红外技术第十一次课

1、 红外技术教案 第 13页 共 13页第十一次课第四章 探测系统4.3 温度探测系统红外测温仪4.3.1 红外测温的基本原理及测温仪的分类一、红外测温的基本原理依据黑体的辐射规律，黑体的光谱辐射出射度（即某一波长附近单位波长间隔内单位面积向半球空间辐射的功率）由普朗克公式确定，即全辐射出射度（所有波长上的出射度）由斯蒂芬-波尔兹曼定律给出，即上两式中，为绝对温度。实际物体的辐出度只需在上两式中乘以发射率即可。可见，物体的辐出度与物体的温度以及发射率有关。只要测出物体的辐出度，在知道物体发射率的情况下，就可以算出物体的温度。实际上温度的测量都是通过辐射量的测量得到的。测温仪是按照温度定标的辐射计

2、。它与辐射计的工作原理完全相同，在辐射计的基础上加上温度信号处理电路即可构成测温仪。 二、测温仪的分类 凡是利用辐射原理实现温度测量的仪表，统称为辐射测温仪。辐射测温仅的品种繁多，分类方法也不相同。我们这里介绍的分类，是按测温仪所使用的波段范围不同而划分的类别。把利用红外波段进行测温的仪表，统称为红外测温仪。若仪器只根据某一个特征波段上之辐射而定温，则得到的是物体的亮温度（）；若仪器根据两个或更多的特征波段上之辐射而定温，则所得到的是物体的色温度()，根据所有波长范围内的总辐射而定温，所得到的是物体的辐射温度()。绝大多数的物体都不是黑体，即发射率，因此测温仪侧得的辐射能不仅与物体的温度有关，

3、还与发射率有关。此外物体发射出的辐射能在到达探测器的过程中，还有各种因素造成的损失，这样一来测温仪接收到的辐射能并不真正是仅由物体辐射温度决定的辐射能。因此无论是亮温度、色温度或者辐射温度，它们都不是物体表面的真实温度，都只是些表观温度，即使经过大气传输因子等修正之后，它们与物体表面的真实温度之间仍存在一定的差异。用辐射测温仪直接测取真实温度目前尚存在很多困难，多数测温仪所能测取的温度依然是亮温和色温。根据所测取的温度不同，红外测温仪可分为以下最基本的两大类。（一）亮度测温仪 亮度测温仪测取的温度是亮温度(简称亮温)。亮温是根据被测对象在某一波段内的辐射亮度来定义的：温度为的黑体，在某一波段位

4、围（）内的辐射亮度与被测对象在同一波段内的辐射亮度相等，即 (41)式中为波段范围内的平均发射率；为真实温度；为亮温度。被测对象一般看作朗伯体，其辐射出射度与辐射亮度之间仅差一常数。因此(43)式又可以表示成下式 (42)因此，亮度测温仪实际上是通过到量被测物体一段波长范围内辐射亮度或辐射出射度来测温的。由式(41)和(42)可见，亮温总是小于真实温度，通常要通过修正，来使亮温接近真实温度。全辐射测温仪是亮度侧温仪的极端情况，它根据被测对象在从全部波长范围的辐射亮度的大小来确定其温度。在数学上它完全遵从斯蒂芬-波尔兹曼四次方定律。测得的辐射温度可按下式定义 （43）显然。实际上由于测温仪总是具

5、有对波长呈选择性的元器件，如光学零件中的透镜、窗口、滤光片等因此探测器上并不能接收从全部波长的辐射。但这一点并不重要因为对一定的测温范围，只要选取一定的波长范围就可以了。如果所选取的工作波段范围包含了全部辐射能量的96，根据开四次方的关系所形成的测温误差也只有1。因此一般的亮度测温仪都是选取有限的波长范围，按四次方关系计算温度。 (二)比色测温仪比色调温仪测取的温度是色温。色温是指这样的黑体温度，黑体在此温度下，其窄波段和内的辐射亮度之比与被测物体在这两波段内的辐射亮度之比相等，即 （44）也可表示为 （45）式中，和分别是被测物体在和范围内的平均发射率。比色测温仪是通过测量物体两个(或三个)

6、波段上的辐射亮度并根据它们的比值来确定其温度的。它的工作原理与亮度测温仪截然不同。使用两个工作波段的比色测温仪又称为双色测温仪或二色测温仪使用三个工作波段的称为三色测温仪。比色测温仪与亮度测温仪相比，突出的优点是：1）亮度测温仪和全辐射测温仪往往在被测物体的发射率已知的情况下才能使用而比色测温仪则不然只要物体的发射率随波长的变化相缓慢(一般物体多是这样)就可以用色温度来逼近物体表面的真实温度。持别是对于灰体，式(45)中的 (常数)，则色温就准确地反映了物体的真实温度。2)由于亮度测温仪是通过测量物体的辐射来测温的，在测量时辐射功率的部分损失(例如光学系统效率、被测物体与仪器之间介质吸收率的变

7、化等)以及电子线路中放大倍数的变化等，都直接影响亮温度和辐射温度的测量，而上述因素对比色测温仪的色温测量则没有影响，或影响很微弱，这是由于比色测温仪的温度测量是取决于辐射功率之比的缘故。4.3.2 对测温仪的要求一，精度 测温仪同许多测量仪器一样其测量精度是重要的技术指标。 对测温仪而言，精度就是指温度的测量值对温度标准值(国际实用温标)的误差因此精度又常常被称为允许误差。测温仪的测量误差由温度灵敏度、随机误差和系统误差来决定测温仪的温度灵敏度受探测器噪声的限制(认为电子线路的噪声可以忽略)，噪声等效温差(NETD)即为测温仪的极限灵敏度。噪声等效温差的定义为：信噪比等于1时所对应的被测景物与

8、环境的温差。根据NETD的定义可以推导出其表达式为 （4-6）其中，为在工作波段范围内每单位温度变化所引起的黑体辐射亮度的变化； 为被探测物体的发射率；为在范围内大曲平均透过率；为范围内光学系统平均透过率；为考虑到光调制及信号处理过程中光能损失的系数；为探测器的比探测度；为光学系统焦距；为测温仪接收口径；为电子线路带宽；为探测器面积。从上式可以看出，测温仪的灵敏度与目标特性（）、大气传输（）、光学系统参数（、）、探测器参数（、）以及电子线路参数（）有关。随机误差是由一些随机干扰因素造成的。系统误差是指由环境温度变化，被测物体发射率变化、探测距离变化等所引起的测量误差，以及显示机构误差的总和。可

9、以采取不同的方法来补偿和校正系统误差。温度灵敏度、随机误差和系统误差的总和决定了测温仪的测量误差，即精度。二、距离系数测温仪到被测物体的距离与被测物体最小允许直径之比定义为测温仪的距离系数，即 (4-7)式中的是指被测物体在垂直于测温仪光抽方向投影面积的最小允许直径。距离系数是表明探测距离对测量结果影响的系数，只有在的范围内，测量结果与距离无关。的值可从几十到几百。距离系数大，会给测温仪的设计制作带来一定的困难。4.3.3 测温仪的基本工作原理及其组成辐射测温仪通常是用于对面目标(扩展源)进行测温，即通过测量目标的辐射亮度进行测温。若辐射测温仪用于对点源目标测温则探测距离会对测量结果带来影响，

10、因而要根据不同的探测距离对测量结果进行适当地修正。 测温仪由以下四大部分组成，即光学系统、探测器、信号处理电路和显示机构。下面结合各组成部分来说明测温仪的基本工作原理。 光学系统收集目标的辐射能并将它聚焦在探测器上(探测器置于光学系统的像平面上)。它可以是透射式、反射式或折反式的光学系统。为了消除探测距离对测温的影响，使被测目标始终充满光学系统的视场，对于被测目标较小、探测距离又是变化的情况下，测温仪的光学系统通常是可调焦式的。探测器类型的选择与测温仪的工作波段有关。选择工作波段的原则是：在所选工作波段内目标辐射功率大、发射率较高、大气吸收小、有合适的高灵敏度的探测器等。一般用于高温测量（80

11、0以上）时，选择波长短、光谱带宽很窄的波段范围，这就是亮度测温仪，低于800的目标，则选波长较长，光谱带宽很宽的工作波段，通常称宽波段的测温仪为部分辐射测温仪。亮度测温仪可选择光电探测器；部分辐射测温仪和全辐射测温仪可采用热电探测器或光电探测器。在探测器的前面放置调制盘或调制片，通过它的转动或摆动对辐射起斩光作用。这样从深测器输出的将是交变电压信号，这个电信正比于目标辐射与调制片辐射之差。信号处理电路对来自探测器的目标温度信号进一步放大、变换和校正。部分辐射测温仪的电路组成方块图如下图所示。其中前置放大器和主放大器作用是对目标信号进一步放大。带通滤波器对目标信进行选频放大，并滤除十扰噪声。目标

12、信号经移相后运入相敏检波器。由一个多谐振荡器产生方波信号，分别带动振子和作为相敏恢波器的基准信号，则基准信号与目标信号同频率。基准信号对相敏检波器起开关作用，相敏检波器对目标信号进行同步检波，使相敏检波器输出的直流信号最大。积分器把系统带宽进一步压缩，削弱了附加噪声和干扰的影响，由积分器输出的直流电压正比于目标辐射和调制片辐射之差。调制片的辐射即为环境况度的辐射，在调制片附近放一个环境温度敏感元件用于检测环境温度，得到的电信号经直流放大器进一步放大后，作为环境温度补偿电压输入加法器中与积分输出电压相加，此时由加法器输出的直流电压就正比于目标辐射。此电压与目标温度成指数关系，用这一电压来指示目标

13、温度，表头是不均匀刻度，这对仪器的分档和读数带来不便，还会产生较大约测量误差，同时也不能配合数字式仪表进行显示，为此线性化电路使加法器输出的电压线性化。由线性化电路输出的线性化信号就可以送入显示机构进行温度显示。显示机构用来指示目标温度，线性化的信号可直接送入表头进行显示，也可用直流数字仪表进行显示，后者的显示精度高于前者。以上所述为亮度测温仪与部分辐射测温仪的基本工作原理。双色测温仪的工作原理与亮度测温仪和部分辐射测温仪不同。下图为不同温度下黑体的光谱辐出度曲线，从中可以看出，两个窄波段和内的黑体辐射功率的比值随温度不同而不同，因此不同的比值就代表被测物体的不同的温度。根据这一原理，双色测温

14、仪要分别接收两个窄波段和处的目标辐射功率，这一点和两台窄波段部分辐射测温仪相同。由两个波段辐射功率产生的输出信号，通过电路系统取它们的比值，这个比值即表示了被测目际的温度。下图为双色测温仪组成原理方块图。为了分别测出和波段的辐射功率，设置调制盘花纹如图，黑色表示不透光部分，外围的白色为透光部分，内圈的白色和斜线分别表示透射和波段的滤光片。调制盘旋转，使目标辐射中的波段和波段交替射入探测器。调制盘外围花纹通过光电方法产生方波基准信号，这个基准信号与探测器输出的对应和的双色信号，同步，波形图如下。利用同步信号把双色信号分离成对应和的两路信号和，对它们分别进行环境温度补偿后，在除法器中求出它们的比值

15、，比值与温度的关系不是线性的，通过一非线性放大器(如折线放大器)变成线性关系即可送入显示机构显示目标温度。4.3.4 影响测量误差的因素及其补偿方法一、环境温度变化的影响及其补偿方法（一）、环境温度变化对测量误差的影响探测器接收到的能量可表示为 （48）式中，为与目标特性、大气传输特性、光学系统参数、探测器参数相关的系数，为目标温度，为环境温度，也就是调制片温度。探测器输出电压为 （49）式中，为探测器响应度。可见，若响应度为常数，则探测器的输出不仅与目标温度有关，也与环境温度有关，即使目标温度不变，当环境温度变化时，探测器输出也是变化的，不能用此时的探测器输出表示目标温度。为了消除上述测量误

16、差，通常采用电气补偿法，即外加一个电信号（与背景温度有关），抵消背景温度对探测器输出的影响，参见部分辐射测温仪方块图，由环境温度敏感元件感受环境温度，得到的电信号经放大器放大后作为补偿电压加入加法器中。设放大器和相敏检波电了的总增益为，则由相敏检波器输出的电压为 （410）若补偿电压为则补偿后的电压为 （411）仅与目标温度有关，与环境温度无关，从而消除了环境温度的影响。 (二)探测器响应率随环境温度变化对测量结果的影响及补偿方法 大多数探测器的响应率都随环境温度变化而变化，如热敏电阻，升高时，降低，具有负温度系数。如果放大器的增益不变，则式410)中的值就要随而变化，使值也随而变化，产生测量

17、误差。补偿方法可采用在随变化的同时，使放大器总增益也随而变化，结果使总的乘积不变，则不变，使消除了对影响而带来的测量误差。参见部分辐射测温仪方块图，在主放大器的反馈回路中，接入一个负温度系数的热敏电阻使放大器的增益随的升高而升高，即保证了响应率与增益的乘积不变，这样经放大器放大后的信号就和响应率随环境温度的变化无关了。这种方法不减小信噪比，温度补偿范围也宽。二、发射率的影响及校正由式(48)可知，式中的值与目标发射率有关，因此不同直接影响的值，影响到测量误差。校正时取l(黑体)为标准，当减小时，使放大器增益变大，即应使发射率与放大器增益保持不变，从而使放大后的信号保持不变。部分辐射测温仪方块图

18、所示的测温仪是在主放大器的反馈回路中，设置丁一组可变电阻这些可变电阻的值分别对应不同的值，接入不同的电阻值放大器有不同的放大倍数，由测温仪面板上的旋钮调节。测量时，按被测目标查附表，找到相对应的发射率值，然后按发射率值把旋钮调到对应的刻度上。这样测量结果就和测量同温度的黑体时结果一致了。 三、探测距离的影响及校正方法如下图，当目标直径、探测器直径、距离、焦距四者之间满足关系式时，目标的像恰好盖满探测器的面积，则光学系统所接收的能量全部落到探测器上。设目标辐射亮度是均匀的，则当时，系统接收的能量不变，测量结果和距离无关。在这种情况下，我们把定义为距离系数。当不变，若，则接收能量发生变化，产生测量误差。可见，距离系数表明在满足