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简介
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第四节 辐射式温度计
第四节 辐射式温度计
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。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。
第四节 辐射式温度计
一、辐射测温的基本原理
可见光的光谱很窄，其波长仅为0.3—0.72μm；红外光谱分布相对较广，其波长范围为O.72—l000μm。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.3—40μm。
自然界中所有物体对辐射都有吸收、透射或反射的能力，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。
根据基尔霍夫定律，具有最大吸收本领的物体，在其受热后，也将具有最大的辐射本领。人们称那些对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有关外，还与波长有关的物体为选择吸收体；称那些吸收(或辐射)本领与波长无关的物体为灰体。
绝对黑体的吸收系数L0＝1，反射系数β0＝0，理想的绝对黑体在自然界中是不存在的，人们为科学研究和实验所需已能设计出吸收系数为0.99土0.01的近似黑体。
绝对黑体在任何温度下都能全部吸收辐射到其表面的全部辐射能；同时它在任何一个温度上，它向外辐射的辐射出射度(简称辐出度)亦最大；其它物体的辐出度总小于绝对黑体，定义全辐射率(或称黑度系数) ，其值在0～1之间。
2. 测温基本原理
辐射测温的物理基础是普朗克(Ptanck)热辐射定律和斯蒂芬－玻耳兹曼(Stefan—Boltzmann)定律。绝对黑体的光谱辐射亮度L(λ，T)与其波长λ、热力学温度T的关系由普朗克定律确定：
(3-16)
如果波长λ与温度T满足C2／(λT)≥1，则可把普朗克公式简化为维恩(Wien)公式。在温度低于3000K，对于波长较短的可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差＜1％。
斯蒂芬—玻尔兹曼定律描述物体所辐射出来的全波段辐射能量与温度的关系，定律表达式为
式中 W——物体单位面积所发射的辐射功率，数值上等于物体的全波辐射出射度；
ε ——物体表面的法向比辐射率；
σ ——斯蒂芬—玻尔兹曼常数；
T ——物体的绝对温度(K)。
黑体的光谱辐射曲线
实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系如下式所示：
(3-17)
即在单位时间内，由绝对黑体单位面积上辐射出的总能量与绝对温度T的四次方成正比。式(3-17)被称作斯蒂芬一玻耳兹曼定律。
3.辐射式测温的特点
(1)辐射式测温是非接触测温，特别适合用于较远距离的高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；
(2)辐射式测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可测定温度，反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级；
(3)辐射式测温灵敏度高，由于物体的辐射能量与温度的四次方成正比，因此物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；
(4)辐射式测温准确度较高，由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实，其测量准确度可达到0.1℃以内，甚至更小；
(5)辐射式测温范围广泛，可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围；
(6)辐射式测温方法，几乎可在所有温度测量场合使用。测例如，各种工业窑炉、热处理炉温度测量、感应加热过程中的温度测量，尤其是钢铁工业中的高速线材、无缝钢管轧制，有色金属连铸、热轧等过程的温度测量等；军事方面的应用如各种运载工具发动机内部温度测量、导弹红外（测温）制导、夜视仪等；在一般社会生活方面如快速非接触人体温度测量，防火监测等等。
工程上，测定物体的辐射亮度，相对容易。故目前国内外使用的辐射式温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定物体的温度。我国目前生产的光谱辐射温度计有光学高温计、光电高温计、全辐射高温计、光导纤维高温计和硅辐射温度计等。
二、光学高温计
由于各物体的光谱发射率ελ不同，即使它们的光谱辐射亮度相同，其实际温度也不会相等；光谱发射率大的物体的温度比光谱发射率小的物体的温度为低。因此物体的光谱发射率和光谱辐射亮度是确定物体温度的两个决定因素，如果同时考虑这两个因素将给光学高温计的温度刻划带来很大困难。因此，现在光学高温计均是统一按绝对黑体刻度。
所以，用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。
亮度温度的定义是：在波长为 λ、温度为T时。某物体的辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0λ 相等，则称TL为这个物体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为
式中，ε(λ，T)——实际物体在温度为T、波长为λ时的光谱发射率；
T——实际物体的真实温度，单位为K;
TL——黑体温度，也即实际物体的亮度温度，单位为K。
物体的真实温度为
对于真实物体总是ελ＜1，故测得的亮度温度总比物体的实际温度为低，即TL＜T。
目前，国内工业用光学高温计都采用红色单色光，有效波长为0.66土0.01μm；与我国温度量值传递系统规定的基准光学高温计的有效波长一致。基准光学高温计是国际温标(ITS一90)规定温度在银点以上的标准仪器。
光学高温计通常采用0.66土0.01μm的单一波长，将物体的光谱辐射亮度Lλ 和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。光学高温计有三种形式：灯丝隐灭式光学高温计、恒定亮度式光学高温计和光电亮度式光学高温计。
灯丝隐灭式光学高温计是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的。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，国产WGGZ型光学高温计就是此类高温计。
物镜1和目镜4可前后移动，调节物镜使物体的像落在灯泡3内的灯丝平面上，调节目镜4，使灯丝和物体的像能清晰地看到，然后边比较两者的亮度，边慢慢调节滑动电位器的触点位置，改变流过灯丝的电流，使灯泡灯丝的亮度作相应的改变。当被测物体的亮度大于灯丝亮度时，灯丝在背景(对应于被测物体亮度)上呈现暗丝(背景比灯丝亮)；当被测物体的亮度小于灯丝的亮度时，则灯丝在背景中呈亮丝(背景比灯丝暗)；逐渐调节滑动电位器，使灯丝亮度和背景亮度达到一致，此时，灯丝便隐灭在背景中；表头6这时指示出(由滑动电位器位置所决定)被测物体的亮度温度。得到了被测物体的亮度温度，再根据该物体的光谱发射率，便可获得该物体的真实温度。
图中的2是灰色吸收玻璃，其作用是扩大光学高温计的量程。灯丝在其亮度温度超过1400℃时，将由于灯丝易过热发生氧化进而使灯丝的电阻发生改变，致使电流与亮度温度关系偏置原标定值；同时1400℃以上的高温，使灯泡的金属丝要升华，将在玻璃泡上沉积形成灰暗的薄膜，改变原亮度特性而带来测量误差。因此，当测量高于1400℃的亮度温度时，在物镜与灯炮之间安装吸收率为常量的灰色吸收玻璃，以减弱被测热源的辐射亮度。测量时，用已经减弱了的热源亮度和灯丝亮度进行比较，这就可以使原最高亮度温度为1400℃的钨丝灯，能测量更高的温度。
光学高温计通常有两个刻度，一个是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范围为800℃～1400℃；另一个是加灰色吸收玻璃的刻度。为能测量更高的温度，有的光学高温计在物镜前再加一块吸收玻璃，以进一步减弱被测物体辐射亮度；这样可使光学高温计测量亮度温度高达3200℃物体的温度。无论采用何种形式，光学高温计钨丝本身最高温度均不可超过1400℃。
图6-15中的5是红色滤光片，它的作用是滤除人眼不敏感的光谱段，仅让中心光谱波长为＝0.66 μm的窄波段通过。此工作光谱段愈窄效果愈好。对于工业用光学高温计。光谱范围在O.62～O.7μm范围所造成的误差可忽略不计。
2.光电高温计
光学高温计虽然有结构相对较简单，灵敏度高，测量范围广，使用方便等优点；但是光学高温计在测量物体的温度时，由于要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察误差较大，也无法实现自动检测和记录。由于科技不断发展进步，依据光学高温计原理制造出来的光电高温计正在迅速替代光学高温计而广泛用于工业高温测量中。
光电高温计克服了光学高温计的主要缺点，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。
测量时，从被测物体17的表面发生的辐射能由物镜1聚焦后。经孔径光阑2和遮光板6上的孔3，透过装于板6内的红色滤光片，射到硅光电池4上，反馈灯15发出的辐射能通过遮光板上的孔5和红色滤光片也照射到硅光电池4上。在遮光板6的前面装有每秒钟振动50次的光调制器7，它交替地打开和遮住孔3和孔5，使被测物体的辐射能和反馈灯的辐射能交替地照射到硅光电池4上。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，再送由倒相器、差动相敏放大器和功率放大器组成的主放大器14作进一步放大后，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。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6-16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。
光电高温计与光学高温计相比，主要优点有：
(1)灵敏度高 光学高温计的灵敏度最佳值为0.5℃，而光电高温计却能达到0.005℃，较光学高温计提高两个数量级；
(2)精确度高 采用干涉滤光片或单色仪后，使仪器的单色性能更好，因此，延伸点的不确定度明显降低，在2000K为0.25℃，至少比光学高温计提高一个数量级；
(3)使用波长范围不受限制 使用波长范围不受人眼睛光谱敏感度的限制，可见光与红外光范围均可应用，其测温下限可向低温扩展；
(4)光电探测器的响应时间短 光电倍增管可在l0-6s内响应，响应时间很短；
(5)便于自动测量与控制 可自动记录或远距离传送。
光电高温计由于目前的硅光电池和反馈灯等光电器件的特性离散性大，故光电器件的互换性差，所以在使用、维修时若要更换硅光电池和反馈，必须对整个仪表重新进行调整和标定(刻度)。工业用光电高温计精度等级仍为1.0级和1.5级两种。
四、红外辐射测温仪
红外测温仪结构原理
红外测温仪
它由光学系统、调制器、红外传感器、放大器和指示器等部分组成。光学系统可以是透射式的，也可以是反射式的。透射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的，根据红外波长选择光学材料。一般测量高温(700℃以上)仪器，有用波段主要在0.76～3 μm的近红外区，可选用一般光学玻璃或石英等材料。测量中温(100℃～700℃)仪器，有用波段主要在3～5 μm的中红外区，通常采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料。测量低温(100℃以下)仪器，其有用波段主要在5～14 μm的中远红外波段，一般采用锗、硅、热压硫化锌等材料。并通常还在镜片表面蒸镀红外增透层，一方面滤掉不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射率。反射式光学系统多用凹面玻璃反射镜，表面镀金、铝或镍铬等在红外波段反射率很高的材料。
调制器就是把红外辐射调制成交变辐射的装置。一般是用微电机带动一个齿轮盘或等距离孔盘，通过齿轮盘或带孔盘旋转，切割入射辐射而使投射到红外传感器上的辐射信号成交变的。因为系统对交变信号处理比较容易，并能取得较高的信噪比。
红外传感器是接收目标辐射并转换为电信号的器件。选用哪种传感器要根据目标辐射的波段与能量等实际情况确定。
五、红外探测器
分热电型、量子型。
量子型：灵敏度高、响应快，波长响应范围窄；
热电型：灵敏度低、响应慢，但价廉、波长响应范围宽。
红外成像测温仪
1.红外成像原理
在许多场合，人们不仅需要知道物体表面的平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析、研究物体的结构，探测内部缺陷。红外成像就能将物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来。下面根据不同成像器件对成像原理作简要介绍。
（1）红外摄像管
红外摄像管是将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。如光导摄像管、硅靶摄像管和热释电摄像管等。前二者是工作在可见光或近红外区的，而后者工作波段长。图6-20是热释电摄像管的结构简图。
该摄像管靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆盖一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面的辐照度成正比。因而，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大后，再送到控制显像系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图。
这里需要提起注意的是：热释电材料只有在温度变化的过程中才产生热释电效应，温度一旦稳定，热释电就消失。所以，当对静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制。对于运动物体，可在无调制的情况下成像。
（2）红外变像管
红外变像管是直接把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，均安装在高度真空的密封玻璃壳内。当物体的红外辐射通过物镜照射到光电阴极上时，光电阴极表面的红外敏感材料（蒸涂其上的半透明银氧铯）接收物体的红外辐射后，便发射与表面的辐照度的大小成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比的光电子。光电阴极发射的光电子在电场的作用下飞向荧光屏。荧光屏上的荧光物质，受到高速电子的轰击便发出可见光。可见光辉度与轰击的电子密度的大小成比例，即与物体红外辐射的分布成比例。这样，体现物体各部位温度高低的红外图像便被转换成人眼很容易识别的可见光图像。
（3）固态图像变换器
固态图像变换器是由许多小单元（称为像元或像素）组成的受光面，各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。又称电荷耦合摄像器件或CCD（Charge-Coupled Devices to Imaging）图像器件。普通CCD固态图像变换器用于红外测温还需要一套与之配套的光学系统；一方面需很好地滤除非红外波长的其它光波，另一方面需把被测物体的红外成像投射到CCD固态图像变换器的受光面上。一种新型集成红外电荷耦合器件是用于红外测温更为理想的固体成像器件，具有良好的发展、应用前景。
2.红外成像仪
图6-21 AGA—750热像仪工作原理框图
根据成像原理和成像对象不同，红外成像仪种类也较多，如图6-21所示是国际重要的红外热像仪生产商-----瑞典AGA红外系统公司生产的AGA—750型红外热像仪。
该热像仪的光学系统为全折射式。物镜材料为单晶硅，通过更换物镜可对不同距离和大小的物体扫描成像。光学系统中垂直扫描和水平扫描均采用具有高折射率的多面平行棱镜，扫描棱镜由电动机带动旋转，扫描速度和相位由扫描触发器、脉冲发生器和有关控制电路控制。红外传感器输出的微弱信号送入前置放大器进行放大。温度补偿电路输出信号也同时输入前置放大器，以抵消目标温度随环境温度变化而引起的测量值的误差。前置放大器的增益可通过调整反馈电阻进行控制。前置放大器的输出信号，经视频放大器放大，再去控制显像管屏上射线的强弱。
由于红外传感器输出的信号大小与其所接收的辐照度成比例，因而显像荧屏上射线的强弱亦随传感器所接收的辐照度成比例变化，从而实现被测物体温度成像与测量。
AGA—750型红外热像仪测温范围为：-20℃～900℃，最小温度分辨力：0.2℃（目标物体温度为30℃时），帧频：6.5帧/秒。AGA公司另一型号AGA—750型红外热像仪测温范围为：-20℃～2000℃。
三、辐射温度计
辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。它通常由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置等几大部分组成。辐射温度计是最古老、最简单、较常用的非接触式高温检测仪表，过去习惯称之为全辐射温度计。虽然此种仪器有能聚集被测物体辐射能于敏感元件的光学系统，但实际上任何实际的光学系统都不可能全部透过或全部反射所有波长范围的全部辐射能，所以把它直接称之为辐射温度计，似乎更合理一些。
辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射温度。由此，我们可以给辐射温度定义为：黑体的总辐射能量等于被测非黑体的总辐射温度。其数学表达式为
辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类。
⑴光电型 常用的有光电倍增管、硅光电池、锗光电二极管等。这类敏感元件的特点是响应速度极快，而同类元件光电特性曲线一致性不是很好，故互换性较差。
表6-7 一些材料在给定温度范围内的全发射率
(2)热敏型 常用的有热敏电阻、热电堆(由热电偶串联组成)等。这类敏感元件的特点是对响应波长无选择性，灵敏度高，同类元件的热电特性曲线一致性好，响应时间常数较大，通常为0.01s～1s。
辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。光学系统中的物镜通常为平凸形透镜。透镜的材料选用取决于温度计测温范围。测温范围为400℃～1200℃时，应选石英玻璃材料(它可透过0.3～0.4 μm的光谱段)；当测温范围为700℃～2000℃时，透镜材料应选用K－9型光学玻璃(透过光谱段为0.3～2.7 μm)。所以测量范围不同的辐射温度计的物透镜材料是不同的。图6-17是采用热电堆作敏感元件的辐射温度计结构示意图。
辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平衡式、动圈式和数字式三类。它们均包括测量电路、显示驱动电路、指示器；数字式测量仪表还包括模拟／数字转换电路。自动平衡式测量仪表需有平衡驱动的执行器，如小型步进电机。
辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。其原因是被测物体的光谱发射率比其全辐射发射率稳定、准确。另外在λ＝0.66 μm时，光谱辐射能的增加量比全辐射能的增加量大得多，故光学高温计的灵敏度高。鉴于以上原因，辐射高温计在使用上远不及光学高温计普遍，并有进一步被淘汰的趋势。
比色高温计
维思位移定律指出：当温度升高时，绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化。一方面辐射峰值向波长短的方向移动，另一方面光谱分布曲线的斜率将明显增加；斜率的增加致使两个波长对应的光谱能量比发生明显的变化。把根据测量两个光谱能量比(两波长下的亮度比)来测量物体温度的方法称比色测温法；把实现此种测量的仪器称为比色高温计。用此种方法测量非黑体时所得的温度称之为“比色温度”或“颜色温度”。所以，可把比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长λ1和λ2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。
绝对黑体，对应于波长λ1与λ2的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示：
(6-25)
两边取自然对数，得
(6-26)
整理得
(6-27)
根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体的真实温度和其比色温度的关系：
(6-28)
式中 TB——为绝对黑体温度，也即物体的比色温度；
T——为物体的真实温度；
ε(λ1，T)、ε(λ2，T)——为物体在λ1和λ2时的光谱发射率。
通常λ1和λ2为比色高温计出厂时统一标定的定值，由制造厂家选定。例如选0．8 μm的红光和lμm的红外光。
对于灰体，由于其 ，所以灰体的真实温度与其比色温度相一致。由于很多金属、或合金随波长的增大，其单色光谱发射率是逐渐减小的，故这类物体的比色温度是高于真实温度的。而相当多的金属其 ελ1 近似等于 ελ2 ，故用比色高温计测量此类金属时所得的比色温度就近似等于它们的真实温度。以上这些是比色高温计的一个主要优点。其次，在测量物体的光谱发射率时，比色高温计测量它们相对比值的精度总高于测量它们绝对值的精度；另外由于采用两个波长亮度比的测量，故对环境气氛方面的要求可大大降低，中间介质的影响相对前述光谱辐射温度计来要小得多。
综上所述，与光谱辐射温度计相比，比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境下工作。国产WDS—II 光电比色高温计的原理示意图如图6-18所示。
由图 (a)可知，被测物体的辐射能经物镜l聚焦后，经平行平面玻璃2、中间有通孔的回零硅光电池3，再经透镜4到分光镜5。分光镜的作用是反射λ1而让λ2通过，将可见光分成λ1(≈0.8 μm)、λ2(≈1μm)两部分。一部分的能量经可见光滤光片9，将少量长波辐射能滤除后，剩下波长约为0.8 μm的可见光被硅光电池8(即 E1)接收，并转换成电信号U1，输入显示仪表；另一部分的能量则通过分光镜5，经红外滤光片6将少量可见光滤掉。剩下波长为1 μm的红外光被硅光电池7(即E2)接收，并转换成电信号U2送入显示仪表。
由两个硅光电池输出的信号电压，经显示仪表的平衡桥路测量得出其比值B＝U1／U2，比值的温度数值是用黑体进行分度的。显示仪表由电子电位差计改装而成，其测量线路如图 (b)所示，当继电器J处于位置2时，两个硅光电池El、E2输出的电势在其负载电阻上产生电压，这两个电压的差值送入放大器推动可逆电机M转动。电机将带动滑线电阻R6上的滑动触点移动，直到放大器的输出电压是零为止。此时滑动触点的位置则代表被测物体的温度。继电器J处于位置1时，仪表指针回零。
在WDS— II 型光电比色高温计中选用的两波长分别为可见光与红外光。如果两个波长均选在红外光波段，则该仪表称为红外比色温度计，可用来测量较低温度。
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