紅外技術(shù)第十一次課

1、 紅外技術(shù)教案 第 13頁 共 13頁第十一次課第四章 探測系統(tǒng)4.3 溫度探測系統(tǒng)紅外測溫儀4.3.1 紅外測溫的基本原理及測溫儀的分類一、紅外測溫的基本原理依據(jù)黑體的輻射規(guī)律，黑體的光譜輻射出射度（即某一波長附近單位波長間隔內(nèi)單位面積向半球空間輻射的功率）由普朗克公式確定，即全輻射出射度（所有波長上的出射度）由斯蒂芬-波爾茲曼定律給出，即上兩式中，為絕對溫度。實(shí)際物體的輻出度只需在上兩式中乘以發(fā)射率即可?？梢姡矬w的輻出度與物體的溫度以及發(fā)射率有關(guān)。只要測出物體的輻出度，在知道物體發(fā)射率的情況下，就可以算出物體的溫度。實(shí)際上溫度的測量都是通過輻射量的測量得到的。測溫儀是按照溫度定標(biāo)的輻射計(jì)

2、。它與輻射計(jì)的工作原理完全相同，在輻射計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度信號處理電路即可構(gòu)成測溫儀。 二、測溫儀的分類 凡是利用輻射原理實(shí)現(xiàn)溫度測量的儀表，統(tǒng)稱為輻射測溫儀。輻射測溫僅的品種繁多，分類方法也不相同。我們這里介紹的分類，是按測溫儀所使用的波段范圍不同而劃分的類別。把利用紅外波段進(jìn)行測溫的儀表，統(tǒng)稱為紅外測溫儀。若儀器只根據(jù)某一個(gè)特征波段上之輻射而定溫，則得到的是物體的亮溫度（）；若儀器根據(jù)兩個(gè)或更多的特征波段上之輻射而定溫，則所得到的是物體的色溫度()，根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而定溫，所得到的是物體的輻射溫度()。絕大多數(shù)的物體都不是黑體，即發(fā)射率，因此測溫儀側(cè)得的輻射能不僅與物體的溫度有關(guān)，

3、還與發(fā)射率有關(guān)。此外物體發(fā)射出的輻射能在到達(dá)探測器的過程中，還有各種因素造成的損失，這樣一來測溫儀接收到的輻射能并不真正是僅由物體輻射溫度決定的輻射能。因此無論是亮溫度、色溫度或者輻射溫度，它們都不是物體表面的真實(shí)溫度，都只是些表觀溫度，即使經(jīng)過大氣傳輸因子等修正之后，它們與物體表面的真實(shí)溫度之間仍存在一定的差異。用輻射測溫儀直接測取真實(shí)溫度目前尚存在很多困難，多數(shù)測溫儀所能測取的溫度依然是亮溫和色溫。根據(jù)所測取的溫度不同，紅外測溫儀可分為以下最基本的兩大類。（一）亮度測溫儀 亮度測溫儀測取的溫度是亮溫度(簡稱亮溫)。亮溫是根據(jù)被測對象在某一波段內(nèi)的輻射亮度來定義的：溫度為的黑體，在某一波段位

4、圍（）內(nèi)的輻射亮度與被測對象在同一波段內(nèi)的輻射亮度相等，即 (41)式中為波段范圍內(nèi)的平均發(fā)射率；為真實(shí)溫度；為亮溫度。被測對象一般看作朗伯體，其輻射出射度與輻射亮度之間僅差一常數(shù)。因此(43)式又可以表示成下式 (42)因此，亮度測溫儀實(shí)際上是通過到量被測物體一段波長范圍內(nèi)輻射亮度或輻射出射度來測溫的。由式(41)和(42)可見，亮溫總是小于真實(shí)溫度，通常要通過修正，來使亮溫接近真實(shí)溫度。全輻射測溫儀是亮度側(cè)溫儀的極端情況，它根據(jù)被測對象在從全部波長范圍的輻射亮度的大小來確定其溫度。在數(shù)學(xué)上它完全遵從斯蒂芬-波爾茲曼四次方定律。測得的輻射溫度可按下式定義 （43）顯然。實(shí)際上由于測溫儀總是具

5、有對波長呈選擇性的元器件，如光學(xué)零件中的透鏡、窗口、濾光片等因此探測器上并不能接收從全部波長的輻射。但這一點(diǎn)并不重要因?yàn)閷σ欢ǖ臏y溫范圍，只要選取一定的波長范圍就可以了。如果所選取的工作波段范圍包含了全部輻射能量的96，根據(jù)開四次方的關(guān)系所形成的測溫誤差也只有1。因此一般的亮度測溫儀都是選取有限的波長范圍，按四次方關(guān)系計(jì)算溫度。 (二)比色測溫儀比色調(diào)溫儀測取的溫度是色溫。色溫是指這樣的黑體溫度，黑體在此溫度下，其窄波段和內(nèi)的輻射亮度之比與被測物體在這兩波段內(nèi)的輻射亮度之比相等，即 （44）也可表示為 （45）式中，和分別是被測物體在和范圍內(nèi)的平均發(fā)射率。比色測溫儀是通過測量物體兩個(gè)(或三個(gè))

6、波段上的輻射亮度并根據(jù)它們的比值來確定其溫度的。它的工作原理與亮度測溫儀截然不同。使用兩個(gè)工作波段的比色測溫儀又稱為雙色測溫儀或二色測溫儀使用三個(gè)工作波段的稱為三色測溫儀。比色測溫儀與亮度測溫儀相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是：1）亮度測溫儀和全輻射測溫儀往往在被測物體的發(fā)射率已知的情況下才能使用而比色測溫儀則不然只要物體的發(fā)射率隨波長的變化相緩慢(一般物體多是這樣)就可以用色溫度來逼近物體表面的真實(shí)溫度。持別是對于灰體，式(45)中的 (常數(shù))，則色溫就準(zhǔn)確地反映了物體的真實(shí)溫度。2)由于亮度測溫儀是通過測量物體的輻射來測溫的，在測量時(shí)輻射功率的部分損失(例如光學(xué)系統(tǒng)效率、被測物體與儀器之間介質(zhì)吸收率的變

7、化等)以及電子線路中放大倍數(shù)的變化等，都直接影響亮溫度和輻射溫度的測量，而上述因素對比色測溫儀的色溫測量則沒有影響，或影響很微弱，這是由于比色測溫儀的溫度測量是取決于輻射功率之比的緣故。4.3.2 對測溫儀的要求一，精度 測溫儀同許多測量儀器一樣其測量精度是重要的技術(shù)指標(biāo)。 對測溫儀而言，精度就是指溫度的測量值對溫度標(biāo)準(zhǔn)值(國際實(shí)用溫標(biāo))的誤差因此精度又常常被稱為允許誤差。測溫儀的測量誤差由溫度靈敏度、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差來決定測溫儀的溫度靈敏度受探測器噪聲的限制(認(rèn)為電子線路的噪聲可以忽略)，噪聲等效溫差(NETD)即為測溫儀的極限靈敏度。噪聲等效溫差的定義為：信噪比等于1時(shí)所對應(yīng)的被測景物與

8、環(huán)境的溫差。根據(jù)NETD的定義可以推導(dǎo)出其表達(dá)式為 （4-6）其中，為在工作波段范圍內(nèi)每單位溫度變化所引起的黑體輻射亮度的變化； 為被探測物體的發(fā)射率；為在范圍內(nèi)大曲平均透過率；為范圍內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)平均透過率；為考慮到光調(diào)制及信號處理過程中光能損失的系數(shù)；為探測器的比探測度；為光學(xué)系統(tǒng)焦距；為測溫儀接收口徑；為電子線路帶寬；為探測器面積。從上式可以看出，測溫儀的靈敏度與目標(biāo)特性（）、大氣傳輸（）、光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)（、）、探測器參數(shù)（、）以及電子線路參數(shù)（）有關(guān)。隨機(jī)誤差是由一些隨機(jī)干擾因素造成的。系統(tǒng)誤差是指由環(huán)境溫度變化，被測物體發(fā)射率變化、探測距離變化等所引起的測量誤差，以及顯示機(jī)構(gòu)誤差的總和?？?/p>

9、以采取不同的方法來補(bǔ)償和校正系統(tǒng)誤差。溫度靈敏度、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的總和決定了測溫儀的測量誤差，即精度。二、距離系數(shù)測溫儀到被測物體的距離與被測物體最小允許直徑之比定義為測溫儀的距離系數(shù)，即 (4-7)式中的是指被測物體在垂直于測溫儀光抽方向投影面積的最小允許直徑。距離系數(shù)是表明探測距離對測量結(jié)果影響的系數(shù)，只有在的范圍內(nèi)，測量結(jié)果與距離無關(guān)。的值可從幾十到幾百。距離系數(shù)大，會給測溫儀的設(shè)計(jì)制作帶來一定的困難。4.3.3 測溫儀的基本工作原理及其組成輻射測溫儀通常是用于對面目標(biāo)(擴(kuò)展源)進(jìn)行測溫，即通過測量目標(biāo)的輻射亮度進(jìn)行測溫。若輻射測溫儀用于對點(diǎn)源目標(biāo)測溫則探測距離會對測量結(jié)果帶來影響，

10、因而要根據(jù)不同的探測距離對測量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦拚?測溫儀由以下四大部分組成，即光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理電路和顯示機(jī)構(gòu)。下面結(jié)合各組成部分來說明測溫儀的基本工作原理。 光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)的輻射能并將它聚焦在探測器上(探測器置于光學(xué)系統(tǒng)的像平面上)。它可以是透射式、反射式或折反式的光學(xué)系統(tǒng)。為了消除探測距離對測溫的影響，使被測目標(biāo)始終充滿光學(xué)系統(tǒng)的視場，對于被測目標(biāo)較小、探測距離又是變化的情況下，測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)通常是可調(diào)焦式的。探測器類型的選擇與測溫儀的工作波段有關(guān)。選擇工作波段的原則是：在所選工作波段內(nèi)目標(biāo)輻射功率大、發(fā)射率較高、大氣吸收小、有合適的高靈敏度的探測器等。一般用于高溫測量（80

11、0以上）時(shí)，選擇波長短、光譜帶寬很窄的波段范圍，這就是亮度測溫儀，低于800的目標(biāo)，則選波長較長，光譜帶寬很寬的工作波段，通常稱寬波段的測溫儀為部分輻射測溫儀。亮度測溫儀可選擇光電探測器；部分輻射測溫儀和全輻射測溫儀可采用熱電探測器或光電探測器。在探測器的前面放置調(diào)制盤或調(diào)制片，通過它的轉(zhuǎn)動或擺動對輻射起斬光作用。這樣從深測器輸出的將是交變電壓信號，這個(gè)電信正比于目標(biāo)輻射與調(diào)制片輻射之差。信號處理電路對來自探測器的目標(biāo)溫度信號進(jìn)一步放大、變換和校正。部分輻射測溫儀的電路組成方塊圖如下圖所示。其中前置放大器和主放大器作用是對目標(biāo)信號進(jìn)一步放大。帶通濾波器對目標(biāo)信進(jìn)行選頻放大，并濾除十?dāng)_噪聲。目標(biāo)

12、信號經(jīng)移相后運(yùn)入相敏檢波器。由一個(gè)多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號，分別帶動振子和作為相敏恢波器的基準(zhǔn)信號，則基準(zhǔn)信號與目標(biāo)信號同頻率?；鶞?zhǔn)信號對相敏檢波器起開關(guān)作用，相敏檢波器對目標(biāo)信號進(jìn)行同步檢波，使相敏檢波器輸出的直流信號最大。積分器把系統(tǒng)帶寬進(jìn)一步壓縮，削弱了附加噪聲和干擾的影響，由積分器輸出的直流電壓正比于目標(biāo)輻射和調(diào)制片輻射之差。調(diào)制片的輻射即為環(huán)境況度的輻射，在調(diào)制片附近放一個(gè)環(huán)境溫度敏感元件用于檢測環(huán)境溫度，得到的電信號經(jīng)直流放大器進(jìn)一步放大后，作為環(huán)境溫度補(bǔ)償電壓輸入加法器中與積分輸出電壓相加，此時(shí)由加法器輸出的直流電壓就正比于目標(biāo)輻射。此電壓與目標(biāo)溫度成指數(shù)關(guān)系，用這一電壓來指示目標(biāo)

13、溫度，表頭是不均勻刻度，這對儀器的分檔和讀數(shù)帶來不便，還會產(chǎn)生較大約測量誤差，同時(shí)也不能配合數(shù)字式儀表進(jìn)行顯示，為此線性化電路使加法器輸出的電壓線性化。由線性化電路輸出的線性化信號就可以送入顯示機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度顯示。顯示機(jī)構(gòu)用來指示目標(biāo)溫度，線性化的信號可直接送入表頭進(jìn)行顯示，也可用直流數(shù)字儀表進(jìn)行顯示，后者的顯示精度高于前者。以上所述為亮度測溫儀與部分輻射測溫儀的基本工作原理。雙色測溫儀的工作原理與亮度測溫儀和部分輻射測溫儀不同。下圖為不同溫度下黑體的光譜輻出度曲線，從中可以看出，兩個(gè)窄波段和內(nèi)的黑體輻射功率的比值隨溫度不同而不同，因此不同的比值就代表被測物體的不同的溫度。根據(jù)這一原理，雙色測溫

14、儀要分別接收兩個(gè)窄波段和處的目標(biāo)輻射功率，這一點(diǎn)和兩臺窄波段部分輻射測溫儀相同。由兩個(gè)波段輻射功率產(chǎn)生的輸出信號，通過電路系統(tǒng)取它們的比值，這個(gè)比值即表示了被測目際的溫度。下圖為雙色測溫儀組成原理方塊圖。為了分別測出和波段的輻射功率，設(shè)置調(diào)制盤花紋如圖，黑色表示不透光部分，外圍的白色為透光部分，內(nèi)圈的白色和斜線分別表示透射和波段的濾光片。調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)，使目標(biāo)輻射中的波段和波段交替射入探測器。調(diào)制盤外圍花紋通過光電方法產(chǎn)生方波基準(zhǔn)信號，這個(gè)基準(zhǔn)信號與探測器輸出的對應(yīng)和的雙色信號，同步，波形圖如下。利用同步信號把雙色信號分離成對應(yīng)和的兩路信號和，對它們分別進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償后，在除法器中求出它們的比值

15、，比值與溫度的關(guān)系不是線性的，通過一非線性放大器(如折線放大器)變成線性關(guān)系即可送入顯示機(jī)構(gòu)顯示目標(biāo)溫度。4.3.4 影響測量誤差的因素及其補(bǔ)償方法一、環(huán)境溫度變化的影響及其補(bǔ)償方法（一）、環(huán)境溫度變化對測量誤差的影響探測器接收到的能量可表示為 （48）式中，為與目標(biāo)特性、大氣傳輸特性、光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、探測器參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，為目標(biāo)溫度，為環(huán)境溫度，也就是調(diào)制片溫度。探測器輸出電壓為 （49）式中，為探測器響應(yīng)度。可見，若響應(yīng)度為常數(shù)，則探測器的輸出不僅與目標(biāo)溫度有關(guān)，也與環(huán)境溫度有關(guān)，即使目標(biāo)溫度不變，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，探測器輸出也是變化的，不能用此時(shí)的探測器輸出表示目標(biāo)溫度。為了消除上述測量誤

16、差，通常采用電氣補(bǔ)償法，即外加一個(gè)電信號（與背景溫度有關(guān)），抵消背景溫度對探測器輸出的影響，參見部分輻射測溫儀方塊圖，由環(huán)境溫度敏感元件感受環(huán)境溫度，得到的電信號經(jīng)放大器放大后作為補(bǔ)償電壓加入加法器中。設(shè)放大器和相敏檢波電了的總增益為，則由相敏檢波器輸出的電壓為 （410）若補(bǔ)償電壓為則補(bǔ)償后的電壓為 （411）僅與目標(biāo)溫度有關(guān)，與環(huán)境溫度無關(guān)，從而消除了環(huán)境溫度的影響。 (二)探測器響應(yīng)率隨環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響及補(bǔ)償方法 大多數(shù)探測器的響應(yīng)率都隨環(huán)境溫度變化而變化，如熱敏電阻，升高時(shí)，降低，具有負(fù)溫度系數(shù)。如果放大器的增益不變，則式410)中的值就要隨而變化，使值也隨而變化，產(chǎn)生測量

17、誤差。補(bǔ)償方法可采用在隨變化的同時(shí)，使放大器總增益也隨而變化，結(jié)果使總的乘積不變，則不變，使消除了對影響而帶來的測量誤差。參見部分輻射測溫儀方塊圖，在主放大器的反饋回路中，接入一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻使放大器的增益隨的升高而升高，即保證了響應(yīng)率與增益的乘積不變，這樣經(jīng)放大器放大后的信號就和響應(yīng)率隨環(huán)境溫度的變化無關(guān)了。這種方法不減小信噪比，溫度補(bǔ)償范圍也寬。二、發(fā)射率的影響及校正由式(48)可知，式中的值與目標(biāo)發(fā)射率有關(guān)，因此不同直接影響的值，影響到測量誤差。校正時(shí)取l(黑體)為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)減小時(shí)，使放大器增益變大，即應(yīng)使發(fā)射率與放大器增益保持不變，從而使放大后的信號保持不變。部分輻射測溫儀方塊圖

18、所示的測溫儀是在主放大器的反饋回路中，設(shè)置丁一組可變電阻這些可變電阻的值分別對應(yīng)不同的值，接入不同的電阻值放大器有不同的放大倍數(shù)，由測溫儀面板上的旋鈕調(diào)節(jié)。測量時(shí)，按被測目標(biāo)查附表，找到相對應(yīng)的發(fā)射率值，然后按發(fā)射率值把旋鈕調(diào)到對應(yīng)的刻度上。這樣測量結(jié)果就和測量同溫度的黑體時(shí)結(jié)果一致了。 三、探測距離的影響及校正方法如下圖，當(dāng)目標(biāo)直徑、探測器直徑、距離、焦距四者之間滿足關(guān)系式時(shí)，目標(biāo)的像恰好蓋滿探測器的面積，則光學(xué)系統(tǒng)所接收的能量全部落到探測器上。設(shè)目標(biāo)輻射亮度是均勻的，則當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)接收的能量不變，測量結(jié)果和距離無關(guān)。在這種情況下，我們把定義為距離系數(shù)。當(dāng)不變，若，則接收能量發(fā)生變化，產(chǎn)生測量誤差?？梢?，距離系數(shù)表明在滿足