第三章 4 輻射式溫度計(jì)

1、第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),第四節(jié) 輻射式溫度計(jì)  任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對(duì)被測(cè)物體熱輻射能量進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而確定被測(cè)物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計(jì)。,熱輻射的最大熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外波段。紅外線，它是一種人眼看不見(jiàn)的光線，位于可見(jiàn)光中紅光以外，故稱為紅外線。

2、它的波長(zhǎng)范圍大致在0.75～1000 μ m的頻譜范圍之內(nèi)。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì)一、輻射測(cè)溫的基本原理  可見(jiàn)光的光譜很窄，其波長(zhǎng)僅為0.3—0.72μm；紅外光譜分布相對(duì)較廣，其波長(zhǎng)范圍為O.72—l000μm。輻射式溫度計(jì)的感溫元件使用的波長(zhǎng)范圍為0.3—40μm。,1.紅外線分區(qū)紅外線波長(zhǎng)0.75～1000μm。根據(jù)紅外線與可見(jiàn)光的距離，紅外線分為：近紅外區(qū)（ 1～3μm）、中紅外區(qū)（3～6μm ）

3、、遠(yuǎn)紅外區(qū)（6～15μm ） 、極遠(yuǎn)紅外區(qū)（15～1000μm ） 。,自然界中所有物體對(duì)輻射都有吸收、透射或反射的能力，如果某一物體在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量，則稱此物體為絕對(duì)黑體。根據(jù)基爾霍夫定律，具有最大吸收本領(lǐng)的物體，在其受熱后，也將具有最大的輻射本領(lǐng)。人們稱那些對(duì)輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長(zhǎng)有關(guān)的物體為選擇吸收體；稱那些吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體為灰體。 絕

4、對(duì)黑體的吸收系數(shù)L0＝1，反射系數(shù)β0＝0，理想的絕對(duì)黑體在自然界中是不存在的，人們?yōu)榭茖W(xué)研究和實(shí)驗(yàn)所需已能設(shè)計(jì)出吸收系數(shù)為0.99土0.01的近似黑體。 絕對(duì)黑體在任何溫度下都能全部吸收輻射到其表面的全部輻射能；同時(shí)它在任何一個(gè)溫度上，它向外輻射的輻射出射度(簡(jiǎn)稱輻出度)亦最大；其它物體的輻出度總小于絕對(duì)黑體，定義全輻射率(或稱黑度系數(shù)) ，其值在0～1之間。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),2. 測(cè)溫基本原理輻射測(cè)溫的物

5、理基礎(chǔ)是普朗克(Ptanck)熱輻射定律和斯蒂芬－玻耳茲曼(Stefan—Boltzmann)定律。絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長(zhǎng)λ、熱力學(xué)溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定： (3-16),第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),如果波長(zhǎng)λ與溫度T滿足C2／(λT)≥1，則可把普朗克公式簡(jiǎn)化為維恩(Wien)公式。在溫度低于3000K，對(duì)于波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光，用維恩公式替代普朗克公式產(chǎn)生的誤差＜1％

6、。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),斯蒂芬—玻爾茲曼定律描述物體所輻射出來(lái)的全波段輻射能量與溫度的關(guān)系，定律表達(dá)式為式中 W——物體單位面積所發(fā)射的輻射功率，數(shù)值上等于物體的全波輻射出射度； ε ——物體表面的法向比輻射率； σ ——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)； T ——物體的絕對(duì)溫度(K)。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),黑體的光譜輻射曲線,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，

7、黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系如下式所示： (3-17) 即在單位時(shí)間內(nèi)，由絕對(duì)黑體單位面積上輻射出的總能量與絕對(duì)溫度T的四次方成正比。式(3-17)被稱作斯蒂芬一玻耳茲曼定律。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),輻射檢測(cè)器分光電型和熱敏型。,3.輻射式測(cè)溫的特點(diǎn)(1)輻射式測(cè)溫是非接觸測(cè)溫，特別適合用于較遠(yuǎn)距離的高速運(yùn)動(dòng)物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測(cè)量；(2)輻射式測(cè)溫反應(yīng)速度快，

8、它不需要與物體達(dá)到熱平衡的過(guò)程，只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可測(cè)定溫度，反映時(shí)間一般都在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)；(3)輻射式測(cè)溫靈敏度高，由于物體的輻射能量與溫度的四次方成正比，因此物體溫度微小的變化，就會(huì)引起輻射能量較大的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測(cè)出來(lái)；(4)輻射式測(cè)溫準(zhǔn)確度較高，由于是非接觸測(cè)量，不會(huì)破壞物體原來(lái)溫度分布狀況，因此測(cè)出的溫度比較真實(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.1℃以內(nèi)，甚至更?。?第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),(5)輻射式測(cè)溫范

9、圍廣泛，可測(cè)攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍；(6)輻射式測(cè)溫方法，幾乎可在所有溫度測(cè)量場(chǎng)合使用。測(cè)例如，各種工業(yè)窯爐、熱處理爐溫度測(cè)量、感應(yīng)加熱過(guò)程中的溫度測(cè)量，尤其是鋼鐵工業(yè)中的高速線材、無(wú)縫鋼管軋制，有色金屬連鑄、熱軋等過(guò)程的溫度測(cè)量等；軍事方面的應(yīng)用如各種運(yùn)載工具發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度測(cè)量、導(dǎo)彈紅外（測(cè)溫）制導(dǎo)、夜視儀等；在一般社會(huì)生活方面如快速非接觸人體溫度測(cè)量，防火監(jiān)測(cè)等等。,工程上，測(cè)定物體的輻射亮度，相對(duì)容易。故目前國(guó)內(nèi)外

10、使用的輻射式溫度計(jì)都是根據(jù)被測(cè)物體的光譜輻射亮度來(lái)確定物體的溫度。我國(guó)目前生產(chǎn)的光譜輻射溫度計(jì)有光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、全輻射高溫計(jì)、光導(dǎo)纖維高溫計(jì)和硅輻射溫度計(jì)等。二、光學(xué)高溫計(jì),光學(xué)高溫計(jì)是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的非接觸式溫度計(jì)。它結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使用方便，適用于1000 K～3500 K范圍的溫度測(cè)量，其精度通常為1.0級(jí)和l.5級(jí)，可滿足一般工業(yè)測(cè)量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測(cè)量。,上海自動(dòng)化儀表廠 WGG2－2

11、01系列,輻射檢測(cè)器分光電型和熱敏型。,由于各物體的光譜發(fā)射率ελ不同，即使它們的光譜輻射亮度相同，其實(shí)際溫度也不會(huì)相等；光譜發(fā)射率大的物體的溫度比光譜發(fā)射率小的物體的溫度為低。因此物體的光譜發(fā)射率和光譜輻射亮度是確定物體溫度的兩個(gè)決定因素，如果同時(shí)考慮這兩個(gè)因素將給光學(xué)高溫計(jì)的溫度刻劃帶來(lái)很大困難。因此，現(xiàn)在光學(xué)高溫計(jì)均是統(tǒng)一按絕對(duì)黑體刻度。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),所以，用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量被測(cè)物體的溫度時(shí)，讀出的數(shù)值將不是該物體的實(shí)際溫

12、度，而是這個(gè)物體此時(shí)相當(dāng)于絕對(duì)黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。亮度溫度的定義是：在波長(zhǎng)為 λ、溫度為T(mén)時(shí)。某物體的輻射亮度L與溫度為T(mén)L的絕對(duì)黑體的亮度L0λ 相等，則稱TL為這個(gè)物體在波長(zhǎng)為λ時(shí)的亮度溫度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中，ε(λ，T)——實(shí)際物體在溫度為T(mén)、波長(zhǎng)為λ時(shí)的光譜發(fā)射率； T——實(shí)際物體的真實(shí)溫度，單位為K;

13、TL——黑體溫度，也即實(shí)際物體的亮度溫度，單位為K。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),物體的真實(shí)溫度為 對(duì)于真實(shí)物體總是ελ＜1，故測(cè)得的亮度溫度總比物體的實(shí)際溫度為低，即TL＜T。 目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)都采用紅色單色光，有效波長(zhǎng)為0.66土0.01μm；與我國(guó)溫度量值傳遞系統(tǒng)規(guī)定的基準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)的有效波長(zhǎng)一致?；鶞?zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)是

14、國(guó)際溫標(biāo)(ITS一90)規(guī)定溫度在銀點(diǎn)以上的標(biāo)準(zhǔn)儀器。 光學(xué)高溫計(jì)通常采用0.66土0.01μm的單一波長(zhǎng)，將物體的光譜輻射亮度Lλ 和標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射亮度進(jìn)行比較，確定待測(cè)物體的溫度。光學(xué)高溫計(jì)有三種形式：燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)、恒定亮度式光學(xué)高溫計(jì)和光電亮度式光學(xué)高溫計(jì)。,燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)是由人眼對(duì)熱輻射體和高溫計(jì)燈泡在單一波長(zhǎng)附近的光譜范圍的輻射亮度進(jìn)行判斷，調(diào)節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。此種隱絲

15、式光學(xué)高溫計(jì)又稱目視光學(xué)高溫計(jì)或簡(jiǎn)稱光學(xué)高溫計(jì)，國(guó)產(chǎn)WGGZ型光學(xué)高溫計(jì)就是此類高溫計(jì)。,1.物鏡；2.灰色吸收玻璃；3.燈泡；4.目鏡；5.紅色濾光片；6.顯示表頭,WGG2型光學(xué)高溫計(jì)原理圖,物鏡1和目鏡4可前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)物鏡使物體的像落在燈泡3內(nèi)的燈絲平面上，調(diào)節(jié)目鏡4，使燈絲和物體的像能清晰地看到，然后邊比較兩者的亮度，邊慢慢調(diào)節(jié)滑動(dòng)電位器的觸點(diǎn)位置，改變流過(guò)燈絲的電流，使燈泡燈絲的亮度作相應(yīng)的改變。當(dāng)被測(cè)物體的亮度大于燈

16、絲亮度時(shí)，燈絲在背景(對(duì)應(yīng)于被測(cè)物體亮度)上呈現(xiàn)暗絲(背景比燈絲亮)；當(dāng)被測(cè)物體的亮度小于燈絲的亮度時(shí),則燈絲在背景中呈亮絲(背景比燈絲暗)；逐漸調(diào)節(jié)滑動(dòng)電位器，使燈絲亮度和背景亮度達(dá)到一致，此時(shí)，燈絲便隱滅在背景中；表頭6這時(shí)指示出(由滑動(dòng)電位器位置所決定)被測(cè)物體的亮度溫度。得到了被測(cè)物體的亮度溫度，再根據(jù)該物體的光譜發(fā)射率，便可獲得該物體的真實(shí)溫度。 圖中的2是灰色吸收玻璃，其作用是擴(kuò)大光學(xué)高溫計(jì)的量程。燈絲在其亮度溫

17、度超過(guò)1400℃時(shí)，將由于燈絲易過(guò)熱發(fā)生氧化進(jìn)而使燈絲的電阻發(fā)生改變，致使電流與亮度溫度關(guān)系偏置原標(biāo)定值；同時(shí)1400℃以上的高溫，使燈泡的金屬絲要升華，將在玻璃泡上沉積形成灰暗的薄膜，改變?cè)炼忍匦远鴰?lái)測(cè)量誤差。因此，當(dāng)測(cè)量高于1400℃的亮度溫度時(shí)，在物鏡與燈炮之間安裝吸收率為常量的灰色吸收玻璃，以減弱被測(cè)熱源的輻射亮度。測(cè)量時(shí)，用已經(jīng)減弱了的熱源亮度和燈絲亮度進(jìn)行比較，這就可以使原最高亮度溫度為1400℃的鎢絲燈，能測(cè)量更高的溫

18、度。,光學(xué)高溫計(jì)通常有兩個(gè)刻度，一個(gè)是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范圍為800℃～1400℃；另一個(gè)是加灰色吸收玻璃的刻度。為能測(cè)量更高的溫度，有的光學(xué)高溫計(jì)在物鏡前再加一塊吸收玻璃，以進(jìn)一步減弱被測(cè)物體輻射亮度；這樣可使光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量亮度溫度高達(dá)3200℃物體的溫度。無(wú)論采用何種形式，光學(xué)高溫計(jì)鎢絲本身最高溫度均不可超過(guò)1400℃。 圖6-15中的5是紅色濾光片，它的作用是濾除人眼不敏感的光譜段，僅讓中心光譜波長(zhǎng)為＝0.66

19、 μm的窄波段通過(guò)。此工作光譜段愈窄效果愈好。對(duì)于工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)。光譜范圍在O.62～O.7μm范圍所造成的誤差可忽略不計(jì)。2.光電高溫計(jì) 光學(xué)高溫計(jì)雖然有結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，靈敏度高，測(cè)量范圍廣，使用方便等優(yōu)點(diǎn)；但是光學(xué)高溫計(jì)在測(cè)量物體的溫度時(shí)，由于要靠手動(dòng)調(diào)節(jié)燈絲的亮度，由眼睛判別燈絲的“隱滅”，故觀察誤差較大，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和記錄。由于科技不斷發(fā)展進(jìn)步，依據(jù)光學(xué)高溫計(jì)原理制造出來(lái)的光電高溫計(jì)正在迅速替代光學(xué)高溫計(jì)

20、而廣泛用于工業(yè)高溫測(cè)量中。,光電高溫計(jì)克服了光學(xué)高溫計(jì)的主要缺點(diǎn)，它采用硅光電池作為儀表的光敏元件，代替人眼睛感受被測(cè)物體輻射亮度的變化，并將此亮度信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波放大后送檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換處理，最后顯示出被測(cè)物體的亮度溫度。,國(guó)產(chǎn)WDL型光電高溫計(jì)工作原理圖1—物鏡；2—光闌，3、5—孔，4—光電器件；6—遮光板；7—調(diào)制器；8—永久磁鋼；9—激磁繞組，10—透鏡， 11—反射鏡，12—觀察孔，13—前置放大器；1

21、4—主放大器；15—反饋燈；16—電位差計(jì)；17—被測(cè)物體,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),三、光電高溫計(jì),測(cè)量時(shí)，從被測(cè)物體17的表面發(fā)生的輻射能由物鏡1聚焦后。經(jīng)孔徑光闌2和遮光板6上的孔3，透過(guò)裝于板6內(nèi)的紅色濾光片，射到硅光電池4上，反饋燈15發(fā)出的輻射能通過(guò)遮光板上的孔5和紅色濾光片也照射到硅光電池4上。在遮光板6的前面裝有每秒鐘振動(dòng)50次的光調(diào)制器7，它交替地打開(kāi)和遮住孔3和孔5，使被測(cè)物體的輻射能和反饋燈的輻射能交替地照射到硅光電池

22、4上。當(dāng)兩個(gè)能量不相等時(shí)，硅光電池將產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)輻射亮度差成正比的脈沖光電流，經(jīng)前置放大器13放大后，再送由倒相器、差動(dòng)相敏放大器和功率放大器組成的主放大器14作進(jìn)一步放大后，輸出驅(qū)動(dòng)反饋燈15；反饋燈15的輻射能隨著驅(qū)動(dòng)電流的改變而相應(yīng)變化。以上過(guò)程一直持續(xù)到被測(cè)物體和反射燈照射到硅光電池上的輻射能相等為止。這時(shí)硅光電池4的脈沖光電流接近于零，而流經(jīng)反饋燈電流數(shù)值的大小就代表了被測(cè)物體的亮度溫度。此電流值轉(zhuǎn)換成電壓后由電位差計(jì)16自

23、動(dòng)指示和記錄被測(cè)物體的亮度溫度。圖6-16中的透鏡l0、反射鏡11和觀察孔12組成了一個(gè)人工觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其作用是使光電高溫計(jì)得以對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體。,光電高溫計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)相比，主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)靈敏度高 光學(xué)高溫計(jì)的靈敏度最佳值為0.5℃，而光電高溫計(jì)卻能達(dá)到0.005℃，較光學(xué)高溫計(jì)提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；(2)精確度高 采用干涉濾光片或單色儀后，使儀器的單色性能更好，因此，延伸點(diǎn)的不確定度明顯降低，在2000K為0.25℃，至少比光學(xué)

24、高溫計(jì)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)使用波長(zhǎng)范圍不受限制 使用波長(zhǎng)范圍不受人眼睛光譜敏感度的限制，可見(jiàn)光與紅外光范圍均可應(yīng)用，其測(cè)溫下限可向低溫?cái)U(kuò)展；(4)光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間短 光電倍增管可在l0-6s內(nèi)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間很短；(5)便于自動(dòng)測(cè)量與控制 可自動(dòng)記錄或遠(yuǎn)距離傳送。,光電高溫計(jì)由于目前的硅光電池和反饋燈等光電器件的特性離散性大，故光電器件的互換性差，所以在使用、維修時(shí)若要更換硅光電池和反饋，必須對(duì)整個(gè)儀表重新進(jìn)行調(diào)整和標(biāo)定

25、(刻度)。工業(yè)用光電高溫計(jì)精度等級(jí)仍為1.0級(jí)和1.5級(jí)兩種。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),四、紅外輻射測(cè)溫儀 紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)原理,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),CIT-2SN/1SN紅外測(cè)溫儀,紅外測(cè)溫儀,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),它由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器和指示器等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式的，也可以是反射式的。透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件是

26、用紅外光學(xué)材料制成的，根據(jù)紅外波長(zhǎng)選擇光學(xué)材料。一般測(cè)量高溫(700℃以上)儀器，有用波段主要在0.76～3 μm的近紅外區(qū)，可選用一般光學(xué)玻璃或石英等材料。測(cè)量中溫(100℃～700℃)儀器，有用波段主要在3～5 μm的中紅外區(qū)，通常采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)材料。測(cè)量低溫(100℃以下)儀器，其有用波段主要在5～14 μm的中遠(yuǎn)紅外波段，一般采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。并通常還在鏡片表面蒸鍍紅外增透層，一方面濾掉不需要的波段，另

27、一方面增大有用波段的透射率。反射式光學(xué)系統(tǒng)多用凹面玻璃反射鏡，表面鍍金、鋁或鎳鉻等在紅外波段反射率很高的材料。調(diào)制器就是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置。一般是用微電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)齒輪盤(pán)或等距離孔盤(pán)，通過(guò)齒輪盤(pán)或帶孔盤(pán)旋轉(zhuǎn)，切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號(hào)成交變的。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)交變信號(hào)處理比較容易，并能取得較高的信噪比。紅外傳感器是接收目標(biāo)輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。選用哪種傳感器要根據(jù)目標(biāo)輻射的波段與能量等實(shí)際情況確定。

28、,五、紅外探測(cè)器 分熱電型、量子型。 量子型：靈敏度高、響應(yīng)快，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍窄； 熱電型：靈敏度低、響應(yīng)慢，但價(jià)廉、波長(zhǎng)響應(yīng)范圍寬。,第四節(jié) 輻射式溫度計(jì),熱釋電紅外探測(cè)器,熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)P59圖3-36,紅外成像測(cè)溫儀1.紅外成像原理在許多場(chǎng)合，人們不僅需要知道物體表面的平均溫度，更需要了解物體的溫度分布情況，以便分析、研究物體的結(jié)構(gòu)，探測(cè)內(nèi)部缺陷。紅外成像就能將物體的溫度分布以圖像的形式直觀地顯示出來(lái)

29、。下面根據(jù)不同成像器件對(duì)成像原理作簡(jiǎn)要介紹。（1）紅外攝像管,圖6－20 熱釋電攝像管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1－鍺透鏡 2－鍺窗口 3－柵網(wǎng) 4－聚焦線圈5－偏轉(zhuǎn)線圈 6－電子束 7－陰極 8－柵極 9－第一陽(yáng)極10－第二陽(yáng)極 11－熱釋電耙 12－導(dǎo)電膜 13－斬光器,紅外攝像管是將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子系統(tǒng)放大處理，再還原為光學(xué)像的成像裝置。如光導(dǎo)攝像管、硅靶攝像管和熱釋電攝像管等。前二者是工作在

30、可見(jiàn)光或近紅外區(qū)的，而后者工作波段長(zhǎng)。圖6-20是熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 該攝像管靶面為一塊熱釋電材料薄片，在接收輻射的一面覆蓋一層對(duì)紅外輻射透明的導(dǎo)電膜。當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在靶上時(shí)，靶面吸收紅外輻射，溫度升高并釋放出電荷。靶面各點(diǎn)的熱釋電與靶面各點(diǎn)溫度的變化成正比，而靶面各點(diǎn)的溫度變化又與靶面的輻照度成正比。因而，靶面各點(diǎn)的熱釋電量與靶面的輻照度成正比。當(dāng)電子束在外加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和縱向聚焦磁場(chǎng)的作用下掃過(guò)靶

31、面時(shí)，就得到與靶面電荷分布相一致的視頻信號(hào)。通過(guò)導(dǎo)電膜取出視頻信號(hào)，送視頻放大器放大后，再送到控制顯像系統(tǒng)，在顯像系統(tǒng)的屏幕上便可見(jiàn)到與物體紅外輻射相對(duì)應(yīng)的熱像圖。這里需要提起注意的是：熱釋電材料只有在溫度變化的過(guò)程中才產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，溫度一旦穩(wěn)定，熱釋電就消失。所以，當(dāng)對(duì)靜止物體成像時(shí)，必須對(duì)物體的輻射進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體，可在無(wú)調(diào)制的情況下成像。,（2）紅外變像管紅外變像管是直接把物體紅外圖像變成可見(jiàn)圖像的電真空器件，

32、主要由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，均安裝在高度真空的密封玻璃殼內(nèi)。當(dāng)物體的紅外輻射通過(guò)物鏡照射到光電陰極上時(shí)，光電陰極表面的紅外敏感材料（蒸涂其上的半透明銀氧銫）接收物體的紅外輻射后，便發(fā)射與表面的輻照度的大小成正比，也就是與物體發(fā)射的紅外輻射成正比的光電子。光電陰極發(fā)射的光電子在電場(chǎng)的作用下飛向熒光屏。熒光屏上的熒光物質(zhì)，受到高速電子的轟擊便發(fā)出可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光輝度與轟擊的電子密度的大小成比例，即與物體紅外輻射的分布成比例

33、。這樣，體現(xiàn)物體各部位溫度高低的紅外圖像便被轉(zhuǎn)換成人眼很容易識(shí)別的可見(jiàn)光圖像。（3）固態(tài)圖像變換器固態(tài)圖像變換器是由許多小單元（稱為像元或像素）組成的受光面，各像素將感受的光像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后順序輸出的一種大規(guī)模集成光電器件。又稱電荷耦合攝像器件或CCD（Charge-Coupled Devices to Imaging）圖像器件。普通CCD固態(tài)圖像變換器用于紅外測(cè)溫還需要一套與之配套的光學(xué)系統(tǒng)；一方面需很好地濾除非紅外波長(zhǎng)的其它

34、光波，另一方面需把被測(cè)物體的紅外成像投射到CCD固態(tài)圖像變換器的受光面上。一種新型集成紅外電荷耦合器件是用于紅外測(cè)溫更為理想的固體成像器件，具有良好的發(fā)展、應(yīng)用前景。,2.紅外成像儀 圖6-21 AGA—750熱像儀工作原理框圖,,根據(jù)成像原理和成像對(duì)象不同，紅外成像儀種類也較多，如圖6-21所示是國(guó)際重要的紅外熱像儀生產(chǎn)商-----瑞典AGA

35、紅外系統(tǒng)公司生產(chǎn)的AGA—750型紅外熱像儀。該熱像儀的光學(xué)系統(tǒng)為全折射式。物鏡材料為單晶硅，通過(guò)更換物鏡可對(duì)不同距離和大小的物體掃描成像。光學(xué)系統(tǒng)中垂直掃描和水平掃描均采用具有高折射率的多面平行棱鏡，掃描棱鏡由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，掃描速度和相位由掃描觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器和有關(guān)控制電路控制。紅外傳感器輸出的微弱信號(hào)送入前置放大器進(jìn)行放大。溫度補(bǔ)償電路輸出信號(hào)也同時(shí)輸入前置放大器，以抵消目標(biāo)溫度隨環(huán)境溫度變化而引起的測(cè)量值的誤差。前置放大

36、器的增益可通過(guò)調(diào)整反饋電阻進(jìn)行控制。前置放大器的輸出信號(hào)，經(jīng)視頻放大器放大，再去控制顯像管屏上射線的強(qiáng)弱。由于紅外傳感器輸出的信號(hào)大小與其所接收的輻照度成比例，因而顯像熒屏上射線的強(qiáng)弱亦隨傳感器所接收的輻照度成比例變化，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體溫度成像與測(cè)量。AGA—750型紅外熱像儀測(cè)溫范圍為：-20℃～900℃，最小溫度分辨力：0.2℃（目標(biāo)物體溫度為30℃時(shí)），幀頻：6.5幀/秒。AGA公司另一型號(hào)AGA—750型紅外熱像儀測(cè)

37、溫范圍為：-20℃～2000℃。,三、輻射溫度計(jì) 輻射溫度計(jì)是根據(jù)全輻射定律，基于被測(cè)物體的輻射熱效應(yīng)進(jìn)行工作的。它通常由輻射敏感元件、光學(xué)系統(tǒng)、顯示儀表及輔助裝置等幾大部分組成。輻射溫度計(jì)是最古老、最簡(jiǎn)單、較常用的非接觸式高溫檢測(cè)儀表，過(guò)去習(xí)慣稱之為全輻射溫度計(jì)。雖然此種儀器有能聚集被測(cè)物體輻射能于敏感元件的光學(xué)系統(tǒng)，但實(shí)際上任何實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)都不可能全部透過(guò)或全部反射所有波長(zhǎng)范圍的全部輻射能，所以把它直接稱之為輻射溫度計(jì)

38、，似乎更合理一些。 輻射溫度計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)一樣是按絕對(duì)黑體進(jìn)行溫度分度的，因此用它測(cè)量非絕對(duì)黑體的具體物體溫度時(shí)，儀表上的溫度指示值將不是該物體的真實(shí)溫度，我們稱該溫度為此被測(cè)物體的輻射溫度。由此，我們可以給輻射溫度定義為：黑體的總輻射能量等于被測(cè)非黑體的總輻射溫度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,,輻射溫度計(jì)的敏感元件，分光電型與熱敏型兩大類。⑴光電型 常用的有光電倍增管、硅光電池、鍺光電二極管等。這類敏感元件的特點(diǎn)是響應(yīng)速度極快

39、，而同類元件光電特性曲線一致性不是很好，故互換性較差。 表6-7 一些材料在給定溫度范圍內(nèi)的全發(fā)射率,(2)熱敏型 常用的有熱敏電阻、熱電堆(由熱電偶串聯(lián)組成)等。這類敏感元件的特點(diǎn)是對(duì)響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，靈敏度高，同類元件的熱電特性曲線一致性好，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大，通常為0.01s～1s。,圖6-17 全輻射高溫計(jì)的構(gòu)造示意圖 1—物鏡；2—光闌；3—銅殼；4—玻璃泡；

40、5—熱電堆； 6—鉑黑片；7—吸收玻璃；8—目鏡；9—小孔；10—云母片,輻射高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的作用是聚集被測(cè)物體的輻射能。其形式有透射型和反射型兩大類。光學(xué)系統(tǒng)中的物鏡通常為平凸形透鏡。透鏡的材料選用取決于溫度計(jì)測(cè)溫范圍。測(cè)溫范圍為400℃～1200℃時(shí)，應(yīng)選石英玻璃材料(它可透過(guò)0.3～0.4 μm的光譜段)；當(dāng)測(cè)溫范圍為700℃～2000℃時(shí)，透鏡材料應(yīng)選用K－9型光學(xué)玻璃(透過(guò)光譜段為0.3～2.7

41、 μm)。所以測(cè)量范圍不同的輻射溫度計(jì)的物透鏡材料是不同的。圖6-17是采用熱電堆作敏感元件的輻射溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。 輻射高溫計(jì)的測(cè)量?jī)x表按顯示方式可分為自動(dòng)平衡式、動(dòng)圈式和數(shù)字式三類。它們均包括測(cè)量電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、指示器；數(shù)字式測(cè)量?jī)x表還包括模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。自動(dòng)平衡式測(cè)量?jī)x表需有平衡驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器，如小型步進(jìn)電機(jī)。 輻射高溫計(jì)的輔助裝置主要包括水冷卻和煙塵防護(hù)裝置。與光學(xué)高溫計(jì)相比較，輻射高溫計(jì)的測(cè)量誤差要大

42、一些。其原因是被測(cè)物體的光譜發(fā)射率比其全輻射發(fā)射率穩(wěn)定、準(zhǔn)確。另外在λ＝0.66 μm時(shí)，光譜輻射能的增加量比全輻射能的增加量大得多，故光學(xué)高溫計(jì)的靈敏度高。鑒于以上原因，輻射高溫計(jì)在使用上遠(yuǎn)不及光學(xué)高溫計(jì)普遍，并有進(jìn)一步被淘汰的趨勢(shì)。,比色高溫計(jì)  維思位移定律指出：當(dāng)溫度升高時(shí)，絕對(duì)黑體輻射能量的光譜分布要發(fā)生變化。一方面輻射峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)，另一方面光譜分布曲線的斜率將明顯增加；斜率的增加致使兩個(gè)波長(zhǎng)

43、對(duì)應(yīng)的光譜能量比發(fā)生明顯的變化。把根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光譜能量比(兩波長(zhǎng)下的亮度比)來(lái)測(cè)量物體溫度的方法稱比色測(cè)溫法；把實(shí)現(xiàn)此種測(cè)量的儀器稱為比色高溫計(jì)。用此種方法測(cè)量非黑體時(shí)所得的溫度稱之為“比色溫度”或“顏色溫度”。所以，可把比色溫度定義為：絕對(duì)黑體輻射的兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的亮度比等于被測(cè)輻射體在相應(yīng)波長(zhǎng)下的亮度比時(shí)，絕對(duì)黑體的溫度就稱為這個(gè)被測(cè)輻射體的比色溫度。 絕對(duì)黑體，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)λ1與λ2的光譜輻射亮度之比R，可用下式表示

44、： (6-25),兩邊取自然對(duì)數(shù)，得 (6-26) 整理得 (6-27)根據(jù)比色溫度的定義，應(yīng)用維恩公式，可導(dǎo)出物體的真實(shí)溫度和其比色溫度的關(guān)系： (6-28),式中 TB——為絕對(duì)黑體溫度，也即物體的比色溫度； T——

45、為物體的真實(shí)溫度； ε(λ1，T)、ε(λ2，T)——為物體在λ1和λ2時(shí)的光譜發(fā)射率。 通常λ1和λ2為比色高溫計(jì)出廠時(shí)統(tǒng)一標(biāo)定的定值，由制造廠家選定。例如選0．8 μm的紅光和lμm的紅外光。 對(duì)于灰體，由于其 ，所以灰體的真實(shí)溫度與其比色溫度相一致。由于很多金屬、或合金隨波長(zhǎng)的增大，其單色光譜發(fā)射率是逐漸減小的，故這類物體的比色溫度是高于真實(shí)溫度的。而相當(dāng)多的金屬其 ελ1 近似

46、等于 ελ2 ，故用比色高溫計(jì)測(cè)量此類金屬時(shí)所得的比色溫度就近似等于它們的真實(shí)溫度。以上這些是比色高溫計(jì)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。其次，在測(cè)量物體的光譜發(fā)射率時(shí)，比色高溫計(jì)測(cè)量它們相對(duì)比值的精度總高于測(cè)量它們絕對(duì)值的精度；另外由于采用兩個(gè)波長(zhǎng)亮度比的測(cè)量，故對(duì)環(huán)境氣氛方面的要求可大大降低，中間介質(zhì)的影響相對(duì)前述光譜輻射溫度計(jì)來(lái)要小得多。,綜上所述，與光譜輻射溫度計(jì)相比，比色高溫計(jì)的準(zhǔn)確度通常較高、更適合在煙霧、粉塵大等較惡劣環(huán)境下工作。國(guó)產(chǎn)WDS

47、—II 光電比色高溫計(jì)的原理示意圖如圖6-18所示。,圖6-18 WDS— II 型光電比色高溫計(jì)1.物鏡；2.平行平面玻璃；3.回零硅光電池；4.透鏡；5.分光鏡；6.紅外濾光片； 7.硅光電池E2；8.硅光電池E1；9.可見(jiàn)光濾光片；10.反射鏡，11.例像鏡；12.目鏡,由圖 (a)可知，被測(cè)物體的輻射能經(jīng)物鏡l聚焦后，經(jīng)平行平面玻璃2、中間有通孔的回零硅光電池3，再經(jīng)透鏡4到分光鏡5。分光鏡的作用是反射λ1而讓?duì)?/p>

48、2通過(guò)，將可見(jiàn)光分成λ1(≈0.8 μm)、λ2(≈1μm)兩部分。一部分的能量經(jīng)可見(jiàn)光濾光片9，將少量長(zhǎng)波輻射能濾除后，剩下波長(zhǎng)約為0.8 μm的可見(jiàn)光被硅光電池8(即 E1)接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)U1，輸入顯示儀表；另一部分的能量則通過(guò)分光鏡5，經(jīng)紅外濾光片6將少量可見(jiàn)光濾掉。剩下波長(zhǎng)為1 μm的紅外光被硅光電池7(即E2)接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)U2送入顯示儀表。 由兩個(gè)硅光電池輸出的信號(hào)電壓，經(jīng)顯示儀表的平衡橋路測(cè)量得出其

49、比值B＝U1／U2，比值的溫度數(shù)值是用黑體進(jìn)行分度的。顯示儀表由電子電位差計(jì)改裝而成，其測(cè)量線路如圖 (b)所示，當(dāng)繼電器J處于位置2時(shí)，兩個(gè)硅光電池El、E2輸出的電勢(shì)在其負(fù)載電阻上產(chǎn)生電壓，這兩個(gè)電壓的差值送入放大器推動(dòng)可逆電機(jī)M轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)將帶動(dòng)滑線電阻R6上的滑動(dòng)觸點(diǎn)移動(dòng)，直到放大器的輸出電壓是零為止。此時(shí)滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置則代表被測(cè)物體的溫度。繼電器J處于位置1時(shí)，儀表指針回零。 在WDS— II 型光電比色高溫計(jì)中選用