红外辐射温度测量技术综述.doc

红外辐射温度测量技术综述郑兆平郑兆平，武汉约克仪器公司，13971692521。武汉约克仪器公司摘要本文简要说明了红外辐射温度测量技术的发展过程及其工作原理，介绍了红外辐射测温仪的性能和特点，以及使用过程中的注意要点和一些经验。关键词红外辐射温度测量发射率SummaryontheInfraredRadiationTemperatureMeasurementTechnologyZheng-ZhaopingWuhanYorkinstrumentCompanyAbstractThedevelopmentandprincipleoftheinfraredradiationtemperaturemeasurementtechnologyareexplainedinthispaper.Theperformancesandcharacteristicsofthetechnologyareintroduced.Theauthorsalsogivesomeadviceaboutitsapplications.Keywordsinfraredradiationtemperaturemeasurementemissivity1前言最早的辐射测温计是人的眼睛，人们根据被加热物体颜色或亮度的变化来粗略估计物体的温度。1828年，M.Sweeny用凹面镜和水银温度计制成了第一个辐射温度计。十九世纪末、二十世纪初，在Kelvin（开尔文）、Kirchhoff（基尔霍夫）以及Wein（维恩）和Planck（普朗克）等人得出正确的热辐射规律的基础上，出现了消隐灯丝光学高温计和在此基础上改进而得的光电高温计。根据Stefan-Boltzman（斯蒂芬-玻尔兹曼）定律，1931年，第一批商用全辐射测温仪问世。在上世纪60年代以后，随着红外探测器件、光学技术、集成电路、微电子计算机等的迅速发展，出现了双色测温仪、光纤测温仪、扫描测温仪、成像测温仪等。红外辐射温度计已应用于工农业生产各个部门。2测量原理[1]辐射测温仪是利用物体辐射能量的大小及其按波长的分布都与其温度有关的原理制成的。2.1一般概念一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，其辐射能包括各种波长，其中波长范围在0.76~1000μm间的称为红外光波。红外光具有很强的温度效应，这正是辐射测温技术所感兴趣的。2.2基尔霍夫定律该定律指出，在任何温度和波长下，一个热平衡不透明腔体的发射率等于其吸收率，即：（1）式中：—发射率；—吸收率。而根据能量守恒，有：（2）式中：—吸收率；—反射率；—透射率。对于不透明材料，=0，即，以及：（3）式（3）表明，高反射表面一定是弱发射率，这一点对掌握辐射测温很重要。对于黑体，有=0，=0，即：（4）2.3普朗克分布定律普朗克分布定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律，其数学表达式为：（5）式中，—黑体辐射出度，W/(m2•μm)；—第一辐射常数，=3.7415×108W•cm-2•μm4；—第二辐射常数，=1.43879×104μm•K；—波长，μm；—绝对温度，K。图1给出了温度从1000K~1800K范围的黑体辐射出度曲线。Ebλ×10-4W/(m2•μm)λ（μm）图1普朗克定律由图中可以看出，黑体辐射出度（曲线下的面积）随着温度增加而迅速增加，黑体辐射出度的峰值波长随温度增加而向短波方向移动。该定律表述了黑体温度、辐射波长和能量之间的依赖关系，是单色辐射测温仪的理论基础。2.4斯蒂芬-玻尔兹曼定律将式（5）对波长从0~∞积分，得：4（6）式中，—黑体全辐射度，W/m2；—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，=5.6697×10-8W/(m2•K)该定律表明，黑体的全辐射度与其绝对温度的四次方成正比，是全辐射测温仪的理论基础。3测量仪表3.1按工作原理分类辐射测温仪按工作原理可分为“亮度测温仪”和“辐射比测温仪”两大类。其中亮度测温仪又可分为全辐射测温仪、带通（宽带和窄带）测温仪；辐射比测温仪可分为双色和多色测温仪。（1）全辐射测温仪这类测温仪是根据被测目标在全部波长范围的辐射亮度的大小确定其温度，这就要求测温仪的光学系统和红外探测器在所有波长上有相同的透过率和响应，这在实际上做不到。这类测温仪的电信号与温度的四次方成比例，易受外界干扰，测温范围窄，因此，其发展缓慢，现在已经很少采用。（2）光谱带通辐射测温仪这类测温仪（即所谓的单色测温仪）是根据被测目标在一定波长范围内的（确定的中心波长λ和波长间隔Δλ）黑体辐射亮度的大小确定其温度。可分为窄带通和宽带通两类，前者用于测量高温或某些有选择辐射的目标，后者用于测量低温目标。这类测温仪由于窄的带通，减少了背景辐射的影响，还可根据应用要求选择波长范围，是目前测温仪应用的主流。（3）双色测温仪双色测温仪的工作原理