山東建筑大學(xué)熱工檢測(cè)課第7章

第七章非接觸測(cè)溫第1節(jié)輻射測(cè)溫基本原理第2節(jié)單色輻射式高溫計(jì)第3節(jié)輻射溫度計(jì)第4節(jié)氣體溫度計(jì)第5節(jié)紅外技術(shù)在溫度測(cè)量中的應(yīng)用第1節(jié)輻射測(cè)溫基本原理

具有一定溫度的物體都會(huì)向外輻射能量，其輻射強(qiáng)度與物體的溫度有關(guān)，可以通過(guò)測(cè)量輻射強(qiáng)度來(lái)確定物體的溫度。任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量。如果某一物體在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量，則稱此物體為絕對(duì)黑體。絕對(duì)黑體不管它們的組成成分如何，它們?cè)谙嗤瑴囟认露及l(fā)出同樣形式的輻射電磁波。熱輻射測(cè)溫特點(diǎn)輻射式溫度計(jì)的感溫元件不需和被測(cè)物體或被測(cè)介質(zhì)直接接觸，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)；感溫元件不需達(dá)到被測(cè)物體的溫度，從而不會(huì)受被測(cè)物體的高溫及介質(zhì)腐蝕等影響；熱輻射測(cè)溫特點(diǎn)輻射測(cè)溫適用于很寬的測(cè)量范圍，可達(dá)-50~6000℃。感溫元件不會(huì)破壞被測(cè)物體原來(lái)的溫度場(chǎng)；可以方便地用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好?；竟浇^對(duì)黑體的單色輻射強(qiáng)度為可以看出，只要已知絕對(duì)黑體的溫度T以及波長(zhǎng)λ，就可以求出它的單色輻射強(qiáng)度。當(dāng)溫度升高時(shí)單色輻射強(qiáng)度隨之升高，曲線的峰值隨溫度升高向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。溫度越高，它所輻射出的能量越集中在頻率較高的部分，反之集中在紅外波段當(dāng)溫度升高時(shí)，單色輻射功率也隨之增大，其增大程度因波長(zhǎng)不同而不同。當(dāng)溫度升高時(shí)，單色輻射功率的最大值向短波方向移動(dòng)。當(dāng)溫度在3000K以下時(shí)，上式可用下式代替：當(dāng)波長(zhǎng)λ確定后，只要能確定相應(yīng)波長(zhǎng)的MOλ值，就可以求出溫度T。黑體與灰體理想的絕對(duì)黑體在自然界中是不存在的，實(shí)際中的輻射體是灰體。在同一溫度下對(duì)同一波長(zhǎng)，灰體的輻射強(qiáng)度與絕對(duì)黑體之間的關(guān)系為：對(duì)于不同的灰體，系數(shù)ελ是不一樣的測(cè)待測(cè)灰體的溫度時(shí)Mλ可以測(cè)出，絕對(duì)黑體MOλ與T的關(guān)系已經(jīng)知道，故可得溫度。第2節(jié)單色輻射式高溫計(jì)單色輻射式光學(xué)高溫計(jì)利用亮度比較取代輻射強(qiáng)度比較進(jìn)行測(cè)溫的。物體的溫度高于700℃時(shí)就會(huì)明顯的發(fā)出可見(jiàn)光，并具有一定的亮度，其單色亮度Lλ與單色輻射強(qiáng)度Mλ成正比，即：一光學(xué)高溫計(jì)亮度溫度:在輻射波長(zhǎng)λ上，當(dāng)溫度為T的灰體的亮度Lλ和溫度為TS的黑體的亮度LOλ相等時(shí)，稱TS為灰體在波長(zhǎng)λ時(shí)的亮度溫度。由于0<ελ<1TS〈T

當(dāng)溫度為TS的黑體的亮度與溫度為T的灰體的亮度相等時(shí)有以下公式：由于0<εr<1TS〈T

結(jié)論:從光學(xué)溫度計(jì)直接讀到的溫度，要比實(shí)際灰體的溫度低，所以必須根據(jù)物體的灰度系數(shù)進(jìn)行修正燈絲隱滅光學(xué)高溫計(jì)

由人眼對(duì)熱輻射體和高溫計(jì)燈泡在單一波長(zhǎng)附近的光譜范圍的輻射亮度進(jìn)行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。此種隱絲式光學(xué)高溫計(jì)又稱目視光學(xué)高溫計(jì)或簡(jiǎn)稱光學(xué)高溫計(jì)。每一個(gè)電流對(duì)應(yīng)的燈絲溫度是已知的，如果兩者的亮度相同，此溫度即為物體的亮度溫度。光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)1-物鏡2-吸收玻璃3-燈泡4-目鏡5-紅色濾光片6-指示儀表7-可調(diào)電阻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

光學(xué)高溫計(jì)必須在某一定的波長(zhǎng)下進(jìn)行單色亮度比較。光學(xué)高溫計(jì)采用紅色濾光片與人眼構(gòu)成了“單色器”，使人眼只能觀察到波長(zhǎng)為0.6～0.7μm范圍的紅色可見(jiàn)光（如圖陰影部分），其平均波長(zhǎng)約為0.66μm。人眼與紅色濾光片配合的視見(jiàn)光譜范圍1人眼相對(duì)視見(jiàn)函數(shù)曲線μλ；2紅色濾光片光譜透過(guò)率曲線τλ

灰色吸收玻璃的作用：光學(xué)高溫計(jì)采用的是鎢絲燈泡，當(dāng)溫度高達(dá)1400℃時(shí)，鎢絲會(huì)發(fā)生升華使燈泡的性能改變。這就限制了光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)溫上限。光學(xué)高溫計(jì)附加了灰色吸收玻璃，單色光透過(guò)這種玻璃時(shí)其吸收作用會(huì)使亮度減弱。在結(jié)構(gòu)上把灰色玻璃置于物鏡與燈絲之間，這樣人眼觀察到的是燈絲的亮度和被灰色玻璃削弱了的被測(cè)物體的亮度,在燈絲溫度不超過(guò)1400℃的情況下能測(cè)量更高的溫度。二光電高溫計(jì)

光學(xué)高溫計(jì)在測(cè)量時(shí)要靠手動(dòng)平衡亮度，用人眼判斷亮度是否平衡，所以不能連續(xù)測(cè)溫，在應(yīng)用上受到了一定限制。光電高溫計(jì)可以自動(dòng)平衡亮度，它是在光學(xué)高溫計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)連續(xù)測(cè)溫儀表。它采用硅光電池作為儀表的光敏元件，代替人眼睛感受被測(cè)物體輻射亮度的變化，并將此亮度信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波放大后送檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換處理，最后顯示出被測(cè)物體的亮度溫度。被測(cè)物體17與反饋燈15發(fā)出的輻射能交替照射到硅光電池4上。再由主放大器14作進(jìn)一步放大后2.3光電高溫計(jì)

輸出驅(qū)動(dòng)反饋燈15；反饋燈15的輻射能隨著驅(qū)動(dòng)電流的改變而相應(yīng)變化當(dāng)兩個(gè)能量不相等時(shí)，硅光電池將產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)輻射亮度差成正比的脈沖光電流，經(jīng)前置放大器13放大后以上過(guò)程一直持續(xù)到被測(cè)物體和反射燈照射到硅光電池上的輻射能相等為止。這時(shí)硅光電池4的脈沖光電流接近于零，而流經(jīng)反饋燈電流數(shù)值的大小就代表了被測(cè)物體的亮度溫度此電流值轉(zhuǎn)換成電壓后由電位差計(jì)16自動(dòng)指示和記錄被測(cè)物體的亮度溫度。圖中的透鏡l0、反射鏡11和觀察孔12組成了一個(gè)人工觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其作用是使光電高溫計(jì)得以對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體光柵盤由兩片扇型光柵板組成,一塊固定,一塊可動(dòng)，可動(dòng)板受光柵調(diào)制電路控制,并按一定頻率正、反向轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)開(kāi)(透光)、關(guān)(不透光),使入射線變?yōu)橐欢l率的能量作用在探測(cè)器上。第3節(jié)輻射溫度計(jì)測(cè)溫原理

被測(cè)目標(biāo)的輻射能用透鏡收集起來(lái)，經(jīng)光欄在涂黑的熱電堆(由一組微細(xì)的熱電偶串聯(lián)而成）熱接點(diǎn)上成像。熱點(diǎn)堆將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱?dòng)勢(shì)后送到顯示儀表，由顯示儀表進(jìn)行指示或記錄被測(cè)物體的溫度。第3節(jié)輻射溫度計(jì)測(cè)溫原理輻射溫度：1-透鏡2-可調(diào)光欄3-固定光欄4-熱點(diǎn)堆受光面使用1）正確連接線路和外接電阻。2）環(huán)境溫度不許高于100℃，否則應(yīng)冷卻。3）隨著感溫器到被測(cè)物體的距離L的不同，對(duì)被測(cè)物體的大?。ㄍǔＶ钢睆紻）有一定的限制值，感溫器要與被測(cè)表面垂直。4）顯示儀表上讀數(shù)為輻射溫度，要修正得到物體的真實(shí)溫度。第4節(jié)比色高溫計(jì)測(cè)溫原理根據(jù)被測(cè)物體在兩個(gè)不同波長(zhǎng)下的光譜輻射出射度的相互比值與被測(cè)溫度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)二者的比值進(jìn)而測(cè)知被測(cè)溫度根據(jù)維恩位移定律，測(cè)得亮度比的變化便可測(cè)得相應(yīng)的溫度。第4節(jié)比色高溫計(jì)比色溫度:溫度為T的物體在波長(zhǎng)λ1和λ2下的光譜輻射亮度的比值，與溫度為Ts的全輻射體在同樣的波長(zhǎng)λ1和λ2下的光譜輻射亮度的比值如果相等，則把全輻射體的溫度稱為該物體的比色溫度。特點(diǎn)：對(duì)于灰體來(lái)說(shuō)，由于ελ1＝ελ2，所以T＝TS，這就是比色溫度計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)比色溫度可小于、等于或大于真實(shí)溫度。與真實(shí)溫度之差小得多，測(cè)量準(zhǔn)確度高。比色高溫計(jì)可在惡劣環(huán)境中使用。以WDS-Ⅱ型比色高溫計(jì)為例1一物鏡2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光電池4一透鏡5一分光鏡6一紅外濾光片7一硅光電池E28一硅光電池El9一可見(jiàn)光濾光片10一反射鏡11一倒像鏡12一目鏡第5節(jié)紅外溫度計(jì)紅外測(cè)溫儀是一種測(cè)溫上限較低的儀表，可測(cè)0～400℃范圍的溫度。前面介紹的幾種輻射式測(cè)溫儀表適于測(cè)700℃以上的高溫。紅外測(cè)溫儀依據(jù)的是光譜輻射原理。當(dāng)物體溫度較低時(shí)，光譜輻射出射度最高點(diǎn)向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線波長(zhǎng)區(qū)遷移，紅外測(cè)溫儀就工作在這個(gè)紅外線波長(zhǎng)區(qū)。它的原理和結(jié)構(gòu)與輻射高溫計(jì)、光電高溫計(jì)相似。第5節(jié)紅外溫度計(jì)紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理放大部分及顯示儀表等部分組成。紅外輻射又稱紅外線，它是一種人眼看不見(jiàn)的光線。紅外輻射是一種電磁波，它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76μm到1000μm的頻譜范圍之內(nèi)，相對(duì)應(yīng)的頻率大致在4×1014～3×1011Hz之間。第5節(jié)紅外溫度計(jì)紅外探測(cè)器:把紅外輻射能量的變化為電量變化的器件。分為紅外熱敏探測(cè)器和紅外光電探測(cè)器。

■紅外熱敏探測(cè)器①熱電偶型探測(cè)器②熱敏電阻型探測(cè)器③熱釋電型探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用方便。但是，它的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，靈敏度較低，一般用于紅外輻射變化緩慢場(chǎng)合?！黾t外光子探測(cè)器①光電導(dǎo)（PC）探測(cè)器②光生伏特（PU）探測(cè)器③光磁電探測(cè)器（PEM器件）主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。但其一般需在低溫下工作，探測(cè)波段較窄。第6節(jié)紅外熱像儀可見(jiàn)光云圖

可見(jiàn)光是波長(zhǎng)從0.35～0.80μm很狹窄的波段。衛(wèi)星在可見(jiàn)光譜段測(cè)量來(lái)自地面云面反射的太陽(yáng)輻射，將衛(wèi)星接收的這種輻射轉(zhuǎn)換為圖象稱為可見(jiàn)光云圖。衛(wèi)星在可見(jiàn)光譜段選用的波長(zhǎng)間隔有：0.52～0.75μm和0.58～0.68μm?？梢?jiàn)光云圖

衛(wèi)星在可見(jiàn)光波段接收輻射與物體的反照率和太陽(yáng)的天頂角有關(guān)，若太陽(yáng)天頂角越小，物體的反照率越大，則衛(wèi)星接收到的輻射越大，反之則越小。可見(jiàn)光云圖

在可見(jiàn)光云圖上，輻射越大，色調(diào)越白；輻射越小，色調(diào)越暗。通常云層越厚，反照率越大，色調(diào)也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現(xiàn)為黑色，陸地反照率比海洋略大，表現(xiàn)為灰色，而潮濕或森林覆蓋的地區(qū)表現(xiàn)為灰暗的色調(diào)。在電視顯示的衛(wèi)星云圖上，地表和海洋常用綠色和藍(lán)色表示?？梢?jiàn)光云圖紅外云圖

衛(wèi)星在10.5～12.5微米測(cè)量地表和云面發(fā)射的紅外輻射，將這種輻射以圖象表示就是紅外云圖。在紅外云圖上物體的色調(diào)決定其自身的溫度，物體溫度越高，發(fā)射的輻射越大，色調(diào)越暗，紅外云圖是一張溫度分布圖。紅外云圖

由于大氣有吸收及物體發(fā)射率不完全為1，衛(wèi)星接收到的紅外輻射要比實(shí)際表面溫度發(fā)射的黑體輻射要小，故嚴(yán)格地說(shuō)，紅外云圖是一張亮度溫度分布圖。紅外云圖

地面的溫度一般較高，呈現(xiàn)較暗的色調(diào)；由于大氣的溫度隨高度是遞減的，故云頂高而厚的云，其溫度低呈白的色調(diào)。低云的云頂溫度較高，與地面相近，故在紅外云圖上不容易識(shí)別。由于各類云的云頂溫度的差異較大，在紅外云圖上可以識(shí)別各種高度的云。紅外云圖

此外，地表的溫度隨季節(jié)、緯度、海陸分布及其本身的熱慣量而不同，所以在紅外云圖上的色調(diào)亦不同。在電視顯示的紅外云圖上，地表以綠色表示，以與云相區(qū)分開(kāi)。紅外云圖臺(tái)風(fēng)云系紅外彩色分層顯示圖

臺(tái)風(fēng)云系圖

草原和森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)

草原或森林發(fā)生火災(zāi)的地區(qū)，溫度遠(yuǎn)高于周圍地區(qū)。采用3.7μm波段對(duì)高溫區(qū)特別敏感，利用3.7μm可以監(jiān)測(cè)林區(qū)和草原發(fā)生的火災(zāi)。紅色部分表示內(nèi)蒙古地區(qū)林區(qū)及草原火災(zāi)圖象光敏電阻光敏電阻在光線的作用下阻值往往變小。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高。當(dāng)受到光照時(shí)，增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的載流子將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增加而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。

光電池的工作原理有關(guān)電荷正離子負(fù)離子正負(fù)離子都是不能移動(dòng)的電荷自由電子空穴自由電子、空穴都是能自由移動(dòng)的電荷有關(guān)電荷由正負(fù)離子形成的電場(chǎng)講解當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生載流子（即電子-空穴對(duì)）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)電場(chǎng)的作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。講解同時(shí)勢(shì)壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)展長(zhǎng)度內(nèi)的光生載流子先向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下也參與導(dǎo)電。講解當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生載流子的濃度及通過(guò)外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。在入射光強(qiáng)度的很大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)這種變化能保持較好的線性關(guān)系動(dòng)畫(huà)演示光電池基本特性（a）光照特性開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5