紅外輻射溫度測量綜述

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1、紅外輻射溫度測量技術(shù)綜述鄭兆平鄭兆平，武漢約克儀器公司，13971692521。武漢約克儀器公司摘要本文簡要說明了紅外輻射溫度測量技術(shù)的發(fā)展過程及其工作原理，介紹了紅外輻射測溫儀的性能和特點(diǎn)，以及使用過程中的注意要點(diǎn)和一些經(jīng)驗。關(guān)鍵詞紅外輻射溫度測量發(fā)射率SummaryontheInfraredRadiationTemperatureMeasurementTechnologyZheng-ZhaopingWuhanYorkinstrumentCompanyAbstractThedevelopmentandprincipleoftheinfrared

2、radiationtemperaturemeasurementtechnologyareexplainedinthispaper.Theperformancesandcharacteristicsofthetechnologyareintroduced.Theauthorsalsogivesomeadviceaboutitsapplications.Keywordsinfraredradiationtemperaturemeasurementemissivity1前言最早的輻射測溫計是人的眼睛，人們根據(jù)被加熱物體顏色或亮度的變化來粗略估計物體的溫

3、度。1828年，M.Sweeny用凹面鏡和水銀溫度計制成了第一個輻射溫度計。十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初，在Kelvin（開爾文）、Kirchhoff（基爾霍夫）以及Wein（維恩）和Planck（普朗克）等人得出正確的熱輻射規(guī)律的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了消隱燈絲光學(xué)高溫計和在此基礎(chǔ)上改進(jìn)而得的光電高溫計。根據(jù)Stefan-Boltzman（斯蒂芬-玻爾茲曼）定律，1931年，第一批商用全輻射測溫儀問世。在上世紀(jì)60年代以后，隨著紅外探測器件、光學(xué)技術(shù)、集成電路、微電子計算機(jī)等的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了雙色測溫儀、光纖測溫儀、掃描測溫儀、成像測溫儀等。紅外輻射溫度計已應(yīng)

4、用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個部門。2測量原理[1]輻射測溫儀是利用物體輻射能量的大小及其按波長的分布都與其溫度有關(guān)的原理制成的。2.1一般概念一切溫度高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，其輻射能包括各種波長，其中波長范圍在0.76~1000μm間的稱為紅外光波。紅外光具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)，這正是輻射測溫技術(shù)所感興趣的。2.2基爾霍夫定律該定律指出，在任何溫度和波長下，一個熱平衡不透明腔體的發(fā)射率等于其吸收率，即：（1）式中：—發(fā)射率；—吸收率。而根據(jù)能量守恒，有：5（2）式中：—吸收率；—反射率；—透射率。對于不透明材料，=0，即，以及：（3）

5、式（3）表明，高反射表面一定是弱發(fā)射率，這一點(diǎn)對掌握輻射測溫很重要。對于黑體，有=0，=0，即：（4）2.3普朗克分布定律普朗克分布定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長的分布規(guī)律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（5）式中，—黑體輻射出度，W/(m2?μm)；—第一輻射常數(shù)，=3.7415×108W?cm-2?μm4；—第二輻射常數(shù)，=1.43879×104μm?K；—波長，μm；—絕對溫度，K。圖1給出了溫度從1000K~1800K范圍的黑體輻射出度曲線。Ebλ×10-4W/(m2?μm)λ（μm）圖1普朗克定律由圖中可以看出，黑體輻射出度（曲線下的面積）

6、隨著溫度增加而迅速增加，黑體輻射出度的峰值波長隨溫度增加而向短波方向移動。該定律表述了黑體溫度、輻射波長和能量之間的依賴關(guān)系，是單色輻射測溫儀的理論基礎(chǔ)。2.4斯蒂芬-玻爾茲曼定律將式（5）對波長從0~∞積分，得：4（6）式中，—黑體全輻射度，W/m2；—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，=5.6697×10-8W/(m2?K)該定律表明，黑體的全輻射度與其絕對溫度的四次方成正比，是全輻射測溫儀的理論基礎(chǔ)。3測量儀表3.1按工作原理分類輻射測溫儀按工作原理可分為“亮度測溫儀”和“輻射比測溫儀”兩大類。其中亮度測溫儀又可分為全輻射測溫儀、帶通（寬帶和窄帶）測溫

7、儀；輻射比測溫儀可分為雙色和多色測溫儀。（1）全輻射測溫儀5這類測溫儀是根據(jù)被測目標(biāo)在全部波長范圍的輻射亮度的大小確定其溫度，這就要求測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器在所有波長上有相同的透過率和響應(yīng)，這在實際上做不到。這類測溫儀的電信號與溫度的四次方成比例，易受外界干擾，測溫范圍窄，因此，其發(fā)展緩慢，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。（2）光譜帶通輻射測溫儀這類測溫儀（即所謂的單色測溫儀）是根據(jù)被測目標(biāo)在一定波長范圍內(nèi)的（確定的中心波長λ和波長間隔Δλ）黑體輻射亮度的大小確定其溫度。可分為窄帶通和寬帶通兩類，前者用于測量高溫或某些有選擇輻射的目標(biāo)，后者用于測量低溫目

8、標(biāo)。這類測溫儀由于窄的帶通，減少了背景輻射的影響，還可根據(jù)應(yīng)用要求選擇波長范圍，是目前測溫儀應(yīng)用的主流。（3）雙色測溫儀雙色測溫儀的工作