輻射測(cè)溫綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1. 溫度測(cè)量溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制在國(guó)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(cè)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(cè)量方法大致可分為兩種：接觸法和非接觸法。在接觸測(cè)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(jiǎn)單，測(cè)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(cè)物體，故對(duì)被測(cè)物體的溫度分布有影響，且不能應(yīng)用于甚高溫測(cè)量。目前非接觸測(cè)溫法仍以輻射測(cè)溫法為主，在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，輻射測(cè)溫法的可靠性和抗干擾性都不太高，且測(cè)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(wú)測(cè)量上限，響應(yīng)速度快及不接觸被測(cè)對(duì)象，因而不影響被測(cè)溫場(chǎng)等特點(diǎn)，輻射測(cè)溫技術(shù)得到長(zhǎng)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(cè)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(cè)溫簡(jiǎn)介2.1 輻射測(cè)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(zhǎng)的電磁波形式向外輻射能量，波長(zhǎng)涉及紫外、可見(jiàn)、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(zhǎng)的分布與它表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外

3、能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度。2.2 輻射測(cè)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(cè)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(cè)器的光學(xué)測(cè)量和光電精密測(cè)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(cè)量領(lǐng)域中被使用。1927年國(guó)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(cè)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(lái)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)局NBS等國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用來(lái)復(fù)現(xiàn)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。我國(guó)也曾采用此種檢測(cè)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(guó)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(cè)器穩(wěn)定性、線(xiàn)性度及靈敏度優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長(zhǎng)、且價(jià)格適中，適合于精密光度測(cè)量，同時(shí)Ruffino在噪聲和檢測(cè)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(guó)家計(jì)

5、量院IMGC制成了用硅光電二極管作為檢測(cè)元件的高精度光電高溫計(jì)。 輻射測(cè)溫法測(cè)量真實(shí)溫度的最大障礙是受到被測(cè)對(duì)象發(fā)射率的影響。為減少這個(gè)影響,多年來(lái)研究過(guò)許多辦法。例如發(fā)射率修正法、逼近黑體法、測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)甚至更多波長(zhǎng)的測(cè)溫儀。當(dāng)物體的發(fā)射率與波長(zhǎng)成線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，三波長(zhǎng)法可測(cè)得物體的真實(shí)溫度。3 80年代以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家對(duì)多波長(zhǎng)溫度計(jì)進(jìn)行了大量的研究。分別針對(duì)

6、不同的測(cè)量對(duì)象,研制開(kāi)發(fā)了三波長(zhǎng)、四波長(zhǎng)、六波長(zhǎng)輻射溫度計(jì)，多波長(zhǎng)測(cè)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(cè)量以及熱物性測(cè)量的問(wèn)題,而且較好地解決了動(dòng)態(tài)快速的測(cè)量問(wèn)題。 多波長(zhǎng)輻射溫度計(jì)的出現(xiàn)是輻射測(cè)溫技術(shù)的一個(gè)重要研究、發(fā)展方向，因此得到了國(guó)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(guó)際首創(chuàng)的棱鏡分光式35波長(zhǎng)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(cè)量。多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫理論是基于測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)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(méi)能根本上解決消除發(fā)射率的影響問(wèn)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(cè)溫的方法在輻射測(cè)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(cè)溫方法，即亮度測(cè)溫法、全輻射測(cè)溫法和顏色測(cè)溫法，用這三種方法可分別測(cè)出物體的亮度溫度、輻射溫度和顏色溫度?；谶@三種測(cè)溫方法的溫度計(jì)分別稱(chēng)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(cè)溫中最重要的方法。該方法歷史最長(zhǎng)，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)溫儀表。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用方便，可以連續(xù)測(cè)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(cè)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(cè)溫受被測(cè)物體光譜發(fā)射率影響小，針對(duì)被測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(lái)較大誤差。隨著比色溫度計(jì)價(jià)格的下降，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。2.4 輻射測(cè)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(cè)器將看不見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)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(cè)溫系統(tǒng)，也是一個(gè)國(guó)家軍事力量的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。紅外測(cè)溫

10、儀的測(cè)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(zhǎng)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(cè)溫技術(shù)存在的問(wèn)題目前人們經(jīng)常使用的單波長(zhǎng)光學(xué)(電)高溫計(jì)、比色溫度計(jì)及全波長(zhǎng)(或帶寬)輻射溫度計(jì)等，測(cè)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(zhǎng)有關(guān),還與它所處的溫度有關(guān)。一般不易在線(xiàn)測(cè)量，且易隨表面狀態(tài)改變而改變，因此，用輻射法測(cè)量物體真溫是輻射測(cè)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(cè)溫技術(shù)發(fā)展的一重要方面。輻射法測(cè)量物體真溫是各國(guó)學(xué)者一直關(guān)心的問(wèn)題，從輻射溫度計(jì)誕生時(shí)就開(kāi)始，至今還在大力開(kāi)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(chēng)逼近黑體法)（3） 輔助源法(或稱(chēng)測(cè)量反射率法)（4） 偏振光法（5） 反射信息法（6） 多光譜輻射測(cè)溫法4 總結(jié)