《红外系统》课件第5章 辐射测温系统

5.1概述5.2辐射测温仪的基本构成和工作原理5.3亮度温度及亮度法测温仪5.4辐射温度及全辐射测温仪5.5比色温度及比色测温仪5.6三种辐射测温方法的比较5.7多光谱辐射测温法5.1概述根据系统的工作方式,辐射测温仪可分为亮度(单色)测温仪、比色(双色)测温仪、宽带(全波长)测温仪和多波长测温仪等。根据系统的使用方式,辐射测温仪可分为便携式测温仪、手持式测温仪和固定安装式测温仪等。根据能量的传输方式,辐射测温仪可分为光纤式测温仪和一般光学式测温仪等。根据测量目标的多少,辐射测温仪可分为单目标测温仪、线目标测温仪和面目标测温仪等。在系统制造方面,辐射测温仪的发展经历了以下几个阶段:隐丝式光学高温计阶段;用光电倍增管作为检测器的光电高温计阶段;用硅光电二极管、碲镉汞等作为检测器的光学测量和光电精密测温阶段。辐射测温仪的主要优点如下:(1)非接触测量。(2)测量范围广。(3)测温速度快。(4)灵敏度高(5)使用灵活。辐射测温仪的主要缺点如下:(1)由于被测物体是非黑体,测得的是辐射温度而不是真实温度,其测量需要进行材料发射率的修正,而发射率是一个影响因素相当复杂的参数,使测温的数据处理难度较大。(2)辐射温度仪测出的温度是被测物体的表面温度,当被测物体内外温度分布不均时,它不能测出物体的内部温度。(3)辐射测温原理相对复杂,温度仪的结构要求各不相同,且价格较昂贵,因而不能被广泛使用。(4)由于是非接触测温,所以受客观环境中间介质影响较大,特别是工业现场周围环境恶劣(如烟雾、灰尘、水蒸气、二氧化碳等),对测量准确度有一定的影响。5.2辐射测温仪的基本构成和工作原理5.2.1辐射测温仪的基本构成1.光学系统图51所示为典型辐射测温仪的光学系统。2.光电探测器光电探测器是辐射测温仪的关键元件,它在很大程度上决定了测温仪的测量范围、测温灵敏度和长期稳定性(即测温仪的准确度)。在选择光电探测器时,应考虑的主要因素有光谱响应度、响应度的稳定性、线性度、响应速度、工作模式和工作温度等。3.信号处理电路在现代辐射测温仪中,普遍使用信号处理电路,具体包括以下几种:1)模拟放大电路由于探测器的输出信号很微弱,一般需要进行模拟放大和预处理后,才能与信号处理电路相匹配。选用低噪声及零漂移(或低漂移)的放大器是模拟放大电路的关键。2)测温仪计算电路为了获取温度读数,必须对探测器输出信号进行处理,通常将这一部分电路称为计算电路。在现代测温仪中,通常采用微处理器来完成这一工作。在测出温度信号的瞬时值之后,可以根据需要给出不同时间间隔的平均位温度、峰值温度、谷值温度及温度偏差等输出信号。发射率校正一般也在这个环节完成。不但单波段测温仪及全辐射测温仪要将测量得到的亮度温度及辐射温度根据反射率大小换算出真实温度,比色测温仪也要根据发射率的比值进行修正,从比色温度(或颜色温度)换算出真实温度。3)输出电路、存储电路及通信电路为了与其他仪表匹配,一般测温仪需要输出与温度成线性关系的电流或电压值,一般为4~20mA、0~20mA,1~5V、0~30V等标准形式。这样,可直接与控制仪表或测温仪量仪表相连接。在便携式测温仪中,通常还配备存储电路,可以存储几百个至数千个温度数位。在每个温度存储数值中,往往还附带标注测量时间及测量条件。在某些测温仪中,还配置通信电路。操作者可通过过程计算机对测温仪进行询问或重新调整参数(如发射率等),对测温仪进行遥控,同时测温仪也不断地向计算机报告现场情况。随着现代电子技术的快速发展,电子线路集成度越来越高,信号处理电路体积越来越小,这部分可小到放置到测量探头中,形成所谓的一体化测温仪。5.2.2辐射测温仪的工作原理为了便于描述辐射测温仪的工作原理,可将辐射测温仪简化为图52所示的形式。1.测温仪输出信号当辐射测温仪用来测量物体表面的真实温度时,会出现两个问题:第一,物体表面的发射率(影响来自物体的热辐射)是未知的;第二,来自环境以及被环境所吸收的辐射的干扰(可明显地影响到达探测器的辐射)。此外,来自周围物体的热辐射或其他电磁辐射也会产生影响,造成更多的不确定性。对于图52所示的辐射测温仪,如果不考虑周围环境及大气的影响,则在光谱区间λ1~λ2内,系统的输出信号可以写为当系统已确定时,Ad、ωo、τo(λ)以及Ri(λ)均为已知,所以可以定义系统的光谱响应度Rsysi(λ)=Adωoτo(λ)Ri(λ),因此,式(52)可以写为2.距离系数由图52可以看出,当目标(被测物体)直径D、探测器直径d、工作距离l、光学系统焦距f四者满足一定关系时,目标的像恰好覆盖探测器的面积,则光学系统所接收的能量全部落到探测器上。由透镜成像光学可知而由图52可知,目标大小D和像大小d满足:由式(54)和式(55)可得,如果要求目标的像恰好覆盖探测器的面积,则目标大小应满足:当目标距离较远时,有l/f≫1,由式(56)可得由式(57)并结合图52可知,如果目标辐射亮度L(λ,T)是均匀的,则当l<Df/d时,目标像大于探测器尺寸,探测器表面的辐照度为常数,系统输出S与距离l无关;当l>Df/d时,目标像小于探测器尺寸,探测器表面的辐照度随测量距离的变化而改变,系统输出S随距离l的增大而减小,如果不能准确知道目标距离,就会产生测量误差。由此可知,对于一定大小D的被测目标,存在一个临界距离Df/d,该临界距离与系统参数f/d有关,因此,可定义距离系数Kl,即距离系数给出了满足一定测量误差条件下的探测距离限制,它也是测温仪的主要参数之一。在光学系统成像为理想的条件下,距离系数由Kl=f/d确定,考虑到光学系统像差以及装校误差时,实际的Kl值要比计算值大大减小,故Kl应取实测值。通常情况下,带瞄准光学系统的测温仪的距离系数较大(而被测目标点很小),一般大于50;不带瞄准光学系统的测温仪,一般物镜也不用调焦,距离系数一般在30以下。图53给出了两种典型测温仪的距离系数图,其中图53(a)为标准焦距测温仪的距离系数图,图53(b)为近焦距测温仪的距离系数图。5.3亮度温度及亮度法测温仪5.3.1亮度温度的定义和测温仪定标实际物体(非黑体)在某一波长下的单色辐射亮度与黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时,该黑体的温度称为实际物体的亮度温度,简称亮温。如果测温仪光学系统的光谱透过率τo(λ)具有理想的窄带滤波形式,即在选定工作波长λe处Δλ带宽内为常数,而在Δλ外为零,如图54(a)所示,此时系统的光谱响应度Rsysi(λe)为常数。由此可知,对于这种理想的辐射测温仪,在选定工作波长λe处对已知温度T0的黑体进行测量时,可通过输出信号Sb(T0)来确定系统的响应度Rsysi(λe),即完成测温仪的定标。由于Rsysi(λe)为常数,因此在整个测温范围内,系统的响应输出与单色辐亮度具有线性关系,如图55所示。5.3.2亮温与物体真温的关系设某一物体的真实温度为T,选定工作波长λe处的光谱发射率为ελe,则该目标在波长λe处的光谱辐射亮度为L(λe,T)=ελeLbb(λe,T),其中Lbb(λe,T)为黑体光谱辐亮度。在这种情况下,将亮度法测温仪对准该物体进行测量时,利用式(510)可直接写出Δλ内的系统输出信号:根据定义,当该物体的光谱辐射亮度L(λe,T)与温度Tl下的黑体光谱辐射亮度Lbb(λe,Tl)相等时,这一黑体温度Tl就称为物体的亮度温度。因此,由式(510)可知,当测温仪对准处于温度Tl的黑体进行测量时,系统输出信号应为此时,有即而黑体的光谱辐亮度Lbb(λe,T)为由式(514)和式(515),并根据维恩近似,可得5.3.3亮度法的性能根据亮度法的定义及式(516)可知,亮度法的相对灵敏度为表观温度与真实温度的偏差为发射率误差引起表观温度误差为由于ελe总是小于1的正数,因此可以得出如下结论:(1)实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度,即Tl<T。光谱发射率越小,亮度温度偏离真实温度越大;反之,光谱发射率越接近于1,则亮度温度越接近真实温度。换句话说,亮度温度的修正量总是正值。(2)若ελe保持恒定,则物体的亮度温度对真实温度的偏离随着工作波长λe的增大而增大。(3)若物体的真实温度保持恒定,则亮度温度随着波长的增大而减小。5.3.4有效波长由式(516)可知,物体的真实温度T是一个确定的量,而亮度温度Tl是一个与波长相联系的量,因此,未注明对应波长λe的亮度温度是没有意义的。另外,ITS90国际温标中规定,银凝固点(1234.93K)以上的温度,是以普朗克辐射定律为理论基础,采用光谱辐射亮度比的方法来决定温度的,其表达式为1.有效波长的概念为了把式(520)所给出的物理概念与式(53)所反映的物理过程联系起来,进而解决实际测量中光谱波段要求的问题,就需要引入有效波长的概念。引入有效波长的概念之后,将使测温系统在光谱区域内所测的辐射亮度之比等于在该有效波长下的单色辐射亮度之比,从而可以把普朗克辐射定律用于实际测量中,不会带来任何理论上的偏差。实际上,有效波长理论是整个辐射测温理论的重要组成部分,它对推动辐射测温学理论的发展起了重要作用。为了得到一般的结论,将式(520)所用的两个温度点T0和Tx用任意一对温度点T1和T2代替,其中T1<T2。在某一可以确定的波长下,对应于温度T1与T2的黑体的单色辐射亮度之比等于在相同温度下测温仪所接收到的黑体辐射亮度之比,则此波长称为该测温仪在温度间隔(T1,T2)内的平均有效波长或有效波长。利用式(53)可知式(521)在理论上是完全严格的,不带任何近似,而且存在数学上的唯一性,该定义式的意义在于把实际测量与理论公式科学地联系起来。为了能使用比较简单的数学形式,将维恩近似代入式(521),于是有将式(522)两边取自然对数,有式(524)表明,有效波长并非单色测温仪的特征常数,它不仅与测温仪光学系统的光谱透过率以及探测器的光谱响应度有关,而且还与所取的两个温度点以及它们的间隔有关。2.极限有效波长当温度T1无限趋近于T2,即温度区间(T1,T2)为无限小时,此温度区间的有效波长或平均有效波长λe就变为在一个温度点上的有效波长,该有效波长被定义为在温度T下的极限有效波长λT,其表达式为极限有效波长λT可以看作是在无限小温度间隔(T,T+dt)内的平均有效波长。利用式(53),可将式(521)写成由此可得有对式(528)两边在T2趋近T1时求极限,并注意到λe的极限即是λT,则有在式(529)中,有将以上各式代入式(529),得式(535)即极限有效波长λT的计算公式。由于Rsysi通常只可能得到数值,而不是解析表达式,因此,式(535)只可能进行数值积分,采用图表方式来表示它与温度的关系。引入极限有效波长的概念是有意义的。尽管极限有效波长并不能直接用于具体的温度测量,但是,由于它同平均有效波长之间存在确定的关系,因而给计算有效波长带来较大的方便。进一步的分析表明,有效波长λe与极限有效波长λT之间的关系,可用较为简单的经验公式表示,即计算表明,利用上述经验公式可以准确计算到四位有效数字,这对温度测量来讲,已经足够了。所以,只要预先计算出在各温度点下的极限有效波长值,就可利用式(536)计算出任何温度区间的有效波长。5.3.5典型亮度法测温仪1.亮度测温仪的构成亮度测温仪也称单波段测温仪,它是应用最广泛的辐射测温仪。图51所示的光路图也是典型的亮度测温仪光路图,探测器通常采用光电二极管。由式(53)可知,当用亮度测温仪瞄准温度为T的黑体时,系统输出的光电流Ip为而当测温仪瞄准温度为Tr的黑体时,系统输出电流Ipr为引入有效波长λe,由式(521)可得λe称为在温度间隔Tr至T之间的平均有效波长。引入λe概念后,把实际应用中有限带宽(λ1~λ2)的测量值与单色光谱辐射值联系起来。严格地讲,平均有效波长是测温仪光谱特性和黑体温度的函数。在基准和标准测温仪中,为了提高测量精度,在标定时要考虑有效波长随温度范围变化而产生的微小变化。而在常用的单波段测温仪中,通常可认为有效波长是恒定的,由此而引起的标定误差在规定精度允许范围之内。将普朗克公式代入式(539),若已知温度Tr,测出系统的输出Ip和Ipr之后,可得待测温度T为当λeT≪c2时,利用维恩近似代替普朗克公式,则式(540)可近似为2.标准辐射测温仪对基准或标准测温仪,必须采用式(540)作为标定的基本公式;对一般用单波段测温仪,可采用简化的式(541)作为计算被测温度的基本公式。例如,根据式(541),由两个温度点T及Tr相对应的Ip及Ipr,可得到λe值为由式(540)或式(541)可知,只要知道测温仪的有效波长λe值,当用黑体标定测温仪时,只要标定Tr一点的光电流值Ipr,即可根据实测某温度时的光电流Ip计标出该点的温度值T。用黑体标定后的测温仪去直接测量实际物体的温度时,测得的是该物体的亮度温度Tl,而不是真实温度T。要得到真实温度T,需设置该物体的光谱发射率ελ。根据亮度温度的定义,由式(516)可得真实温度和亮度温度的关系为真实温度与亮度温度的差值同物体的光谱发射率及所选的波长有关。图5-6给出了各种光谱发射率下,T-Tl与波长之间的关系曲线。对于单波段测温仪,工作波段的选择是非常重要的,通常应遵循以下原则:(1)就相对灵敏度而言,波长越短,相对灵敏度越高。(2)虽然在大多数辐射测温情况下,主要应考虑相对灵敏度,但在测低温目标时,由于目标的辐射能量很小,在测温波段选择时应考虑让绝对灵敏度最大。(3)测温波段应选择目标发射率较高的波段。(4)在大气中总是存在水蒸气、CO2、O3等成分,这些成分有其特定的吸收带,因此,测温波段的选择应尽量避开这些吸收带。3.工业用辐射测温仪工业用辐射测温仪的探测器,目前高温型大部分采用硅光电二极管。硅光电二极管的优点有:比探测率高,有利于制作小目标或远距离辐射测温仪(距离系数较大);测温有效波长在1μm左右,因而受水蒸气等吸收影响小;稳定性好;响应速度快(响应速度达纳秒级);适合在常温下工作,在环境温度为-20℃~80℃范围内均可正常工作,非常适合工业应用。硅光电二极管的主要不足是:工作波段在1μm左右,因而使测温下限在600℃左右,从而限制了它只能适用于高温辐射测温仪。对于测温下限在200℃左右的中温辐射测温仪,主要选择铟镓砷(InGaAs)探测器。尽管铟镓砷的性能略次于硅光电二极管,但测量波段为0.8~1.9μm,峰值波长为1.55μm,因而能将测温下限延伸到200℃左右。对于用途很广的低温辐射测温仪,探测器多采用热电堆。由于热电堆没有光谱选择性,因而常用8~14μm大气窗口,对应的测温下限可达-30℃左右。由于光谱通带太宽,因此它属于部分辐射测温仪(有效波长不能认为是固定的,λe随被测温度值增加而略为变短)。工业用辐射测温仪是应用最广泛的测温仪,可以做成在线式(探测头和二次仪表分开,适合生产线应用),也可以做成便携式(探测头和二次仪表做成一体)。随着电子技术的发展,信号处理电路的集成度大幅度提高,在线式和便携式在制造难度上已经没有多大差异。5.4辐射温度及全辐射测温仪5.4.1辐射温度的定义和测温仪定标当实际物体(非黑体)的全辐射出射度与黑体的全辐射出射度相等时,该黑体的温度称为实际物体的辐射温度。由于Rsysi为常数,因此在整个测温范围内,系统的响应输出与其全辐射出射度Mbb(T)=σT4具有线性关系,如图59所示。由式(53)可知5.4.2辐射温度与真温的关系设物体的真实温度为T,总发射率为ε,此时该物体的全辐射出射度M(T)=εσT4,当全辐射测温仪对准该物体进行测量时,系统输出信号应为根据定义,当该物体的全辐射出射度M(T)与温度Tr下的黑体全辐射出射Mbb(Tr)相等时,这一黑体温度Tr就称为物体的辐射温度。因此,由式(545)可知,当测温仪对准处于温度Tr的黑体进行测量时,系统输出信号应为此时,有即可得式(550)表明了辐射温度Tr与真实温度T之间的关系。5.4.3全辐射测温仪的性能根据全辐射法的定义及式(550)可知,全辐射法的相对灵敏度为表观温度与真实温度的偏差为发射率误差引起表观温度误差为对于任何实际物体,其总全发射率总是小于1的正数,因此,由式(550)可以看出,辐射温度总是小于真实温度,即Tr<T。ε越接近于1,物体的辐射温度越接近其真实温度。在ε=ελe的情况下,辐射温度对真实温度的偏离要比亮度温度对真实温度的偏离大得多。5.4.4典型全辐射测温仪全辐射测温仪通常采用热探测器,如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等,因为它们可以提供一个很宽的光谱工作区域。典型的全辐射测温仪的工作原理如图510所示,被测目标的辐射能经过透镜聚焦在热探测器(热电堆)的受热区上。受热区上有许多由串联的微热电偶构成的热电堆,受热区将接收到的辐射能转变为热能,而使受热区的温度升高。热电堆对受热区的温度敏感而产生相应电压信号。5.5比色温度及比色测温仪5.5.1比色温度的定义和测温仪定标实际物体在某两个波长处的光谱辐射亮度之比与黑体在该两个波长处的光谱辐射亮度之比相等时,该黑体的温度称为实际物体的比色温度,简称色温。比色测温仪是利用被测目标两个不同波长光谱辐射亮度之比实现辐射测温的,如图54(d)所示。与亮温测温仪一样,比色测温仪也使用黑体进行定标。如图511所示,设温度为T0(如1000K)的黑体在波长λe1和λe2处的光谱辐射亮度为Lbb(λe1,T0)和Lbb(λe2,T0),由式(510)可知,在波长λe1和λe2处对该黑体进行测量时,有因此,有由式(557)和图511可知,由于系统光谱响应度在λe1和λe2处是确定的,则C=Rsysi(λe1)/Rsysi(λe2)为常数;同时,由于Lbb(λe1,T0)Δλ=A1,Lbb(λe2,T0)Δλ=A2,令其中,Bb(λe1,λe2;T0)为图511中两条矩形面积A1、A2之比。因此,有由式(559)可知,对已知温度T0的黑体进行测量时,通过输出信号比Sb(λe1,λe2;T0)=Sb(λe1,T0)/Sb(λe2,T0),即可确定系统的响应度比Rsysi(λe1)/Rsysi(λe2),从而完成测温仪的定标,如图512所示。由于C为常数,因此在整个测温范围内,系统的响应输出S(λe1,λe2;T)=S(λe1,T)/S(λe2,T)与其辐射亮度比B(λe1,λe2;T)=L(λe1,T)Δλ/L(λe2,T)Δλ具有线性关系,即5.5.2比色温度与真温的关系设物体的真实温度为T,在波长λe1和λe2处的发射率分别为ελe1和ελe2,光谱辐射亮度分别为L(λe1,T)=ελe1Lbb(λe1,T)和L(λe2,T)=ελe2Lbb(λe2,T)。当比色测温仪对准该物体且在波长λe1和λe2处进行测量时,系统输出信号应为根据定义,当该物体在波长λe1和λe2处的光谱辐射亮度比值L(λe1,T)/L(λe2,T)与温度Ts下的黑体光谱辐射亮度比值Lbb(λe1,Ts)/Lbb(λe2,Ts)相等时,这一黑体温度Ts就称为物体的比色温度。因此,由式(560)可知,当测温仪对准处于温度Ts的黑体进行测量时,系统输出信号应为此时,有可得将维恩近似代入,可得比色温度与真实温度之间的关系式(565)可以写为或式(566)和式(567)中,λe1,e2为比色测温仪的等效波长,即由式(565)可以看出比色温度与真实温度之间的关系:(1)当ελe1=ελe2,即物体为灰体时,式(565)的右侧等于零,从而Ts=T。也就是说,灰体的比色温度等于它的真实温度。当然,绝对灰体在自然界中是不存在的。(2)当λe1<λe2,ελe1>ελe2时,即物体的光谱发射率随波长的增大而减小的情况,大多数金属材料属于这种情况,此时ln(ελe1/ελe2)>0,因此,这类物体的比色温度Ts大于它的真实温度T,即Ts>T。这一特点与上述的辐射温度和亮度温度不同,即它们均小于真实温度,而比色温度有可能大于真实温度。(3)当λe1<λe2,ελe1<ελe2时,即物体的光谱发射率随波长增大而增大的情况,大多数非金属材料包括金属氧化物属于这种情况,此时ln(ελe1/ελe2)<0,因此,这类物体的比色温度小于它的真实温度,即Ts<T。(4)由比色温度求真实温度时,没有必要知道发射率的绝对值,只要知道在两个波长下发射率的比值。这一点很重要,因为测量光谱发射率的比值,要比测量光谱发射率的绝对值简单,而且准确。5.5.3测温仪的性能同样,经过与单波段测温仪类似的换算,可得出比色测温仪的相对灵敏度为表观温度与真实温度的偏差为发射率误差引起表观温度误差为将式(569)与单波段测温仪的式(517)比较,可认为比色测温仪相当于等效波长为λe1,e2的单波段测温仪。根据单波段测温仪的结论可知,比色测温仪的灵敏度低于单波段测温仪,因为λe1,e2总是大于λe1和λe2。在色温的测量中,波长λe1与λe2选择适当时,绝大多数物体的色温要比其亮度温度及全辐射温度更接近于它们的真实温度。比色测温仪的两个测量波段之间的间隔选择很有讲究。当两个波段间隔选择较近时,灵敏度会较低;增加两个波段间隔会增大灵敏度;但间隔增大可能会导致在两个波段下,材料光谱发射率的差异增大,从而导致较大的测量误差。此外,在选择测量波段时,应考虑中间介质不能对两个测量波段有选择吸收,否则会造成很大的测量误差。当然,两个测量波段的选择还要考虑光电探测器应在这两个波段均有足够的灵敏度。总之,比色测温仪的两个测量波段的选择,要兼顾上述诸因素,综合平衡进行优选。5.6三种辐射测温方法的比较辐射测温的三种基本方法的表观温度数学表达式