輻射測溫課件

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輻射測溫**傳熱與測溫的關(guān)系由物質(zhì)決定的傳熱類型涉及到物質(zhì)：物質(zhì)內(nèi)部的傳熱——傳導(dǎo)傳熱機制：質(zhì)點碰撞物質(zhì)之間的傳熱——對流傳熱機制：微團宏觀運動+質(zhì)點碰撞不涉及物質(zhì)的傳熱——輻射傳熱機制：電磁波**傳熱與測溫的關(guān)系由傳熱決定的測溫類型涉及到物質(zhì)的測溫?zé)崞胶庠瓌t（熱力學(xué)第零定律）傳導(dǎo)傳熱：質(zhì)點與測溫元件之間充分碰撞要求測溫元件的尺度盡可能地小。對流傳熱：測溫元件隨微團作宏觀運動要求準確知道微團的運動狀態(tài)，才能精確反演溫度。不涉及物質(zhì)的測溫輻射傳熱——電磁波函數(shù)中的溫度黑體輻射——黑體輻射光譜——普朗克定律喇曼輻射——喇曼輻射光譜熒光輻射——熒光輻射光譜**

溫度測量類型溫度測量**神舟四號發(fā)射升空飛船返回，穿越大氣層航天器高溫溫度測量**衛(wèi)星遙感地物遙感海洋衛(wèi)星傳回第一幅遙感圖像l海溫測量→陸溫測量大區(qū)域/多礦種快速地質(zhì)勘探

**基于普朗克定律的測溫輻射測量方程輻射測溫的分析輻射測溫方法譜色測溫方法**1、輻射測量方程立體角輻射成像介質(zhì)吸收**立體角——在確定的立體角內(nèi)，輻射強度是個常數(shù)。立體角示意圖**輻射成像——1.被成像物體上某一微元面積與透鏡之間的輻射傳熱；2.透鏡對輻射傳熱的衰減。成像示意圖**介質(zhì)吸收——輻射傳輸介質(zhì)的吸收**輻射測量方程uK3(λ)K1(λ)K2(λ)φθIdAsAααCCD

輻射測量的原理圖輻射的發(fā)射

介質(zhì)吸收光學(xué)成像光電轉(zhuǎn)換**2、輻射測溫的分析輻射測溫中的三大體系輻射傳輸介質(zhì)輻射測量方程中非光譜量的處理輻射測量方程中光譜量的處理**輻射測溫中的三大體系測量儀器幾何光學(xué)參數(shù)可調(diào)節(jié)入射輻射通量的大小光譜響應(yīng)函數(shù)可決定入射輻射的光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)方向角參數(shù)儀器與測量對象的空間關(guān)系輻射傳輸介質(zhì)儀器與測量對象的距離關(guān)系介質(zhì)對被傳輸輻射的吸收介質(zhì)對被傳輸輻射光譜的影響測量對象輻射光譜強度函數(shù)需要確定函數(shù)的具體形式**輻射傳輸介質(zhì)

波長um

熔融石英

6mm厚

低鐵玻璃

6mm厚

有機玻璃

6mm厚

可見光

輻射減弱系數(shù)**輻射測溫的光譜/非光譜測量儀器光學(xué)幾何參數(shù)可調(diào)節(jié)入射輻射通量的大小光譜響應(yīng)函數(shù)可決定入射輻射的光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)方向角參數(shù)決定著二維測量的關(guān)鍵因素輻射傳輸介質(zhì)-選擇測量窗口儀器與測量對象的距離關(guān)系介質(zhì)對被傳輸輻射的吸收測量目標輻射光譜強度函數(shù)黑體輻射光譜分布有確定的函數(shù)形式一般物體尚需確定發(fā)射率**輻射測溫中非光譜量的處理標定確定非光譜量的數(shù)值歸一化消除非光譜量的影響**標定——采用已知的輻射來確定非光譜量的數(shù)值標定最容易的標定（黑體：單色/全色）輻射測溫：單色/全色**歸一化——通過比值的處理形式以消除非光譜量的數(shù)值歸一化選擇波長的歸一化選擇光譜響應(yīng)函數(shù)的歸一化**標定型/歸一化型兩種處理方式的小結(jié)輻射測溫標定型歸一化型不適合溫度場測量測量只能在標定條件下進行可進行溫度場測量測量時需要若干路信號若干單色若干波段單色波段全色**輻射測溫中光譜量的處理儀器的光譜響應(yīng)函數(shù)光學(xué)部分：單色；波段（常數(shù)/函數(shù)）光電部分：常數(shù)響應(yīng)/函數(shù)響應(yīng)被測目標的光譜輻射普朗克定律：溫度是待定物理量物體發(fā)射率：與溫度一樣，發(fā)射率也是待定物理量輻射測溫的困惑一個測量方程，有兩個物理量需要待定**儀器的光譜響應(yīng)函數(shù)可作三種處理波段單色全色三種處理的技術(shù)實現(xiàn)波段：光學(xué)部分作為校正，光電部分保持原態(tài)；單色：光學(xué)部分起決定作用，光電部分保持原態(tài)；全色：光學(xué)部分可取消，光電部分要求全波長響應(yīng)。 **被測目標的光譜輻射被測目標光譜輻射函數(shù)的描述普朗克定律具有確定的函數(shù)形式發(fā)射率數(shù)值型函數(shù)型**輻射測溫的解惑之道輻射測溫普朗克定律（連續(xù)函數(shù)）發(fā)射率數(shù)值型函數(shù)型單色波段全色離散式連續(xù)式多個單色多個波段**輻射測溫全部技術(shù)路線的綜述輻射測溫標定型歸一化型單色全色波段選擇不同的測量波長選擇不同的光譜響應(yīng)數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-離散式處理數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-數(shù)值式處理函數(shù)型發(fā)射率**3、輻射測溫方法標定（單色/全色）下的輻射測溫方法歸一化（對波長）下的輻射測溫方法輻射測溫方法的歷史總結(jié)**標定（單色/全色）下的輻射測溫方法單色輻射測溫全色輻射測溫分析：假設(shè)溫度的做法能夠保障溫度的封閉求解，但須注意輻射的方向性和輻射表面的狀態(tài)會影響到假設(shè)溫度的數(shù)值。如果對發(fā)射率的分布狀態(tài)予以考慮的話，則只能在單色輻射測量的情況下進行。**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：a）假設(shè)溫度

為了知道材料的發(fā)射率，我們可以采用某種獨立的手段[35]。例如使用熱電偶式溫度計，來不時地測量試件的溫度(可以和用輻射式溫度計測量溫度同時進行)。調(diào)整輻射式溫度計的發(fā)射率度盤，直到兩種溫度計所指示的溫度相同。如果測量條件不變，發(fā)射率度盤的這一調(diào)整位置，便可用在今后的任何輻射法溫度測量中，當然也就不需要熱電偶參與了。由于發(fā)射率會隨溫度而變，對于變化不大的情形，這樣做是有意義的，反之，則測量結(jié)果不可信。**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：a）假設(shè)溫度儀器設(shè)計原則光學(xué)幾何參數(shù)不變不可調(diào)節(jié)入射輻射通量的大小光譜響應(yīng)函數(shù)可決定入射輻射的光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)方向角參數(shù)確定只能進行某一位置的測量輻射傳輸介質(zhì)-選擇測量窗口固定儀器的距離關(guān)系明確射輻傳輸介質(zhì)測量對象設(shè)定發(fā)射率調(diào)整裝置輸入發(fā)射率即可獲得真實溫度**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量參考源溫度單色儀探測器放大記錄單色輻射－吸收發(fā)光法原理圖高溫氣體溫度T吸收率α**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量譜線反轉(zhuǎn)法——單色輻射－吸收發(fā)光法的特殊情況積分輻射－吸收發(fā)光法——滿足灰體條件積分輻射反轉(zhuǎn)法鏡子法

**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量偏振光法該方法[36]應(yīng)用拋光金屬表面純鏡面反射時兩個偏振分量強度比與物體反射率的關(guān)系[37]其中p、n分別表示光線的水平和垂直偏振分量，I為光強，為物面垂直分量的鏡面反射率。測量兩個偏振分量的強度比，即可獲得被測物體的反射率，從而得到物體的發(fā)射率和溫度。Murray[38]等的儀器如圖所示，此方法僅適用于拋光金屬表面。透鏡濾光片視場光闌探測器旋轉(zhuǎn)分析器黑體表面孔徑光闌**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：b）引入已知量通過把黑體參考源輻射投射到待測目標表面，將目標表面反射的黑體輻射和自身的發(fā)射輻射疊加的結(jié)果和參考源的黑體輻射大小想比較，從而得知物體真實溫度的一種輻射測溫中早期被廣泛應(yīng)用的方法[1]

**3.1發(fā)射率數(shù)值方法：c）改變物體發(fā)射率為了將避免目標表面發(fā)射率隨波長發(fā)生變化，將待測物體改造成灰體，是輻射測溫中常用到的一種方法，尤其在鋼鐵工業(yè)中被廣泛采用[31]。其原理是：用耐高溫的材料制成一空心圓管，稱為導(dǎo)管。導(dǎo)管插入金屬液后，導(dǎo)管內(nèi)部即形成一個空腔，空腔底部為被測體，這個空腔的存在改變了被測表面的發(fā)射率，不論導(dǎo)管末端是開口還是封口的，在一定條件下，都使底部的有效發(fā)射率接近灰體輻射。通過對圓柱形空腔的有效發(fā)射率的分析，得到圖示的結(jié)果。－被測金屬液的發(fā)射率

－導(dǎo)管材料的發(fā)射率

－加導(dǎo)管后的積分發(fā)射率

特制試樣法高溫計

半球鍍金反射鏡式輻射溫度計**3.2發(fā)射率函數(shù)構(gòu)造：a）特定發(fā)射率函數(shù)Hottel理論發(fā)射率模型Edwards[37]模型Hagen-Rubens模型Sala[39]鐵發(fā)射率函數(shù)**3.2發(fā)射率函數(shù)構(gòu)造：b）發(fā)射率的數(shù)學(xué)函數(shù)泛函[40]表述的發(fā)射率若干數(shù)學(xué)表述對數(shù)指數(shù)形式三角函數(shù)形式線性形式**歸一化（對波長）下的輻射測溫方法**輻射測溫方法的歷史總結(jié)輻射測溫標定型歸一化型單色全色波段選擇不同的測量波長選擇不同的光譜響應(yīng)數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-離散式處理數(shù)值型發(fā)射率函數(shù)型發(fā)射率-數(shù)值式處理函數(shù)型發(fā)射率輻射測溫儀器輻射測溫儀器輻射測溫儀器**4、譜色測溫方法研究路線的分析與確定譜色測溫儀器的外處理譜色測溫儀器的內(nèi)處理特例——彩色測溫方法**研究路線的分析與確定——選擇歸一化型方案輻射測溫標定型歸一化型不適合溫度場測量測量只能在標定條件下進行可進行溫度場測量測量時需要若干路信號**研究路線的分析與確定——選擇光譜響應(yīng)方案歸一化型輻射測溫選擇不同的測量波長選擇不同的光譜響應(yīng)**譜色測溫儀器的外處理——歸一化方便儀器測量歸一化選擇光譜響應(yīng)函數(shù)的歸一化設(shè)計要求光譜響應(yīng)必須體現(xiàn)為波長的函數(shù)；通過構(gòu)造光譜響應(yīng)函數(shù)來求解發(fā)射率函數(shù)中的待定參數(shù)；歸一化測量數(shù)據(jù)越大越好。**譜色測溫儀器的內(nèi)處理——普適性滿足不同對象建立一個具有普適性的發(fā)射率函數(shù)以適合視場內(nèi)出現(xiàn)的不同目標的溫度測量；發(fā)射率必須體現(xiàn)為波長的函數(shù)；這個普適的發(fā)射率函數(shù)中待定參數(shù)的數(shù)目受到歸一化測量數(shù)據(jù)設(shè)計要求的限制；在發(fā)射率函數(shù)的數(shù)學(xué)表述與發(fā)射率的物理定義之間形成關(guān)聯(lián)。**窄波段內(nèi)的發(fā)射率——具有單調(diào)性發(fā)射率

實際物體的發(fā)射率在全波長的范圍內(nèi)表現(xiàn)復(fù)雜，但在一個較窄的波段內(nèi)表現(xiàn)簡單，具有單調(diào)性。

高溫物體在可見光波段內(nèi)的光譜發(fā)射率實驗數(shù)據(jù)說明：絕大多數(shù)的金屬和非金屬的發(fā)射率在可見光波段內(nèi)呈單調(diào)性態(tài)。**普適性的光譜發(fā)射率函數(shù)**數(shù)學(xué)表述與物理定義的關(guān)聯(lián)

發(fā)射率函數(shù)中的波長無量綱化處理的示例

**譜色測溫方法**譜色測溫方法**譜色測溫方法的優(yōu)勢歸一化數(shù)據(jù)處理無需傳統(tǒng)意義上的標定可任意改變測量儀器的非光譜參數(shù)（光圈/曝光時間）真正意義上的溫度場測量普適的、以無量綱波長表述的發(fā)射率函數(shù)無須發(fā)射率修正也能測得真實溫度多目標同時測量可在任意波段內(nèi)進行**5、特例：彩色測溫方法**研究意義彩色數(shù)碼相機光學(xué)特性的研究數(shù)碼相機的光強響應(yīng)函數(shù)為數(shù)碼相機的許多數(shù)據(jù)處理過程，如顏色矯正、圖像修復(fù)、色度分析等提供依據(jù)升格為顏色記錄裝置高溫測量儀器**特例：彩色測溫

在空間進行的全部的波，以最短到最長的，構(gòu)成了整個電磁波頻譜。輻射有若干種形式，但其間沒有間斷，波長是連續(xù)不斷的改變。在譜尺的一端是能量極高的伽瑪射線，它甚至可以穿透鋼鐵。在譜尺的另一端是無線電波，它們的能量極低，人體不易察覺。在兩個極端之間是一小群我們可以體驗出來的可見光譜，通常說的光源就是指發(fā)出可見光的輻射源。**特例：彩色測溫CompositeColorImageGreenImageBlueImageRedImage**特例：彩色測溫為CIERGB系統(tǒng)標準色度觀察者光譜三刺激值**彩色測溫的數(shù)學(xué)問題歸一化處理**彩色測溫的數(shù)學(xué)問題稱為色核體坐標定義：**彩色測溫方法的特征特征之1.輻射測溫坐標系****彩色測溫的技術(shù)問題—流程****彩色測溫的技術(shù)問題—流程CMS-2002它采用改進二分法和優(yōu)化查詢等技術(shù)，使得溫度分析變得方便、快捷而準確。該軟件具有全中文界面、多樣化的功能以及豐富多彩的曲線表達能力。CMS-2002支持標準的WAIN_32、USB接口，除了直接調(diào)入磁盤上的數(shù)字圖像文件進行分析外，還可以利用彩色圖像掃描儀或數(shù)碼相機實現(xiàn)對靜態(tài)圖像的輸入

**彩色測溫的科學(xué)問題—已有研究研究現(xiàn)狀：不依賴②物體的輻射顏色與①溫度之間的關(guān)系，即黑體（或灰體）的顏色軌跡——Planck軌跡黑體：理想表面，輻射強度不依賴于表面性質(zhì)等諸多因素，僅與波長、溫度有關(guān)，Planck定律給予了精確的定量描述

高溫物體的輻射顏色：①溫度；②物體。

高溫物體的輻射顏色：①溫度；②物體——已有研究

**彩色測溫的科學(xué)問題—已有研究研究現(xiàn)狀：不依賴②物體的輻射顏色與①溫度之間的關(guān)系，即黑體（或灰體）的顏色軌跡——Planck軌跡黑體：理想表面，輻射強度不依賴于于表面性質(zhì)等諸多因素，僅與波長、溫度有關(guān)，Planck定律給予了精確的定量描述

高溫物體的輻射顏色：①溫度；②物體——已有研究

Planck軌跡：