN
大氣衰減的影響與對策 'n dX M
由于受檢電氣設備表面紅外輻射能量，是經(jīng)大氣傳輸到紅外檢測儀器里的，這就會(huì )受到大氣組合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等氣體分子的吸收衰減和空氣中懸浮微粒的散射而衰減，設備輻射能量傳輸的衰減隨著(zhù)檢測儀器到被測設備之間的距離，降低了被測設備輻射的透過(guò)率，所以其衰減是隨距離的增大而增加，降低受檢設備故障部位與正常部位的輻射對比度，也會(huì )因為紅外儀器接收到的目標能量減少，使得儀器顯示出來(lái)的溫度低于被測故障點(diǎn)的實(shí)際溫度值，從而造成漏檢或誤診斷。尤其對于檢測溫升較低的設備故障時(shí)，這是很不利的。檢測距離增大，大氣組合的影響將會(huì )越來(lái)越大。而且又要獲得目標溫度準確性，必須采取如下對策：盡量選擇在環(huán)境大氣比較干燥、潔凈的時(shí)節進(jìn)行檢測；在不影響安全的條件下盡可能縮短檢測距離，還要對溫度測量結果進(jìn)行合理的距離修正，以便測得實(shí)際溫度值。 'i5 ,2vT0
氣象條件的影響 aP }30 E*Y
不良的氣象環(huán)境（雨、雪、霧及大風(fēng)力等），會(huì )對設備溫度檢測帶來(lái)不利的影響，往往會(huì )給出虛假的故障現象。為了減少氣象條件的影響，盡量在無(wú)雨、無(wú)霧、無(wú)風(fēng)和環(huán)境溫度較穩定的夜晚進(jìn)行檢測。 e]k\dj;,^%
環(huán)境及背景輻射的影響與對策 l1u v]t <
在進(jìn)行戶(hù)外電力設備紅外檢測時(shí)，檢測儀器接收的紅外輻射除了包括受檢設備相應部位自身發(fā)射的輻射以外，還會(huì )包括設備其他部位和背景的反射，以及直接射入太陽(yáng)輻射。這些輻射都將對設備待測部位的溫度造成干擾，對故障檢測帶來(lái)誤差。為了減少環(huán)境與背景輻射的影響，應采取如下對策措施： <R.Ipyt.
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對戶(hù)外電氣設備的現場(chǎng)紅外檢測，盡可能選擇在陰天或者在日落左右傍晚無(wú)光照時(shí)間進(jìn)行。這樣可以防止直接入射、反射和散射的太陽(yáng)輻射影響，對戶(hù)內設備可以采用關(guān)掉照明燈，以及要避開(kāi)其他的輻射影響。 qku}cWD9/_
對于高反射的設備表面，應該采取適當措施來(lái)減少對太陽(yáng)輻射及周?chē)邷匚矬w輻射的影響�；蛘吒淖儥z測角度，找到能避開(kāi)反射的最佳角度進(jìn)行檢測。 gv}J "a nD
為減少太陽(yáng)輻射及周?chē)邷乇尘暗妮椛溆绊�，可在檢測時(shí)采取適當的遮擋措施，或者在紅外熱像儀器上加裝適當的紅外濾光片，以便濾除太陽(yáng)及其他背景輻射。 7I;A5 f
選擇參數適宜的儀器和檢測距離進(jìn)行檢測，使受檢測的設備部位充滿(mǎn)儀器視場(chǎng)，從而減少背景輻射的干擾. |
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