非接觸式測(cè)溫原理

非接觸式測(cè)溫原理第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4非接觸式測(cè)溫6.4.1熱輻射基本定理6.4.2光學(xué)高溫計(jì)6.4.3光電高溫計(jì)6.4.4輻射溫度計(jì)6.4.5比色溫度計(jì)上一頁(yè)下一頁(yè)返回第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.1熱輻射基本定理

輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一

波長(zhǎng)范圍：10-3m～10-8m在低溫時(shí)，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短的方向移動(dòng)，在5000C左右時(shí)。輻射光譜包括了部分可見(jiàn)光；到8000C時(shí)可見(jiàn)光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時(shí)，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。輻射測(cè)溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來(lái)大致判斷物體的溫度，這就是上一頁(yè)下一頁(yè)返回第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱輻射基本定理(1)熱輻射的重要參數(shù)(2)輻射能的分配(3)基爾霍夫定律

(4)黑體輻射定律上一頁(yè)下一頁(yè)返回第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)熱輻射的重要參數(shù)①輻射能Q

以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，單位為焦耳(J)。②輻射能通量是輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱輻射率：

(6.4.1)

其單位是瓦特(W)。③輻射強(qiáng)度I

在給定方向上的立體角單元內(nèi)，離開(kāi)點(diǎn)輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱為該方向上的輻射強(qiáng)度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)熱輻射的重要參數(shù)④輻射出射度M

離開(kāi)輻射源表面一點(diǎn)處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點(diǎn)的輻射出射度，即

(6.4.2)

輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。⑤輻射亮度L和光譜輻射亮度表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為該方向的輻射亮度L。輻射亮度實(shí)際上包括所有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長(zhǎng)的輻射能量則稱為在此波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四物體分類： 黑體（絕對(duì)黑體）： 照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無(wú)反射也無(wú)透射。 透明體： 照射到物體上的輻射能全部透射過(guò)去，既無(wú)吸收又無(wú)反射。 鏡體、白體： 照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無(wú)一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對(duì)白體”或者簡(jiǎn)稱為“白體”。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的τ值很小或等于零，而氣體的τ值較大。對(duì)于一般工程材料來(lái)講，τ＝0而α+ρ=1，稱為灰體

從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體上一頁(yè)下一頁(yè)返回第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(3)基爾霍夫定律各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，是物體的溫度和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù)式中：M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T)―物體的單色(λ)輻射出射度；α0(λ,T),α2(λ,T),α2(λ,T)―物體的單色(λ)吸收率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四若物體A0絕對(duì)黑體，那么α0(λ,T)

，根據(jù)基氏定律物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對(duì)黑體在同樣的溫度下，相同波長(zhǎng)時(shí)的輻射出射度。這是基氏定律的另一種說(shuō)法。設(shè)M(λ,T)為物體A在波長(zhǎng)為λ，溫度為T下的輻射出射度。式中，ε稱為物體A的單色輻射率，或稱為單色黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度和波長(zhǎng)下，物體A的輻射出射度與相同溫度和波長(zhǎng)下黑體的輻射出射度之比?；鶢柣舴蚨烧f(shuō)明，物體的輻射能力與它的吸收能力是相同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分式中，A(T)－物體A在溫度T下的全吸收率，M0(T)－黑體在溫度T下的全輻射出射度?；隙傻姆e分形式為它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的εT<1，εT越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(4)黑體輻射定律①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)②維恩公式③斯蒂芬－波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律）上一頁(yè)下一頁(yè)返回第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)溫度為T的單位面積元的絕對(duì)黑體，在半球面方向所輻射的波長(zhǎng)為的輻射出射度為式中，c―光速；h―普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s； k―波爾茲曼常數(shù)，1.38066244×10-23J/K； C1―第一輻射常數(shù)，＝3.7418×10-16W·m2；C2―第二輻射常數(shù)，＝1.4388×10-12m·K；T―絕對(duì)溫度。公式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它對(duì)于低溫與高溫都是適用的上一頁(yè)下一頁(yè)返回第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四②維恩公式理論上說(shuō)明了黑體在各種溫度下能量波長(zhǎng)分布的規(guī)律公式簡(jiǎn)單，但是僅適用于不超過(guò)3000K的溫度范圍黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，即上式就是光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù)

上一頁(yè)下一頁(yè)返回第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四③斯蒂芬－波爾茲曼定律

（全輻射強(qiáng)度定律，四次方定律）溫度為T的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。式中，σ―斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，5.66961×10-3W/(m2·K4)。上式就是輻射式溫度計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長(zhǎng)內(nèi)積分的結(jié)果。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.2光學(xué)高溫計(jì)

精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測(cè)試；

標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點(diǎn)、熱容量和相變點(diǎn)的測(cè)定中使用。 光學(xué)高溫計(jì)可用來(lái)測(cè)量800～32000C的高溫。 由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測(cè)量誤差與人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。 光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱為亮度溫度(TL)，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來(lái)改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏?，?dāng)燈絲的亮度與被測(cè)物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測(cè)物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來(lái)改變被測(cè)物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)確定被測(cè)物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四隱絲式光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng) 紅色濾波片，造成一個(gè)較窄的有效波長(zhǎng) 吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程 目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng)電測(cè)系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測(cè)量電路原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色濾波片；5－目鏡；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開(kāi)關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻上一頁(yè)下一頁(yè)返回第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四亮度溫度 為了校正光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低的偏差。定義：當(dāng)被測(cè)物體為非黑體，在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度同絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱為被測(cè)物體在波長(zhǎng)為時(shí)的亮度溫度。左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度上一頁(yè)下一頁(yè)返回第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)維恩公式有對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，并加以整理，得式中，ελT―被測(cè)物體在溫度為，波長(zhǎng)為時(shí)的單色黑度系數(shù)；T―被測(cè)物體的真實(shí)溫度；TL―被測(cè)物體的亮度溫度。已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過(guò)亮度溫度求出物體的真實(shí)溫度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.3光電高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來(lái)完成亮度平衡工作的，其測(cè)量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，當(dāng)被測(cè)溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對(duì)亮度無(wú)法進(jìn)行平衡。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)溫儀表。它采用新型的光電器件，自動(dòng)進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測(cè)量的目的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四主要特點(diǎn)：①采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來(lái)代替人眼的觀察；②采用一參考輻射源與被測(cè)物體進(jìn)行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的亮度自動(dòng)跟蹤被測(cè)物體的輻射亮度，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)即可得到測(cè)量值；③在平衡式測(cè)量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測(cè)量的特性；④設(shè)計(jì)了手動(dòng)值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實(shí)溫度；⑤采用新型光敏元件，測(cè)量范圍寬，約為200～16000C。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理1－物鏡；2－同步信號(hào)發(fā)生器；3－調(diào)制鏡；4－微電機(jī)；5－反光鏡；6－聚光鏡；7－參比燈；8－探測(cè)元件上一頁(yè)下一頁(yè)返回第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)瞄準(zhǔn)光路由物鏡對(duì)0.5m～處被測(cè)物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過(guò)目鏡組可清晰地觀察到被測(cè)物體的瞄準(zhǔn)部位1－調(diào)制鏡；2－微電機(jī)；3－反光鏡；4－可變光闌；5－聚光鏡組；6－參比燈；7-目鏡組8、9-保護(hù)窗；10－物鏡；11-入射光瞳；12-衰減玻璃；13－探測(cè)元件；14-濾光片；15-保護(hù)光闌；16-分劃板；17－透鏡玻璃；18-出射光闌；19-保護(hù)玻璃上一頁(yè)下一頁(yè)返回第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(2)檢測(cè)光路物鏡將被測(cè)物體的輻射能量會(huì)聚，經(jīng)過(guò)衰減玻璃及與物鏡光軸成450角的調(diào)制鏡的反射，進(jìn)入視場(chǎng)光闌孔中，由探測(cè)元件接收。(3)參比光路參比燈輻射的能量經(jīng)聚光燈組會(huì)聚后，通過(guò)可變光闌，由反射鏡反射，再穿過(guò)調(diào)制鏡葉片的空間，進(jìn)入視場(chǎng)光闌孔中，經(jīng)濾波片也由探測(cè)元件接收。 隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)制鏡，對(duì)兩路輻射通量作切換調(diào)制，使其交替被探測(cè)元件接收。 在參比光路中的可變光闌用作黑度系數(shù)的手動(dòng)修正。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四 儀器的工作光譜范圍由光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)元件決定。 量程范圍在400～8000C及以下各量程，采用硫化鉛光敏電阻作探測(cè)元件，并配合鍺濾光片。光譜范圍短限由鍺濾光片確定，長(zhǎng)限由光學(xué)玻璃材質(zhì)的物鏡確定，約在1.8～2.7。峰值由探測(cè)元件確定，約為2.5。 量程范圍600～10000C及以上各量程，采用硅光電池作探測(cè)元件，并配合HB850有色玻璃濾光片。光譜范圍的短限也由濾光片確定，長(zhǎng)限和峰值由探測(cè)元件確定。光譜范圍約在0.8～1.1，峰值約為0.95，均在紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)。 儀器的量程范圍用光學(xué)衰減的方式改變。 各種量程都保持參比燈工作電流在某一固定范圍內(nèi)變化，即在量程上限時(shí)工作電流不超過(guò)250mA。 對(duì)于低溫量程，將參比燈的輻射能量衰減； 對(duì)于高溫量程，則將被測(cè)輻射能量進(jìn)行衰減。 探測(cè)元件為硫化鉛光敏電阻時(shí)，衰減玻璃選用GRB1隔熱玻璃。探測(cè)元件為硅光電池時(shí)，采用LB6綠色玻璃。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6.4.4輻射溫度計(jì)根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。

組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分 可用于測(cè)量400～20000C的高溫，多為現(xiàn)場(chǎng)安裝式結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱為輻射溫度，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌(a):1－云母基片；2－受熱靶面；3－熱電耦絲；4－引出線(b):1-補(bǔ)償片；2-雙金屬片上一頁(yè)下一頁(yè)返回第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光闌；4－座架；5－熱電堆；6－接線柱；7－穿線套；8－蓋；9－目鏡；10－校正片；11－小齒軸上一頁(yè)下一頁(yè)返回第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期四輻射溫度 對(duì)于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射能為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測(cè)出的值稱為輻射溫度。 輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體的