第三章 熱輻射的基本規(guī)律

1、 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用1第三章 熱輻射的基本規(guī)律 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用2 教學(xué)目的：教學(xué)目的：在紅外物理（技術(shù)）及其應(yīng)用的科學(xué)實踐和工在紅外物理（技術(shù)）及其應(yīng)用的科學(xué)實踐和工程設(shè)計中，經(jīng)常會遇到各種形式的輻射源發(fā)出輻射的問題程設(shè)計中，經(jīng)常會遇到各種形式的輻射源發(fā)出輻射的問題和測量問題，解決這些問題依據(jù)的就是本章所學(xué)習(xí)的幾個和測量問題，解決這些問題依據(jù)的就是本章所學(xué)習(xí)的幾個基本定律。本章要學(xué)習(xí)的基本規(guī)律有基爾霍夫定律、普朗基本定律。本章要學(xué)習(xí)的基本規(guī)律有基爾霍夫定律、普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩克公式、維恩位移定律、斯特藩- -玻耳茲曼定律的基本概玻耳茲曼定律的基本概念、定義

2、及計算。念、定義及計算。 學(xué)時分配學(xué)時分配：8 8 重點、難點：重點、難點：普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩- -玻耳玻耳茲曼定律的基本概念及計算。茲曼定律的基本概念及計算。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用3引言引言熱輻射紅外輻射 概念：概念：物體以自身溫度而向外發(fā)射能量稱熱輻射，亦稱 溫度輻射。 在光學(xué)范疇內(nèi)，在可見光范圍內(nèi)的輻射一般稱為發(fā)光，在紅外部分通常稱為輻射。 紅外輻射的發(fā)射和接收是都熱交換。紅外技術(shù)的應(yīng)用都是基于熱交換的。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用4發(fā)光分三種發(fā)光分三種 光致發(fā)光（泵浦）光致發(fā)光（泵浦） 電致發(fā)光電致發(fā)光 化學(xué)發(fā)光（鬼火）化學(xué)發(fā)光（

3、鬼火） 放電放電 激發(fā)激發(fā)輝光放電輝光放電 弧光放電弧光放電 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用5 普雷夫定則：普雷夫定則：在單位時間內(nèi)，如果兩個物體吸收的能量不同，則它們發(fā)射的能量也不同。即在單位時間內(nèi)，一個物體發(fā)出的能量等于它吸收的能量。 普雷夫定則小實驗普雷夫定則小實驗 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用63-1 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 發(fā)射本領(lǐng)：即物體的輻射出射度M，通常寫成MT，因為M=f（、T） 吸收本領(lǐng)：即物體的吸收比，也與波長和溫度有關(guān)，故寫成T 。 二者之間關(guān)系（稱為基爾霍夫定律） 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用7 如果有三個物體，則 即所有的物體，它們的發(fā)射本領(lǐng)與發(fā)射本領(lǐng)之比都是相同的

4、一個常數(shù)（在相同溫度、相同波長條件下）。 式中 MbT黑體的輻射出射度。 bT黑體的吸收比， bT = 1 （黑體的定義）CMMMT3T3T2T2T1T1TbTbTbTbM1MMC 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用8 基爾霍夫定律的描述： 在給定溫度下，對某一波長來說，物體的吸收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)的比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對于一切物體都是恒量。即MT/T對所有物體都是一個普適函數(shù)（即黑體的發(fā)射本領(lǐng)），而MT和T兩者中的每一個都隨著物體而不同。 “發(fā)射大的物體必吸收大”，或“善于發(fā)射的物體必善于接收”，反之亦然。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用9關(guān)于基爾霍夫定律的說明： 1基爾霍夫定律是平衡輻射定律，與

5、物質(zhì)本身的性質(zhì)無關(guān)，（當(dāng)然對黑體也適用）； 2吸收和輻射的多少應(yīng)在同一溫度下比較，（溫度不同時就沒有意義了）； 3任何強(qiáng)烈的吸收必發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，無論吸收是由物體表面性質(zhì)決定的，還是由系統(tǒng)的構(gòu)造決定的； 4基爾霍夫定律所描述的輻射與波長有關(guān)，不與人眼的視覺特性和光度量有關(guān)； 5基爾霍夫定律只適用于溫度輻射，對其它發(fā)光不成立。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用103-2 黑體及其輻射定律黑體及其輻射定律黑體是一個抽象的概念，可以從幾個方面認(rèn)識： 1、（理論上講）=1的物體。全吸收，沒有反射和透射。 2、（結(jié)構(gòu)上講）封閉的等溫空腔內(nèi)的輻射是黑體輻射。 3、（從應(yīng)用角度）如果把等溫封閉空腔開一個小孔，則

6、從小孔發(fā)出的輻射能夠逼真地模擬黑體輻射。這種裝置稱為黑體爐。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用11黑體的應(yīng)用價值（實用意義）： 1.標(biāo)定各類輻射探測器的響應(yīng)度； 2.標(biāo)定其他輻射源的輻射強(qiáng)度； 3.測定紅外光學(xué)系統(tǒng)的透射比； 4.研究各種物質(zhì)表面的熱輻射特性； 5.研究大氣或其他物質(zhì)對輻射的吸收或透射特性。主要做光源（輻射源） 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用12 普朗克公式： M b黑體的光譜輻射出射度 c 真空光速 c1 第一輻射常數(shù) c1=2hc2=3.741810-16Wm2 c2 第二輻射常數(shù) c2=hc/k=0.014388mK h 普朗克常數(shù) 6.62617610-34Js k 波爾茲曼

7、常數(shù) 1.3810-23J/K11/512TcbecM 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用13 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用14 曲線的說明（黑體的輻射特性）： M b隨波長連續(xù)變化。對應(yīng)某一個溫度就有固定的一條曲線。（一旦溫度確定，則M b在某波長處有唯一的固定值） 溫度越高，M b越大。（全輻射出射度Mb是曲線下面積） 隨著溫度T的升高，M b的峰值波長向短波方向移動。（T再高就可見了） 黑體的輻射特性只與其溫度有關(guān)，與其它參數(shù)無關(guān)。 黑體輻射亮度與觀察角度無關(guān)。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用15普朗克公式在以下兩種極限條件下的情況： （1）當(dāng)c2/（T）1時，即hc/KBT，此時對應(yīng)短波或低溫

8、情形，普朗克公式中的指數(shù)項遠(yuǎn)大于1，故可以把分母中的1忽略，這時普朗克公式變?yōu)?這就是維恩公式，它僅適用于黑體輻射的短波部分 TcbecM251 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用16 （2）當(dāng)c2/（T）1時，即hc/KBT，此時對應(yīng)長波或高溫情形，可將普朗克公式中的指數(shù)項展成級數(shù)，并取前兩項 這時普朗克公式變?yōu)?這就是瑞利普金公式，它僅適用于黑體輻射的長波部分。 )(122TceTc421TccMb 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用17瑞利金斯公式和經(jīng)典輻射模型的困難 兩種近似式在不同T值時的計算誤差 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用18維恩位移定律維恩位移定律 令x = c2/T X何值時M最大，應(yīng)

9、).(11/512TfecMTcb1)(55251xexcTcxM0 xM2545251) 1() 1(5xxxeexexcTcxM 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用19若上式為零 須 解此方程 x = 4.9651142 即：c2/T = 4.9651142 T = 2898 (mK) 此乃維恩位移定律，其中的即某溫度T時黑體輻射出射度 Mb的峰值波長m，通常寫為 xxexex54)1(5=0 Tbm 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用20維恩（wien）最大發(fā)射本領(lǐng)定律： 描述黑體光譜輻射出射度的峰值與溫度關(guān)系的公式。 將維恩位移定律代入普朗克公式 其中 B = 1.286710-11Wm-2m-1

10、K-5 （另書 1.286673210-5 Wm-3K-5 ）5/51112BTecMTcmbmm 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用21意義： 1、只先知一個溫度T，便知最大M 所在處的波長及M 值。 2、M 數(shù)值隨溫度升高很快。（M bm峰值升高，曲線下面積增大，M 也大） 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用22四、斯特番波爾茲曼定律描述黑體全輻射出射度與溫度關(guān)系的公式。 令 x = c2/T 則 = c2/xT d=-(c2/x2T)dx (積分限:0,則x:0) decdMMTcbb1/510) 1(/2 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用23 因為 所以 013442101434212210)/(52

11、1) 1() 1()() 1()/(22dxexTccdxeTxccdxTxcexTccMxxTxTccb043151dxexx043151dxexx 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用24接上式 令 則 此公式為斯特番波爾茲曼定律 其中 = 5.6703210-8Wm-2K-4 4442115TccMb154421cc4TMb 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用253-3 黑體輻射的計算黑體輻射的計算f(T)表 稱為相對光譜輻射出射度函數(shù)表，是某溫度下、某波長上的輻射出射度M和該溫度下峰值波長處的輻射出射度Mm之比。 即 根據(jù)普朗克公式 ()mMfTM11/512TcbecM 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)

12、用26根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律 所以 知道一個T值，就對應(yīng)一個f(T)值，即知道一個溫度T，則在某波長處的輻射出射度M為 這樣即可查表得到M，而不用普朗克公式計算了。 5/51112BTecMTcmbmm1111)(/5515/5122TcTceTBcBTecMMTfm5)()(BTTfMTfMm 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用27由斯特番-波爾茲曼定律 則 可得到從0到某波長的輻射出射度 M0=F（T）T4 則某一波段（12）之間的輻射出射度為 M1-2 =M0-2-M0-1 = F（2T）-F（1T） T440TMTcTceTcdTcMMTF/232400221)()(15)( 紅外技術(shù)及應(yīng)

13、用紅外技術(shù)及應(yīng)用28 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用29f（T）和F（1T）函數(shù)的規(guī)劃值，（即歸一化，以最大值的地方為1，其它地方相對減?。?紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用30計算舉例例.已知黑體溫度 T = 1000K，求：其峰值波長、光譜輻射度峰值、在=4m處的光譜輻射出射度、某一波段的輻射出射度。 1.峰值波長 根據(jù)維恩位移定律 2.光譜輻射度峰值 根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律 mKKmTbm898. 2100028981245115102867. 1)1000(102867. 1mmWBTMm 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用313.在=4m處的光譜輻射出射度 4.在=35m波段內(nèi)的輻射出射度 1

14、24454100297. 1102867. 1)10004()()(mmWfBTTfMTfMMmm244453100441. 2)2732263372. 0()10003 ()10005 (mWTTFFMm 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用32 例例2 已知人體的溫度T=310K（假定人體的皮膚是黑體），求其輻射特性 1.其峰值波長為 2.全輻射出射度為mTm4 . 93102898289822484/102 . 53101067. 5mWTM 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用333.處于紫外區(qū)，波長（00.4m）的輻射出射度為 4、處于可見光區(qū)，波長（0.40.75m）的波長輻射出射度為 5、處于紅

15、外區(qū)，波長（0.75）的輻射出射度為 04.00M0.40.750MMM75. 0 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用34 例例3 如太陽的溫度T=6000K并認(rèn)為是黑體，求其輻射特性 1.其峰值波長為 2、全輻射出射度為 3、紫外區(qū)的輻射出射度為 mm48.06000289827484/103 . 760001067. 5mWTMMM14. 04 . 00 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用354、可見光區(qū)的輻射出射度為 5、紅外區(qū)的輻射出射度為 MM42. 075. 04 . 0MM44.075.0 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用363.5 發(fā)射率和實際物體的輻射發(fā)射率和實際物體的輻射1半球發(fā)射率 輻射

16、體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比稱為半球發(fā)射率，分為全量和光譜量兩種。 半球全發(fā)射率定義為 式中，M（T）是實際物體在溫度T時的全輻射出射度，Mb(T)是黑體在相同溫度下的全輻射出射度。 )()(TMTMbh 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用37 半球光譜發(fā)射率定義為 式中，M(T)是實際物體在溫度T時的光譜輻射出射度，Mb(T)是黑體在相同溫度下的光譜輻射出射度。 由以上式子可以得到任意物體在溫度T時的半球光譜發(fā)射率為 )()(TMTMbh)()(TTh 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用38 可見，任何物體的半球光譜發(fā)射率與該物體在同溫度下的光譜吸收率相等。同理可得出物體的半球全發(fā)射率與

17、該物體在同溫度下的全吸收率相等，即 以上兩個式子是基爾霍夫定律 又一表示形式，即物體吸收輻射的本領(lǐng)大，其發(fā)射輻射的本領(lǐng)也越大。 )()(TTh 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用392. 方向發(fā)射率 方向發(fā)射率，也叫做角比輻射率或定向發(fā)射本領(lǐng)。它是在與輻射表面法線成角的小立體角內(nèi)測量的發(fā)射率。角為零的特殊情況叫做法向發(fā)射率n。n也分為全量和光譜量兩種。 方向全發(fā)射率定義為 bLL)( 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用40式中，L和Lb分別是實際物體和黑體在相同溫度下的輻射亮度。因為L一般與方向有關(guān)，所以()也與方向有關(guān)。 方向光譜發(fā)射率定義為 ( )bLL 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用41物體發(fā)射率的一

18、般變化規(guī)律如下： （1）對于朗伯輻射體，三種發(fā)射率n，() 和h彼此相等。 對于電絕緣體，h/n在0.951.05之間，其平均值為0.98，對這種材料，在角不超過65或70時，()與n仍然相等。 對于導(dǎo)電體，h/n在1.051.33之間，對大多數(shù)磨光金屬，其平均值為1.20，即半球發(fā)射率比法向發(fā)射率約大20%，當(dāng)角超過45時，()與n差別明顯。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用42（2）金屬的發(fā)射率是較低的，但它隨溫度的升高而增高，并且當(dāng)表面形成氧化層時，可以成10倍或更大倍數(shù)地增高。 （3）非金屬的發(fā)射率要高些，一般大于0.8，并隨溫度的增加而降低。 （4）金屬及其他非透明材料的輻射，發(fā)生在表面

19、幾微米內(nèi)，因此發(fā)射率是表面狀態(tài)的函數(shù)，而與尺寸無關(guān)。據(jù)此，涂敷或刷漆的表面發(fā)射率是涂層本身的特性，而不是基層表面的特性。對于同一種材料，由于樣品表面條件的不同，因此測得的發(fā)射率值會有差別。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用43(5)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長變化而變化，如圖3-4所示。在紅外區(qū)域，大多數(shù)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長的增加而降低。 例如，白漆和涂料TiO2等在可見光區(qū)有較低的發(fā)射率，但當(dāng)波長超過3m時，幾乎相當(dāng)于黑體。用它們覆蓋的物體在太陽光下溫度相對較低，這是因為它不僅反射了部分太陽光，而且?guī)缀跸窈隗w一樣的重新輻射所吸收的能量。 鋁板在直接太陽光照射下，相對溫度較高，這是由于它在10m附近有

20、相當(dāng)?shù)偷陌l(fā)射率，因此不能有效地輻射所吸收的能量。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用44 各種材料的光譜發(fā)射率 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用453.6 輻射對比度和輻射測溫輻射對比度和輻射測溫3.6.1 輻射對比度 輻射對比度定義為目標(biāo)和背景輻射出射度之差與背景輻射出射度之比，即 式中， 為目標(biāo)在12波 間隔的輻射出射度， 為背 在12波長間隔的輻射出射度。 TBBMMCMdTMMTT)(21dTMMBB)(21 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用46 能否通過選擇合適的系統(tǒng)光譜通帶來獲得最大的輻射對比度。 計算波長從0全波帶的對比度 然后可算出 C3.5 5m=0.413，C814m=0.159可以看出

21、，三種情況的對比度都較差，且寬帶的對比度比窄帶的更差。 4304TTTMTTMMMMMMCBBT133. 03001044TT 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用47在表征熱成像系統(tǒng)的性能時，常把光譜輻射出射度與溫度的微分叫做熱導(dǎo)數(shù)。因為在 的情況下，普朗克公式的熱導(dǎo)數(shù)為 所以，輻射出射度與溫度的微分關(guān)系為 1)(2Tce222)(22)(51)(51) 1(11222TcMeTcececTTMTcTcTcdTcMdTMTM22212121 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用48因為對比度對溫度的變化率與相對應(yīng)，所以為求得對比度，只要求得 即可 采用推導(dǎo)維恩位移定律的方法求得光譜輻射出射度變化率的峰值波長

22、c與絕對溫度T的關(guān)系為 TM21TM21mTc2411 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用49 關(guān)系曲線 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用50 由于輻射的峰值波長m滿足mT=2898（mK），因此最大對比度的波長c與輻射峰值波長m的關(guān)系滿足 300K是通常地面背景的溫度。其c近似為8m，所以，在不考慮其他因素的情況下，熱像儀觀察地面目標(biāo)時，采用814m波段最為理想。 mmc832. 028982411 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用51 3.6.2 輻射測溫 1.輻射溫度 設(shè)有一物體的真實溫度為T，發(fā)射率為(T)，輻射出射度為M(T)。當(dāng)該物體的輻射出射度與某一溫度的黑體輻射出射度相等時，這個黑體的溫度就

23、叫做該物體的輻射溫度T。由 )()(TMTMb 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用52即 得 對于物體溫度與周圍環(huán)境物體溫度相近的場合，考慮物體的反射環(huán)境輻射帶來的影響是很有必要的，否則求得的真實溫度T將是不正確的。44)(TTT4)(TTT 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用532. 亮溫度 設(shè)有一個物體的真實溫度為T，光譜發(fā)射率為(T)，光譜輻射亮度為L(T)。當(dāng)該物體的光譜輻射亮度與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度相等時，這個黑體的溫度就叫該物體的亮溫度Tl。這時有 )()(lbTLTL 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用54 而 通常物體的亮溫度用光學(xué)高溫計測量，對應(yīng)的波長是0.66m。用維恩近似簡化處理，

24、得 1)(exp(1)()(251TccTTL1)(exp(1)(251llbTccTL22)(lncTTTcTll 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用553. 色溫度 設(shè)有一個物體的真實溫度為T，在波長1和2處的光譜發(fā)射率分別為1(T) 和2(T) ，光譜輻射亮度分別L1(T)和L2(T) 。當(dāng)該物體在這兩個波長處的光譜輻射亮度與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度相等時，這個黑體的溫度就叫做該物體的色溫度Ts（簡稱色溫）。一般所選波長為1=0.47m、2=0.66m，分別用維恩近似表示，由定義有 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用56 將上面兩式化簡并取對數(shù)解出T，得 ssTccTccTccTcc225212

25、25211251112511expexpexpexp21)11 ()()(ln1121221cTTTTs 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用57 比色測溫儀是通過測量物體兩個（或三個）波段上的輻射亮度的比值來確定其溫度的。 亮溫測溫儀相比，突出的優(yōu)點是：（1）亮溫測溫儀和全光譜測溫儀（輻射溫度測溫儀）往往在被測物體的(T)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對緩慢（一般物體多是這樣），就可以用色溫度來測得接近物體表面的真實溫度。特別是對于灰體，色溫Ts就準(zhǔn)確地反映了物體的真實溫度T。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用58（2）由于亮度測溫儀是通過測量物體的輻射來測溫的

26、，因此在測量時，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弱。這是因為比色測溫儀的溫度測量是取決于輻射功率之比的緣故。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用59溫度檢測技術(shù)溫度檢測技術(shù)1 溫度與標(biāo)定2 測溫方法分類及其特點3 熱膨脹式測溫方法4 熱阻式測溫方法5 熱電式測溫方法6 輻射法測溫7 新型溫度傳感器及其測溫技術(shù) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用60前言前言溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)；

27、從熱平衡的觀點看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運動劇烈程度的標(biāo)志；溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用611 溫標(biāo)與標(biāo)定溫標(biāo)與標(biāo)定11 溫標(biāo)溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)絕對氣體溫標(biāo)絕對氣體溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)和國際溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)和國際溫標(biāo)1. 2 標(biāo)定標(biāo)定 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用62溫標(biāo)溫標(biāo)為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強(qiáng)度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量來對溫度進(jìn)行間接測量。溫標(biāo)的發(fā)展過程：經(jīng)驗溫標(biāo) 理想熱力學(xué)溫標(biāo)和絕對氣體溫標(biāo) 國際實用溫標(biāo)

28、紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用63經(jīng)驗溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)華氏溫標(biāo) 1714年德國人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計。 按照華氏溫標(biāo)，則水的冰點為32 ，沸點為212 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用64經(jīng)驗溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點規(guī)定為0度，水的沸點規(guī)定為100度。 攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為 T = t + 32 (1)式中 T華氏溫度值; t攝氏溫度值。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用65熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)是由開爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnot cycle)為

29、基礎(chǔ)。熱力學(xué)溫標(biāo)是國際單位制中七個基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時對應(yīng)的溫度絕對零度與水的三相點溫度分為27316份，每份為1 K (Kelvin) 。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用66絕對氣體溫標(biāo)絕對氣體溫標(biāo)從理想氣體狀態(tài)方程入手，來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對氣體溫標(biāo)。由波義耳定律： PV=RT (6-2)式中 P一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)； V該氣體的體積； R普適常數(shù)； T熱力學(xué)溫度。 當(dāng)氣體的體積為恒定(定容)時，其壓強(qiáng)就是溫度的單值函數(shù)。這樣就有： T2/T1=P2/P1 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用67國際實用溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)指導(dǎo)思想：盡可能地接近

30、熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便；第一個國際溫標(biāo)是1927年第七屆國際計量大會決定采用的國際實用溫標(biāo)，后經(jīng)多次修訂，形成了普遍采用的國際實用溫標(biāo)IPTS一68 ；1989年7月第77屆國際計量委員會批準(zhǔn)建立了新的國際溫標(biāo)，簡稱ITS一90。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用68ITS一90基本內(nèi)容為：l 重申國際實用溫標(biāo)單位仍為K；l 國際攝氏溫度和國際實用溫度關(guān)系為：l 把整個溫標(biāo)分成4個溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下： 0.655.0K，用3He和4He蒸汽溫度計； 3.024.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計； 13.803K961.78，用鉑電阻溫度計； 96

31、1.78以上，用光學(xué)或光電高溫計；l 新確認(rèn)和規(guī)定17個固定點溫度值以及借助依據(jù)這些固定點和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器來實現(xiàn)整個熱力學(xué)溫標(biāo)。9090273.15tT 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用69 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用702 測溫方法分類及其特點測溫方法分類及其特點根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。l接觸式溫度測量l非接觸式溫度測量 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用71接觸式溫度測量接觸式溫度測量測溫精度相對較高，直觀可靠及測溫儀表價格相對較低；由于感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會增加測溫誤差；被測介質(zhì)具有腐

32、蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用72非接觸式溫度測量非接觸式溫度測量感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實現(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度;非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設(shè)計得很高，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用73接觸式與非接觸式測溫特點比較方 式 接 觸 式 非 接 觸 式 測量 條件 感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕 需準(zhǔn)確知道被測對象表

33、面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分照射到檢測元件上 測量 范圍 特別適合1200以下、熱容大、無腐蝕性 對象的連續(xù)在線測溫，對高于l 300以上 的溫度測量較困難 原理上測量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000以下，測量誤差大，能測運動物 體和熱容小的物體溫度 精 度 工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級，實驗室用表可達(dá)0.01級 通常為1.0、1.5、2.5級 響應(yīng) 速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘 快，通常為23秒鐘 其它 特點 整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維 護(hù)方便、價格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被 測物體實際溫度；可方便地組成多路集中 測量與控制系統(tǒng) 整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大

34、、調(diào)整麻煩、價格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用74各類溫度檢測方法構(gòu)成的測溫儀表的大體測溫范圍 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用753 熱膨脹式測溫方法熱膨脹式測溫方法3.1.玻璃溫度計3.2壓力溫度計3.3雙金屬溫度計 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用76玻璃溫度計玻璃溫度計玻璃液體溫度計簡稱玻璃溫度計，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計最常用的液體，其凝固點為-38.9、測溫上限為538。玻璃溫度計特點：結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，價格低廉，測溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場直接讀數(shù)，一般無需能源，易破損，測溫值

35、難自動遠(yuǎn)傳記錄。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用77玻璃溫度計的分類：l全浸式：測溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。l局浸式：讀數(shù)容易，但測量誤差較大，即使采取修正措施其誤差比全浸式仍要大好幾倍或更多。V形工業(yè)玻璃溫度計形工業(yè)玻璃溫度計 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用78壓力溫度計壓力溫度計壓力溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)其測溫功能的。壓力溫度計的典型結(jié)構(gòu)示意圖 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用79這類壓力溫度計其毛細(xì)管細(xì)而長(規(guī)格為160m)它的作用主要是傳遞壓力，長度愈長，則使溫度計響應(yīng)愈慢，在長度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈

36、高。壓力溫度計和玻璃溫度計相比，具有強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準(zhǔn)確度較低、耐腐蝕性較差等特點。 電接點壓力式溫度計電接點壓力式溫度計 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用80雙金屬溫度計雙金屬溫度計固體長度隨溫度變化的情況可用下式表示：基于固體受熱膨脹原理，測量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件當(dāng)溫度變化時，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形。下圖是雙金屬溫度計原理圖：10101LLk tt 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用81雙金屬溫度計原理圖 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用82雙金屬溫度計的感溫雙

37、金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測溫范圍大致為-80600，精度等級通常為1.5級左右。雙金屬溫度計抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的工業(yè)用儀表。 雙金屬溫度計 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用834熱阻式測溫方法熱阻式測溫方法4.1鉑電阻測溫4.2銅電阻和熱敏電阻測溫 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用84基于熱電阻原理測溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而達(dá)到測溫的目的。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠(yuǎn)傳

38、、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點是需要電源激勵、有（會影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用85鉑電阻測溫鉑電阻測溫概述l 鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻溫度關(guān)系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。l 目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。 當(dāng) 時 當(dāng)時 2000t 0850t 2301100R tRAtBtCtt 201R tRAtBt 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用86銅電阻和熱敏電阻測溫銅電

39、阻和熱敏電阻測溫銅電阻 銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40120。其電阻值與溫度的關(guān)系為： 當(dāng)時50150t 2301R tRAtBtCt 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用87銅電阻 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用88半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 熱敏電阻的優(yōu)點： 靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大12個數(shù)量級； 很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響； 體積??；

40、熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合； 結(jié)構(gòu)簡單、堅固，能承受較大的沖擊、振動。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用89熱敏電阻的主要缺點： 阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重； 元件的一致性差，互換性差； 元件易老化，穩(wěn)定性較差； 除特殊高溫?zé)崦綦娮柰猓^大多數(shù)熱敏電阻僅適合0150范圍，使用時必須注意。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用90熱敏電阻圖示： 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用915熱電式測溫方法熱電式測溫方法5.1熱電偶測溫5.2集成溫度傳感器AD590 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用92熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個接點

41、處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢，由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克（Seeback）首先發(fā)現(xiàn)提出，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖所示）。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用93熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由兩種電勢組成：溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點接觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在熱電極接點處便產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢差。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用94熱電偶兩熱電極分別叫 A（為正極）和B（為負(fù)極），兩端溫度分別為 ，且 ；則熱電偶回路總電勢為： 0TT、0TT 00

42、00ABABABABETTETETETTETT， 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用95工業(yè)用熱電偶測溫范圍 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用96集成溫度傳感器集成溫度傳感器AD590利用晶體管P-N結(jié)其正向壓降隨溫度升高而降低的特性，可把晶體 管 P - N 結(jié) 作 為 -50150范圍的感溫元件用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，美國AD公司于70年代末率先推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。半導(dǎo)體AD590 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用976 輻射法測溫輻射法測溫6.1輻射測溫的基本原理6.2光譜輻射溫度計6.3比色高溫計6.4紅外測溫6.5 紅外成像測溫儀 紅外技術(shù)及應(yīng)

43、用紅外技術(shù)及應(yīng)用98任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。輻射式溫度計的感溫元件不需和被測物體或被測介質(zhì)直接接觸。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用99輻射測溫的基本原理輻射測溫的基本原理輻射式溫度計的感溫元件通常工作在屬于可見光和紅外光的波長區(qū)域。輻射式溫度計的感溫元件使用的波長范圍為0.340m。相關(guān)概念：l 絕對黑體：在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量l

44、選擇吸收體：對輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長有關(guān)l 灰體：吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長無關(guān) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用100輻射測溫的物理基礎(chǔ)是普朗克(Ptanck)熱輻射定律和斯蒂潘一玻耳茲曼(Stefan Boltzmann)定律。絕對黑體的光譜輻射亮度L(，T)與其波長、熱力學(xué)溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定： 21/51CTCLTe ， 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用101不同溫度下的輻射出射度曲線，其曲線峰值點的波長 m和溫度T均滿足維恩位移定律。實驗和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系滿足斯蒂藩一玻耳茲曼定律：40)(TTM 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用102光譜輻射溫度計光譜輻射溫度計依據(jù)物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)系，可以測出物體的溫度。目前國內(nèi)外使用的光譜輻射溫度計都是根據(jù)被測物體的光譜輻射亮度來確定物體的溫度。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用103比色高溫計比色高溫計比色溫度定義為：絕對黑體輻射的兩個波長1和2的亮度