輻射測溫綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1. 溫度測量溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一，它的測量與控制在國防、軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。特別是高溫測量在航天、材料、能源、冶金等領(lǐng)域中占有極重要地位。溫度的測量方法大致可分為兩種：接觸法和非接觸法。在接觸測溫法中，熱電偶和熱電阻溫度計(jì)應(yīng)用最為廣泛，該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和操作簡單，測得的是物體的真實(shí)溫度等，其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)特性差，由于要接觸被測物體，故對(duì)被測物體的溫度分布有影響，且不能應(yīng)用于甚高溫測量。目前非接觸測溫法仍以輻射測溫法為主，在過去相當(dāng)長的時(shí)間里，輻射測溫法的可靠性和抗干擾性都不太高，且測量范圍往往僅限于較高溫度。但近二十多年，由于

2、電子技術(shù)的飛快發(fā)展，半導(dǎo)體材料的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，又由于輻射溫度計(jì)具有無測量上限，響應(yīng)速度快及不接觸被測對(duì)象，因而不影響被測溫場等特點(diǎn)，輻射測溫技術(shù)得到長足的進(jìn)步和發(fā)展。儀器的制造水平、性能指標(biāo)已有了顯著提高，輻射真溫測量研究、標(biāo)定技術(shù)研究及應(yīng)用技術(shù)研究方面亦取得了豐碩成果。2. 輻射測溫簡介2.1 輻射測溫技術(shù)的原理在自然界中，物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，以不同波長的電磁波形式向外輻射能量，波長涉及紫外、可見、紅外光區(qū)，但主要處于（0.815）m 的紅外區(qū)內(nèi)。物體的紅外輻射能量的大小按其波長的分布與它表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外

3、能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度。2.2 輻射測溫技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 在儀器制造方面,輻射溫度計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：隱絲式光學(xué)高溫計(jì)階段；用光電倍增管作為檢測器的光電高溫計(jì)階段；以及用硅光電二極管、碲鎘汞等作為檢測器的光學(xué)測量和光電精密測溫階段。 隱絲式光學(xué)高溫計(jì)出現(xiàn)在本世紀(jì)初，直到現(xiàn)在仍在高溫(800以上)測量領(lǐng)域中被使用。1927年國際溫標(biāo)采用此種高溫計(jì)作為金點(diǎn)以上的溫度復(fù)現(xiàn)及傳遞標(biāo)準(zhǔn)器。它的工作原理是在峰值為650nm并在盡可能小的帶寬內(nèi)，使目標(biāo)與鎢燈燈絲的亮度平衡，燈絲消隱在目標(biāo)中。由于要人眼比較亮度平衡，手動(dòng)調(diào)節(jié)燈絲電流，因此，人為誤差大，不適于自動(dòng)控制系統(tǒng)。 60年代

4、中期，出現(xiàn)了用光電倍增管作為檢測器的光電高溫計(jì)。它是以光電倍增管替代隱絲式光學(xué)高溫計(jì)中的人眼來作亮度比較，具有較高的靈敏度和精度，且不需要人參與，因而被美國標(biāo)準(zhǔn)局NBS等國家實(shí)驗(yàn)室用來復(fù)現(xiàn)國際實(shí)用溫標(biāo)。我國也曾采用此種檢測元件研制成比較式的基準(zhǔn)光電比較儀及高溫計(jì)式的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)，用以復(fù)現(xiàn)金點(diǎn)以上的國標(biāo)溫標(biāo)及傳遞8002000的高溫實(shí)用溫標(biāo)。 在70年代初,Witherell和Faulhaber指出：硅光電探測器穩(wěn)定性、線性度及靈敏度優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長、且價(jià)格適中，適合于精密光度測量，同時(shí)Ruffino在噪聲和檢測數(shù)據(jù)方面證明了硅光電二級(jí)管應(yīng)用到高分辨率溫度計(jì)的可能性。不久，在意大利國家計(jì)

5、量院IMGC制成了用硅光電二極管作為檢測元件的高精度光電高溫計(jì)。 輻射測溫法測量真實(shí)溫度的最大障礙是受到被測對(duì)象發(fā)射率的影響。為減少這個(gè)影響,多年來研究過許多辦法。例如發(fā)射率修正法、逼近黑體法、測量反射率法、偏振光法、反射信息法等，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在著各自局限性，均不能從根本上解決消除發(fā)射率的影響。 比色法在一定程度上解決了發(fā)射率的影響。只要兩個(gè)波長選擇適當(dāng)，許多物體的比色溫度接近真實(shí)溫度。為了進(jìn)一步減少發(fā)射率影響，人們又發(fā)展了三波長甚至更多波長的測溫儀。當(dāng)物體的發(fā)射率與波長成線性關(guān)系時(shí)，三波長法可測得物體的真實(shí)溫度。3 80年代以來，各國科學(xué)家對(duì)多波長溫度計(jì)進(jìn)行了大量的研究。分別針對(duì)

6、不同的測量對(duì)象,研制開發(fā)了三波長、四波長、六波長輻射溫度計(jì)，多波長測溫理論與技術(shù)取得了發(fā)展。這些發(fā)展在一定程度上解決了真溫測量以及熱物性測量的問題,而且較好地解決了動(dòng)態(tài)快速的測量問題。 多波長輻射溫度計(jì)的出現(xiàn)是輻射測溫技術(shù)的一個(gè)重要研究、發(fā)展方向，因此得到了國外同行的高度重視。90年代初，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與羅馬大學(xué)合作研制成功國際首創(chuàng)的棱鏡分光式35波長高溫輻射溫度計(jì)，已經(jīng)成功地用于燒蝕材料真溫及發(fā)射率的測量。多波長輻射測溫理論是基于測量多個(gè)波長的輻射信號(hào)，輔以對(duì)象發(fā)射率的背景知識(shí)，計(jì)算出目標(biāo)的溫度值,針對(duì)特定的對(duì)象可以減小或消除發(fā)射率的影響，但從理論上也沒能根本上解決消除發(fā)射率的影響問題。實(shí)際

7、應(yīng)用中，在一些情況下仍會(huì)產(chǎn)生較大誤差。2.3 輻射測溫的方法在輻射測溫學(xué)中，表觀溫度包括亮度溫度、輻射溫度和顏色溫度。由這三種表觀溫度可以引申出三種基本測溫方法，即亮度測溫法、全輻射測溫法和顏色測溫法，用這三種方法可分別測出物體的亮度溫度、輻射溫度和顏色溫度。基于這三種測溫方法的溫度計(jì)分別稱為亮度輻射溫度計(jì)(或單色輻射溫度計(jì))、全輻射輻射溫度計(jì)、比色輻射溫度計(jì)，還有介于亮度法和全輻射法之間的紅外溫度計(jì)。亮度法是輻射測溫中最重要的方法。該方法歷史最長，測溫靈敏度高，亮度溫度與真實(shí)溫度偏差小，發(fā)射率誤差影響也小。在輻射測溫領(lǐng)域，目前和今后一段時(shí)間內(nèi)，基于亮度法原理的光電測溫儀表，在溫度量值的傳遞和

8、工業(yè)應(yīng)用方面仍起主導(dǎo)作用。輻射感溫器也是應(yīng)用較廣泛的測溫儀表。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，使用方便，可以連續(xù)測量、記錄和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因而廣泛用于工業(yè)中。但由于波段較寬，不可避免地受水蒸氣、二氧化碳、煙霧等中間介質(zhì)吸收影響。隨著紅外輻射溫度計(jì)的普及，輻射感溫器將會(huì)逐漸被取代。比色測溫法有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)大多數(shù)物體的顏色溫度比亮度溫度和輻射溫度更接近真實(shí)溫度。特別當(dāng)實(shí)際物體接近灰體時(shí)，則可以認(rèn)為實(shí)際物體的顏色溫度等于它的真實(shí)溫度；(2)比色法測溫受被測物體光譜發(fā)射率影響小，針對(duì)被測物體的輻射特性,以及中間吸收介質(zhì)的光譜吸收特性,合理選擇兩個(gè)工作波段；可以大大減小因被測體光譜發(fā)射率變化以及中間介質(zhì)

9、吸收的影響而引起的誤差；(3)與光電高溫計(jì)和輻射感溫器一樣，其輸出信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)溫度記錄、控制。比色溫度計(jì)尤其適用于測量發(fā)射率較低的表面光亮的物體溫度,或者在光路上存在著塵埃、煙霧等中性吸收介質(zhì)的場所。但是，在比色溫度計(jì)的應(yīng)用中，如果對(duì)于光路上存在選擇吸收比色溫度計(jì)所選用的兩個(gè)波段之一者，則反而會(huì)帶來較大誤差。隨著比色溫度計(jì)價(jià)格的下降，其應(yīng)用越來越廣泛。2.4 輻射測溫的應(yīng)用（1）紅外熱像儀紅外熱像儀是一種利用紅外探測器將看不見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像的被動(dòng)成像儀器是目前發(fā)展較快、性能最高的現(xiàn)代化多層次多方面應(yīng)用中不可缺少的重要的紅外輻射測溫系統(tǒng)，也是一個(gè)國家軍事力量的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。紅外測溫

10、儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。 （2）紅外成像跟蹤技術(shù)由成像跟蹤器利用目標(biāo)圖像的形狀及其亮度分布情況等作為跟蹤信息，然后利用匹配技術(shù)挖取跟蹤目標(biāo)。3 輻射測溫技術(shù)存在的問題目前人們經(jīng)常使用的單波長光學(xué)(電)高溫計(jì)、比色溫度計(jì)及全波長(或帶寬)輻射溫度計(jì)等，測得的不是物體的真實(shí)溫度,只是分別為亮度溫度，顏色溫度及輻射溫度等。必須知道物體的另一參數(shù)材料發(fā)射率(黑度系數(shù))，才可求得物體真實(shí)溫度。眾所周知，物體的材料發(fā)射率不僅與物體的組份，其表面狀態(tài)及考察波長有關(guān),還與它所處的溫度有關(guān)。一般不易在線測量，且易隨表面狀態(tài)改變而改變，因此，用輻射法測量物體真溫是輻射測溫領(lǐng)域中重要而困難的研究課題，其研究狀況亦成了表征輻射測溫技術(shù)發(fā)展的一重要方面。輻射法測量物體真溫是各國學(xué)者一直關(guān)心的問題，從輻射溫度計(jì)誕生時(shí)就開始，至今還在大力開展研究。目前比較成功的方法有以下6種：（1） 發(fā)射率修正法（2） 減小發(fā)射率影響法(或稱逼近黑體法)（3） 輔助源法(或稱測量反射率法)（4） 偏振光法（5） 反射信息法（6） 多光譜輻射測溫法4 總結(jié)