山东建筑大学热工检测课第7章

第七章非接触测温第1节辐射测温基本原理第2节单色辐射式高温计第3节辐射温度计第4节气体温度计第5节红外技术在温度测量中的应用第1节辐射测温基本原理

具有一定温度的物体都会向外辐射能量，其辐射强度与物体的温度有关，可以通过测量辐射强度来确定物体的温度。任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。如果某一物体在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量，则称此物体为绝对黑体。绝对黑体不管它们的组成成分如何，它们在相同温度下都发出同样形式的辐射电磁波。热辐射测温特点辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触，可实现遥测；感温元件不需达到被测物体的温度，从而不会受被测物体的高温及介质腐蚀等影响；热辐射测温特点辐射测温适用于很宽的测量范围，可达-50~6000℃。感温元件不会破坏被测物体原来的温度场；可以方便地用于测量运动物体的温度，动态响应好。基本公式绝对黑体的单色辐射强度为可以看出，只要已知绝对黑体的温度T以及波长λ，就可以求出它的单色辐射强度。当温度升高时单色辐射强度随之升高，曲线的峰值随温度升高向波长较短的方向移动。温度越高，它所辐射出的能量越集中在频率较高的部分，反之集中在红外波段当温度升高时，单色辐射功率也随之增大，其增大程度因波长不同而不同。当温度升高时，单色辐射功率的最大值向短波方向移动。当温度在3000K以下时，上式可用下式代替：当波长λ确定后，只要能确定相应波长的MOλ值，就可以求出温度T。黑体与灰体理想的绝对黑体在自然界中是不存在的，实际中的辐射体是灰体。在同一温度下对同一波长，灰体的辐射强度与绝对黑体之间的关系为：对于不同的灰体，系数ελ是不一样的测待测灰体的温度时Mλ可以测出，绝对黑体MOλ与T的关系已经知道，故可得温度。第2节单色辐射式高温计单色辐射式光学高温计利用亮度比较取代辐射强度比较进行测温的。物体的温度高于700℃时就会明显的发出可见光，并具有一定的亮度，其单色亮度Lλ与单色辐射强度Mλ成正比，即：一光学高温计亮度温度:在辐射波长λ上，当温度为T的灰体的亮度Lλ和温度为TS的黑体的亮度LOλ相等时，称TS为灰体在波长λ时的亮度温度。由于0<ελ<1TS〈T

当温度为TS的黑体的亮度与温度为T的灰体的亮度相等时有以下公式：由于0<εr<1TS〈T

结论:从光学温度计直接读到的温度，要比实际灰体的温度低，所以必须根据物体的灰度系数进行修正灯丝隐灭光学高温计

由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量。此种隐丝式光学高温计又称目视光学高温计或简称光学高温计。每一个电流对应的灯丝温度是已知的，如果两者的亮度相同，此温度即为物体的亮度温度。光学高温计的结构1-物镜2-吸收玻璃3-灯泡4-目镜5-红色滤光片6-指示仪表7-可调电阻WGG2-201型光学高温计

1－物镜；2－吸收玻璃；3－灯泡；4－红色滤波片；5－目镜；6－指示仪器；7－滑线电阻；E－电源；K－开关；R1－刻线调整电阻

光学高温计必须在某一定的波长下进行单色亮度比较。光学高温计采用红色滤光片与人眼构成了“单色器”，使人眼只能观察到波长为0.6～0.7μm范围的红色可见光（如图阴影部分），其平均波长约为0.66μm。人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围1人眼相对视见函数曲线μλ；2红色滤光片光谱透过率曲线τλ

灰色吸收玻璃的作用：光学高温计采用的是钨丝灯泡，当温度高达1400℃时，钨丝会发生升华使灯泡的性能改变。这就限制了光学高温计的测温上限。光学高温计附加了灰色吸收玻璃，单色光透过这种玻璃时其吸收作用会使亮度减弱。在结构上把灰色玻璃置于物镜与灯丝之间，这样人眼观察到的是灯丝的亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的亮度,在灯丝温度不超过1400℃的情况下能测量更高的温度。二光电高温计

光学高温计在测量时要靠手动平衡亮度，用人眼判断亮度是否平衡，所以不能连续测温，在应用上受到了一定限制。光电高温计可以自动平衡亮度，它是在光学高温计基础上发展起来的自动连续测温仪表。它采用硅光电池作为仪表的光敏元件，代替人眼睛感受被测物体辐射亮度的变化，并将此亮度信号按比例转换成电信号，经滤波放大后送检测系统进行后续转换处理，最后显示出被测物体的亮度温度。被测物体17与反馈灯15发出的辐射能交替照射到硅光电池4上。再由主放大器14作进一步放大后2.3光电高温计

输出驱动反馈灯15；反馈灯15的辐射能随着驱动电流的改变而相应变化当两个能量不相等时，硅光电池将产生一个与两个辐射亮度差成正比的脉冲光电流，经前置放大器13放大后以上过程一直持续到被测物体和反射灯照射到硅光电池上的辐射能相等为止。这时硅光电池4的脉冲光电流接近于零，而流经反馈灯电流数值的大小就代表了被测物体的亮度温度此电流值转换成电压后由电位差计16自动指示和记录被测物体的亮度温度。图中的透镜l0、反射镜11和观察孔12组成了一个人工观察瞄准系统，其作用是使光电高温计得以对准被测物体光栅盘由两片扇型光栅板组成,一块固定,一块可动，可动板受光栅调制电路控制,并按一定频率正、反向转动,实现开(透光)、关(不透光),使入射线变为一定频率的能量作用在探测器上。第3节辐射温度计测温原理

被测目标的辐射能用透镜收集起来，经光栏在涂黑的热电堆(由一组微细的热电偶串联而成）热接点上成像。热点堆将辐射能转变为热电动势后送到显示仪表，由显示仪表进行指示或记录被测物体的温度。第3节辐射温度计测温原理辐射温度：1-透镜2-可调光栏3-固定光栏4-热点堆受光面使用1）正确连接线路和外接电阻。2）环境温度不许高于100℃，否则应冷却。3）随着感温器到被测物体的距离L的不同，对被测物体的大小（通常指直径D）有一定的限制值，感温器要与被测表面垂直。4）显示仪表上读数为辐射温度，要修正得到物体的真实温度。第4节比色高温计测温原理根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度根据维恩位移定律，测得亮度比的变化便可测得相应的温度。第4节比色高温计比色温度:温度为T的物体在波长λ1和λ2下的光谱辐射亮度的比值，与温度为Ts的全辐射体在同样的波长λ1和λ2下的光谱辐射亮度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。特点：对于灰体来说，由于ελ1＝ελ2，所以T＝TS，这就是比色温度计的最大优点比色温度可小于、等于或大于真实温度。与真实温度之差小得多，测量准确度高。比色高温计可在恶劣环境中使用。以WDS-Ⅱ型比色高温计为例1一物镜2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光电池4一透镜5一分光镜6一红外滤光片7一硅光电池E28一硅光电池El9一可见光滤光片10一反射镜11一倒像镜12一目镜第5节红外温度计红外测温仪是一种测温上限较低的仪表，可测0～400℃范围的温度。前面介绍的几种辐射式测温仪表适于测700℃以上的高温。红外测温仪依据的是光谱辐射原理。当物体温度较低时，光谱辐射出射度最高点向波长较长的红外线波长区迁移，红外测温仪就工作在这个红外线波长区。它的原理和结构与辐射高温计、光电高温计相似。第5节红外温度计红外测温仪由光学系统、红外探测器、信号处理放大部分及显示仪表等部分组成。红外辐射又称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射是一种电磁波，它的波长范围大致在0.76μm到1000μm的频谱范围之内，相对应的频率大致在4×1014～3×1011Hz之间。第5节红外温度计红外探测器:把红外辐射能量的变化为电量变化的器件。分为红外热敏探测器和红外光电探测器。

■红外热敏探测器①热电偶型探测器②热敏电阻型探测器③热释电型探测器主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。但是，它的响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外辐射变化缓慢场合。■红外光子探测器①光电导（PC）探测器②光生伏特（PU）探测器③光磁电探测器（PEM器件）主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低温下工作，探测波段较窄。第6节红外热像仪可见光云图

可见光是波长从0.35～0.80μm很狭窄的波段。卫星在可见光谱段测量来自地面云面反射的太阳辐射，将卫星接收的这种辐射转换为图象称为可见光云图。卫星在可见光谱段选用的波长间隔有：0.52～0.75μm和0.58～0.68μm。可见光云图

卫星在可见光波段接收辐射与物体的反照率和太阳的天顶角有关，若太阳天顶角越小，物体的反照率越大，则卫星接收到的辐射越大，反之则越小。可见光云图

在可见光云图上，辐射越大，色调越白；辐射越小，色调越暗。通常云层越厚，反照率越大，色调也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表现为黑色，陆地反照率比海洋略大，表现为灰色，而潮湿或森林覆盖的地区表现为灰暗的色调。在电视显示的卫星云图上，地表和海洋常用绿色和蓝色表示。可见光云图红外云图

卫星在10.5～12.5微米测量地表和云面发射的红外辐射，将这种辐射以图象表示就是红外云图。在红外云图上物体的色调决定其自身的温度，物体温度越高，发射的辐射越大，色调越暗，红外云图是一张温度分布图。红外云图

由于大气有吸收及物体发射率不完全为1，卫星接收到的红外辐射要比实际表面温度发射的黑体辐射要小，故严格地说，红外云图是一张亮度温度分布图。红外云图

地面的温度一般较高，呈现较暗的色调；由于大气的温度随高度是递减的，故云顶高而厚的云，其温度低呈白的色调。低云的云顶温度较高，与地面相近，故在红外云图上不容易识别。由于各类云的云顶温度的差异较大，在红外云图上可以识别各种高度的云。红外云图

此外，地表的温度随季节、纬度、海陆分布及其本身的热惯量而不同，所以在红外云图上的色调亦不同。在电视显示的红外云图上，地表以绿色表示，以与云相区分开。红外云图台风云系红外彩色分层显示图

台风云系图

草原和森林火灾的监测

草原或森林发生火灾的地区，温度远高于周围地区。采用3.7μm波段对高温区特别敏感，利用3.7μm可以监测林区和草原发生的火灾。红色部分表示内蒙古地区林区及草原火灾图象光敏电阻光敏电阻在光线的作用下阻值往往变小。在黑暗环境里，它的电阻值很高。当受到光照时，增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的载流子将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

光电池的工作原理有关电荷正离子负离子正负离子都是不能移动的电荷自由电子空穴自由电子、空穴都是能自由移动的电荷有关电荷由正负离子形成的电场讲解当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在空间电荷区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。讲解同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。讲解当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系动画演示光电池基本特性（a）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5