2.5 辐射式温度传感器

1）传感器与被测对象不接触，不会干扰被测对象的温度场，故可测量运动物体的温度，且可进行遥测。2）由于传感器与被测对象不在同一环境中，不会受到被测介质性质的影响，所以可以测量腐蚀性、有毒物体、带电体的温度，测温范围广，理论上无测温上限限制。3）在检测时传感器不必和被测对象进行热量交换，所以测量速度快，响应时间短，适于快速测温。4）由于是非接触测量，受工作环境影响大，故测量精度不高，测温误差大。与接触式温度传感器相比，具有以下特点：2.5辐射式温度传感器非接触式测温：敏感元件不需要与被测介质接触。

辐射式、超声波式、微波式、电涡流式等主要内容

2.5.1辐射测温的基本原理2.5.2典型系统组成2.5.3影响因素2.5.4/5辐射测温方法及比较2.5.6选型及使用注意事项辐射波长范围：在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线；随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动；在5000℃左右时，辐射光谱包括了部分可见光；到8000℃时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000℃时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。

图2.5.1黑体辐射的光谱分析辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度。2.5.1辐射测温的基本原理--辐射测温基础1、普朗克定律（黑体辐射定律，BlackbodyLaw）辐射出射度M：离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，单位为瓦/米2(W/m2)。全幅射体的光谱辐射出射度Mb（单位：w/m2）与波长λ和温度T关系

为波长；c1=3.7418*10-16(w.m2)第一辐射常数(普朗克);c2=1.4388*10-2(m.K)，第二辐射常数（玻尔兹曼）2、使用条件：温度低于3000K，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1%维恩位移定律（维恩公式，Wien’sdisplacementLaw）--热辐射测温的基本定律(BasicLawforBlackBodyRadiation)2.5.1辐射测温的基本原理3、斯忒藩－波尔兹曼定律（Stefan-BoltzmanLaw,全辐射强度定律，也称为四次方定律）1）MO与Mb的关系M0是波长

从0∞之间全部光谱辐射出射度的总和2）M0的公式（斯忒潘—玻耳兹曼定律:)

物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比

斯忒藩－波尔兹曼常数σ,5.67032*10-8W/(m2.K4)

全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。根据所采用测量方法的差异，辐射式温度传感器可分为：全辐射式温度传感器亮度式温度传感器比色式温度传感器2.5.4辐射测温方法一、全辐射式温度传感器绝对黑体的全辐射能与温度的关系为：波尔兹曼系数热力学温度灰体的全辐射能与温度的关系为：

若灰体在某一温度T时的全辐射能跟绝对黑体在温度TF时全辐射能相等，则TF称为该灰体的辐射温度。一、全辐射式温度传感器被测物的辐射能量经物镜

聚焦到热电堆的靶心铂片上，将辐射能转化为热能，再由热电堆变成热电动势，再由显示仪表显示出热电动势的大小，由热电动势

数值可知所测温度的大小。这种传感器适用于远距离，不能直接接触的高温物体，其测温范围为（100~2000）℃热电堆结构和补偿光阑(a):1－云母基片；2－受热靶面；3－热电耦丝；4－引出线(b):1-补偿片；2-双金属片物体在波长λ下的亮度Lλ和它的光谱辐射出射强度Eλ成正比。

全辐射体：

实际物体：二、亮度式温度传感器

常用的亮度传感器：灯丝隐灭式亮度传感器光电式亮度传感器二、亮度式温度传感器二、亮度式温度传感器

特点：亮度式温度传感器利用物体的单色辐射亮度随温度变化的原理，并以被测物体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度进行比较来测量温度。

测温原理:这种传感器量程较宽，有较高的测量精度，一般用于测量(700~3200）℃范围的浇铸、轧钢、锻压、热处理时的温度光学高温计光学高温计与光电高温计光学高温计：测量时要手动平衡亮度；人判定平衡点，平衡点还可能因人而易；故它不是连续性测量仪表，应用受限制。光电高温计：

光电器件代替人眼，作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。三、比色温度传感器测温原理：当温度变化时，物体的最大单色辐射出射度将向波长增大或减小的方向移动，使两个固定波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度比值变化。因此，测出两者比值即可知被测温度。由于是比较两个波长的亮度，故称之为“比色测温法”三、比色温度传感器若比色温度计所选波长很接近，则单色辐射黑度系数也十分接近，所测比色温度TC近似等于真实温度T，这是比色高温计很重要的优点。三、比色温度传感器

比色高温计比其它辐射式高温计的测温准确度高。因为中间介质（水蒸气、CO、CO2等）的吸收，对单色辐射强度比值的影响较小；因比色温度接近于实际温度，如对被测物体无法得知其全辐射系数时，当然用比色温度来代替实际温度比其它方法更准2.5.5典型辐射测温方法比较1、亮度测温定义：测出物体在某一波段上的辐射亮度，确定被测物体的温度(PLANKLAW)。使用滤光片优点：结构简单、使用方便、灵敏度高、抗干扰。缺点：有一定偏差2、全辐射测温定义：测出物体在整个波长范围内的辐射能量，确定被测物体的辐射温度。(斯忒潘—玻耳兹曼定律,四次方定律）优点：结构简单，价格便宜缺点：容易受环境干扰，偏差较大。3、比色测温定义：测出物体在两个特定相近波长范围上的辐射能量之比，确定被测物体的比色温度。(WIEN'SLAW)优点：灵敏度较高，偏差小，中高温测量，抗干扰能力强。缺点：结构复杂，价格昂贵。1）分析：由于物体的的不同，辐射温度传感器测得同一辐射出射度M，在不同物体对应不同温度，所以显示仪表上标注的是辐射温度（绝对黑体对应的温度）2）辐射温度：被测物体真实温度为T，其对应的辐射出射度M，绝对黑体在温度Tr

时的辐射出射度Mb，M=Mb,温度Tr称为“辐射温度”3)辐射温度Tr低于被测物体的实际温度T。以全辐射法为例：

为被测物体辐射率辐射温度2.5.6选型及使用注意事项问题：同一传感器测量不同物体，假设仪表显示温度相同，这是否意味着它们的实际温度相等？（1）辐射率—受物体形状粗糙度等表面因素和测试角度等的影响。尽量创造全辐射体的辐射条件（2）按规定D/L（被测物体的直径D，被测物体与温度计之间的距离L）的范围，否则会引起较大的误差。L太大，被测物体在热电堆上成像太小，不能全部覆盖住热电堆十字平面，使热电堆接受的辐射能减小，指示偏低。L太小，物像照到光阑边缘和接近热电堆的其它零件上，使冷端温度升高，造成热电势下降，指示偏低，且中间介质影响大，也造成指示偏低。(3)