傳感器與檢測(cè)技術(shù)64 非接觸式測(cè)溫

1、6.4 非接觸式測(cè)溫 高溫測(cè)量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。 任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理(yunl)制成的。 測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不必與物體接觸，因此可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不會(huì)破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒(méi)有上限，可以測(cè)量高溫。 非接觸測(cè)溫儀表分類：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì)共四十頁(yè)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本(jbn)定理6.4.2

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)共四十頁(yè)6.4.1 熱輻射基本(jbn)定理 輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一波長(zhǎng)范圍：10-3m10-8m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，輻射光譜也向短波方向(fngxing)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。共四十頁(yè)輻射能的分配(fnpi)當(dāng)物體接受到輻射能量以后

3、，根據(jù)物體本身的性質(zhì)(xngzh)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射 吸收率； 透射率； 反射率。 Q輻射能 單位為焦耳(J)共四十頁(yè)物體(wt)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(gung hu)，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”。 共四十頁(yè)在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的值很小或等于零，而氣體的值較大。對(duì)于一般工程(gngchng)

4、材料來(lái)講， 0而+ =1，稱為灰體 從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體 共四十頁(yè)熱輻射的重要(zhngyo)參數(shù)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(dnwi)為焦耳(J)。輻射能通量 是輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱輻射率： 其單位是瓦特(W)。 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)。共四十頁(yè)熱輻射的重要(zhngyo)參數(shù)輻射出射度M 離開(kāi)(l ki)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

5、為瓦/米2(W/m2)。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。共四十頁(yè)基爾霍夫定律(dngl)各物體(wt)的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體(wt)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(,T), M1(,T), M2(,T) 物體的單色()輻射出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物體的單色()吸收率。共四十頁(yè)若物體A0絕對(duì)黑體，那么(n me)0(,T)

6、，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(wnd)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(,T)為物體A在波長(zhǎng)為 ，溫度為T下的輻射出射度。 式中，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。 基爾霍夫定律說(shuō)明，物體的輻射能力與它的吸收能力是相同的 共四十頁(yè)在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射(fsh)出射度等于單波長(zhǎng)的輻射(fsh)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(hit)在溫度T下的全輻射出射度?；隙傻姆e分

7、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T1， T越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。共四十頁(yè)黑體(hit)輻射定律 普朗克定律(dngl)(單色輻射強(qiáng)度定律) 維恩公式 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）共四十頁(yè) 普朗克定律(dngl)(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(hit)，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)，6.62617610-34Js； k波爾茲曼常數(shù)，1.3806624410-23J/K； C1第一輻射常數(shù)，3.741810-16Wm2； C2第

8、二輻射常數(shù)，1.438810-12mK； 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 共四十頁(yè) 維恩公式(gngsh)理論上說(shuō)明了黑體(hit)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) 共四十頁(yè)斯蒂芬波爾茲曼定律(dngl)溫度為T的絕對(duì)黑體，單位(dnwi)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，斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，5.6696110-3W/(m2K4)。 上式就是輻射

9、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。共四十頁(yè)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)(gungxu)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)共四十頁(yè)6.4.2 光學(xué)(gungxu)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80032000C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(duxing)為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非

10、黑體的真實(shí)溫度。共四十頁(yè)工業(yè)用光學(xué)(gungxu)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?dinli)，當(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。共四十頁(yè)隱絲式光學(xué)(gungxu)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?/p>

11、標(biāo)準(zhǔn)輻射源電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測(cè)量(cling)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。 共四十頁(yè)WGG2-201型光學(xué)(gungxu)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(zhsh)儀器；7滑線電阻；E電源；K開(kāi)關(guān)；R1刻線調(diào)整電阻共四十頁(yè)亮度(lingd)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)(bchng)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 共四十頁(yè)根據(jù)(gnj

12、)維恩公式有對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)(du sh)，并加以整理，得式中，T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。共四十頁(yè)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本(jbn)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)共四十頁(yè)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

13、礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)溫儀表(ybio)。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。 共四十頁(yè)主要(zhyo)特點(diǎn)：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；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(d do)平衡時(shí)即可得到測(cè)量值；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；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；采用新型光敏元

14、件，測(cè)量范圍寬，約為20016000C。共四十頁(yè)WDL-31型光電高溫計(jì)的工作(gngzu)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)(tnc)元件共四十頁(yè)(1)瞄準(zhǔn)(mio zhn)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(gunch)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)玻璃共四十頁(yè) (2)檢測(cè)光路

15、物鏡(wjng)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(wjng)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。 共四十頁(yè)儀器(yq)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4008000C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)

16、的物鏡確定，約在1.82.7。峰值由探測(cè)元件確定，約為2.5。量程范圍60010000C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0.81.1，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。共四十頁(yè)6.

17、4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本(jbn)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)共四十頁(yè)6.4.4 輻射(fsh)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40020000C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(hit)時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體(hit)的真實(shí)溫度。 共四十頁(yè)熱電堆結(jié)構(gòu)(jigu)和補(bǔ)償光闌 (a):1云母(ynm)基片；2受熱靶

18、面；3熱電耦絲；4引出線(b):1-補(bǔ)償片；2-雙金屬片共四十頁(yè)WFT-202型輻射(fsh)感溫器結(jié)構(gòu)1物鏡；2外殼(wi k)；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小齒軸共四十頁(yè)輻射(fsh)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)(jzhn)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)，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，則有：因?yàn)榉呛隗wT 1，則TFT因此用輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度要比物體的真實(shí)溫度低。共四十頁(yè)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)(gungxu)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)共四十頁(yè)6.4.5 比色溫度計(jì) 原理：通過(guò)測(cè)量熱輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜(gungp)輻射亮度之比來(lái)測(cè)量溫度。特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。因?yàn)閷?shí)際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對(duì)同一物體的不同波長(zhǎng)的單色黑度系數(shù)和來(lái)說(shuō)，其比值的變化卻很小。所