《热工测量仪表》PPT课件.ppt

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1、热工测量仪表热工测量仪表 非接触测温方法和仪表非接触测温方法和仪表高温测量中应用最广泛高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。全辐射（黑体）的辐射出射度与其温度有单值函数关系，全辐射（黑体）的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量全辐射体的辐射出射度就可知道其温度。因此测量全辐射体的辐射出射度就可知道其温度。感受件不需与被测介质相接触感受件不需与被测介质相接触非接触式测温非接触式测温辐射辐射式高温计。式高温计。优优 点点 1）仪表不会破坏被测介质的温度场。2）

2、测温上限不会受到感受件材料熔点的限制 3）感受件不必和被测介质达到热平衡，所以仪表的滞后小，辐射温度计的输出信号大，灵敏度高，准确度高，因此1990年国际温标（ITS-90）规定，从961.78摄氏度以上采用单色辐射高温计（光电高温计）作为标准仪器。辐射式高温计通常用来测量高于700摄氏度（用红外技术测温时，下限可达100摄氏度或更低）的温度。固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波

3、的特征仅与温度有关。特征仅与温度有关。1400K800K1000K1200K原原 理理例子：低温火炉辐射能集中在红光。例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。1、热辐射热辐射热辐射体中原子和分子不发生运动状态变化；热辐射体中原子和分子不发生运动状态变化；热辐射能量来自物体的热运动；热辐射能量来自物体的热运动；在任何温度下（不是绝对零度）辐射连续光谱。在任何温度下（不是绝对零度）辐射连续光谱。发射本领和吸收本领发射本领和吸收本领 发射本领（单色辐射出射度）：发射本领（单色辐射出射度）：是用来描述辐射物体发射能量的能力的物理量。是用来描述辐射物体

4、发射能量的能力的物理量。一、热辐射及相关定律一、热辐射及相关定律一、热辐射及相关定律一、热辐射及相关定律 (1)(1)单色辐射出射度单色辐射出射度单色辐出度：单色辐出度：温度为温度为T的热辐射体，的热辐射体，单位时间内从物体单位面积向各个单位时间内从物体单位面积向各个方向发射的、频率在方向发射的、频率在+范围的能量为范围的能量为:叫做物体在温度为叫做物体在温度为T时，发射频率为时，发射频率为的的单色辐射出射度。单色辐射出射度。其中，(2)(2)辐射出射度辐射出射度(简称辐出度简称辐出度)M)MO O(T):(T):温度为温度为温度为温度为T T T T的热辐射体的热辐射体的热辐射体的热辐射体,

5、单单单单位时间位时间位时间位时间单位单位单位单位面积面积面积面积,向向向向2 2 2 2 立体立体立体立体角辐射出的所有波长的能量角辐射出的所有波长的能量角辐射出的所有波长的能量角辐射出的所有波长的能量.(3)(3)吸收本领吸收本领 A(,T):A(,T):入射到物体上的辐射通量入射到物体上的辐射通量入射到物体上的辐射通量入射到物体上的辐射通量 ,一部分被一部分被一部分被一部分被物体散射或反射物体散射或反射物体散射或反射物体散射或反射(对透明物体对透明物体对透明物体对透明物体,还会有一部还会有一部还会有一部还会有一部分透射分透射分透射分透射),),),),其余的为物体所吸收其余的为物体所吸收其

6、余的为物体所吸收其余的为物体所吸收.吸收本领定义为吸收本领定义为吸收本领定义为吸收本领定义为:吸收吸收吸收吸收 入射入射入射入射(4)(4)(4)(4)基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律:物物物物体体体体的的的的单单单单色色色色辐辐辐辐出出出出度度度度和和和和吸吸吸吸收收收收本本本本领领领领的的的的比比比比值值值值与与与与物物物物体体体体性性性性质质质质无无无无关关关关。对对对对于于于于所所所所有有有有物物物物体体体体，这这这这个个个个比比比比值是波长和温度的函数，可表示为值是波长和温度的函数，可表示为值是波长和温度的函数，可表示为值是波长和温度的函数，可表示为:是与物体性质无关

7、的普适函数是与物体性质无关的普适函数是与物体性质无关的普适函数是与物体性质无关的普适函数.上式是基尔霍夫定律的数学表达式。上式是基尔霍夫定律的数学表达式。上式是基尔霍夫定律的数学表达式。上式是基尔霍夫定律的数学表达式。2.2.黑体辐射黑体辐射 黑体辐射定律黑体辐射定律能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体称的物体称的物体称的物体称绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体，简称，简称，简称，简称黑体黑体黑体黑体.参见下图！参见下图！参见下图！参见下图！(1)(1)(1)(1)黑体黑体黑

8、体黑体由基尔霍夫定律，对黑体也应有由基尔霍夫定律，对黑体也应有由基尔霍夫定律，对黑体也应有由基尔霍夫定律，对黑体也应有:能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为的物体称为绝对黑体绝对黑体。简称黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看可近似看作作黑体黑体。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大。因而辐射本领也最大。研究黑体辐射的规律研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性是了解一般物体热辐射性质的基础。因为黑体的单质的基础。因为黑体的单色幅出度仅与波长

9、和温度色幅出度仅与波长和温度有关，与材料表面情况无有关，与材料表面情况无关。它反映了辐射本身的关。它反映了辐射本身的规律。规律。黑体模型黑体模型因为有因为有因为有因为有:黑体辐射的单色辐出度与物体黑体辐射的单色辐出度与物体黑体辐射的单色辐出度与物体黑体辐射的单色辐出度与物体热辐射普适函数有相同的形式。热辐射普适函数有相同的形式。热辐射普适函数有相同的形式。热辐射普适函数有相同的形式。人们研究热辐射，需要找出这个普适函人们研究热辐射，需要找出这个普适函人们研究热辐射，需要找出这个普适函人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普数

10、的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的一个有效途径。适函数的一个有效途径。适函数的一个有效途径。适函数的一个有效途径。T热电偶热电偶平行光管平行光管绝对黑体绝对黑体三棱镜三棱镜黑体的经典辐射定律黑体的经典辐射定律测定黑测定黑体辐出度按波长分布实验的体辐出度按波长分布实验的实验装置图实验装置图1700K1500K1300K1100K0 1 2 3 4 5 绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线 实验曲线实验曲线由实验及理论都可以得到由实验及理论都可以得到斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（1）斯忒藩（）斯忒藩（Stefan)玻尔

11、兹曼定律玻尔兹曼定律曲线下的面积等于绝对黑体在一曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度定温度下的辐射出射度即：即：斯忒藩常数斯忒藩常数维恩位移定律维恩位移定律:维恩位移定律指出维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度单色辐出度最大值最大值向短波方向移动。向短波方向移动。（2）维恩（）维恩（Wien)位移定律位移定律最大值所对应的波长为最大值所对应的波长为峰值波长峰值波长1 1、维恩经验公式、维恩经验公式:问题：问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式如何从理论上找到符合实验曲线的函数式？这个公式与实验曲线短波长处符合得很好，这个公式与实验曲线短

12、波长处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。但在波长很长处与实验曲线相差较大。2 2 2 2、瑞利、瑞利、瑞利、瑞利-金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式:这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，但在短波区，按此公式，将随波长趋向将随波长趋向 于零而趋向无穷大的荒谬结果，即于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难紫外灾难”。o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678 维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射

13、所得的结果，都与实验结果不的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。为了解决上述困难，普朗克提出了一个著名的为了解决上述困难，普朗克提出了一个著名的能量子假设能量子假设。普朗克的量子假说普朗克的量子假说 普朗克公式普朗克公式 普朗克在能量子假说的基础上，普朗克在能量子假说的基础上，利用内利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利的瑞利-金斯公式衔接起来，金斯公式衔接起来，提出并确立

14、了提出并确立了一个新的公式：一个新的公式：普朗克常数普朗克常数 ！这一公式称为这一公式称为普朗克公式。普朗克公式。它与实验结它与实验结果符合得好果符合得好 ！参见上图。参见上图。普朗克公式还可以用频率表示为：普朗克公式还可以用频率表示为：普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。分立值，才能得到上

15、述普朗克公式。能量子假说：能量子假说：1.1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。振子可以发射和吸收辐射能。2.2.这些谐振子的能量不能连续变化（象经典物理学所允这些谐振子的能量不能连续变化（象经典物理学所允许的可具有任意值）。只能取一些分立值，这些分立值许的可具有任意值）。只能取一些分立值，这些分立值是某一最小能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：称为能量子）的整数倍，即：1,1,2,3,.2,3,.n n。n n为正整数为正整数,称为称为量子数。量子数。频率为频率为的谐振子最小能量为：的谐振子最小能量为：

16、能量能量量子量子经典经典 振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式单色辐出度，即普朗克公式。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡

17、献，获量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获19181918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。o普朗克公式普朗克公式从理论上说，不论温度高低都是适用的，但计算是很不方便。在温度低于3000k，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克公式，误差不超过1%。维恩公式如下：式中所有符号与普朗克定律中的一样，维恩公式的计算较为方便，但在3000k以上就不大准确了，所以它只应用在3000k以下，并作为光学高温计的理论根据。3、真实物体的辐射 黑黑体体（绝绝对对黑黑体体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是小于理想化的模型，实际中的物体的吸收率总

18、是小于1。抛光的铜镜表面：抛光的铜镜表面：一般金属表面：一般金属表面：煤烟：煤烟：灰体：灰体：吸收吸收(或辐射或辐射)本领与波长无关本领与波长无关选择吸收体：选择吸收体：对辐射能的吸收对辐射能的吸收(或辐射或辐射)除与温度有关外，除与温度有关外，还与波长有关还与波长有关发射率把灰体的辐射出射度和同一温度下全辐射体的辐射度相比较，就得到物体的另一个特征参数，叫做“发射率”。发射率是一个小于1的常数。根据热力学中的基尔霍夫定律，在热平衡状态下，灰体的吸收比和发射率是相等的。o光谱发射率 和发射率 都不是常数，其值在0与1之间。与温度、该物体的性质和表面情况有关；则按基尔霍夫定律还与 有关，和 都要

19、用实验方法确定。二、单色辐射高温计o 由普朗克定律或维恩公式可知，物体在某一波长下的光谱辐射出射度与温度有单值函数关系，而且光谱辐射出射度随温度增长的速度非常快。根据这一原理制作的高温计称单色辐射高温计。我国生产的单色辐射高温计有光学高温计和光电高温计两种，下面分别介绍之。A、光学高温计 物体在高温状态下会发光，也就是说它具有一定的亮度。物体的光谱辐射亮度 和它的光谱辐射出射度 是成正比的，即 式中 c比例常数（）。由于 与温度有关，所以受热物体的亮度大小也反映了物体温度的高低。但因为各种物体的光谱发射率 是不相同的，因此即使它们的亮度相同，它们的温度也是不相同的。这就使得按某一物体的温度刻度

20、的光学高温计不可以用来测量光谱发射率不同的另一物体的温度。为了解决这一问题，仪表按全辐射体温度刻度。当测量实际物体的温度时，所测量出的结果，不是物体的真实温度，而是相当全辐射体的温度，即所谓被测物体的亮度温度，然后通过修正求得被测物体的真实温度。o 亮度温度的定义是：当物体在辐射波长为 ，温度为T时，其光谱辐射亮度 和全辐射体在辐射波长为，温度为 时的光谱辐射亮度 相等，则把 称为这个物体在波长为 时的亮度温度。将维恩公式代入（710），得到物体和全辐射体的亮度公式，分别为：假如两者的亮度相等，就得到 式中 光谱（单色）辐射的波长，对于红光=0.66 亮度温度亮度温度o 在已知物体的辐射发射率

21、 和高温计测得的亮度温度 之后，就可用式（713）求出物体的真实温度T。由上式看出 越小，亮度温度与真实温度间的差别越大。因 ，因此测得的亮度温度总是低于真实温度的。光学高温计的结构示意如图73所示。物镜1和物镜2都可以沿轴向移动，调节目镜的位置，使从目镜看去可以清晰地看到灯丝4。调节物镜1的位置，使在灯丝平面上清晰地看到被测物体的像，目镜2前放着红色滤光片3。灯丝4和变阻器6与电源及毫安计8相串联。调节变阻器6可以调整流过灯丝的电流，也就调整了灯丝的亮度。一定的电流对应灯丝的一定亮度，因而也就对应一定的温度。灯丝隐灭式光学高温计o原理：保持灯丝的电流不变、发出的亮度恒定，而采用一片颜色由浅逐

22、渐变深的环形吸收玻璃作为减光楔，放置于物镜后面，转动减光楔即可改变吸收光能的数量，平衡时被测对象与灯泡发出的亮度一致，此时由减光楔的转角指示出被测对象的温度。这也是一种常用的光学高温计。B、恒亮式光学高温计恒亮式光学高温计 使用光学高温计时应注意下述事项 o（1）非全辐射体的影响：被测物体往往是非全辐射体。而且物体的光谱发射率 不是常数，它和波长 、物体的表面情况及温度的高低有关系。物体光谱发射率的变化有时是很大的。这给测量带来很不利的影响。为了消除 变化的影响，可以认为地创造全辐射体辐射的条件，譬如测量炉膛温度，可以插入一根细长而有底的陶瓷管，在充分受热以后，从管口看进去的管子的底部就可以近

23、似地把它认为是全辐射体了，为得到足够的光谱发射率，管子的长度与管子的内径之比不得小于10。使用光学高温计时应注意下述事项（2）中间介质的影响：光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾和二氧化碳等气体对辐射会有吸收作用，因而造成测量误差。在实际测量时很难做到没有灰尘，因此关学高温计不要距离物体太远，一般应在12米之内比较合适。光学高温计不宜测量反射光很强的物体，否则要产生测量误差。光学高温计在实际使用中由于受上述诸因素的影响，测量的准确度要比热电偶、热电阻低，并且不能测物体内部温度三、光电高温计 光学高温计测量时要手动平衡亮度，要用人眼来判断平衡状态，这种平衡状态还会因人而异，所以光学高温计不是连续

24、测温仪表，应用到工业生产中就要受到一定的限制。光电高温计可以自动平衡亮度，它是在光学高温计的基础上发展起来的自动连续测温仪表。光电高温计用光电器件作为仪表的感受件，代替人的眼睛来感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号，此信号经电子放大后被测量，其大小相应于被测物体的温度。由于电子技术的进步的进步，光电高温计可以做得很准确，因此ITS90国际温标中规定961.78摄氏度以上温度采用它作为标准仪器。光电高温计能自动测量温度，使用方便，还可以避免操作者的主观误差，光电高温计的读数可自动记录和远距离传送，有利于参数集中检测，另外光电高温计中的光电器件可接受可见光，也可接受红外光，这使高温计

25、的测量范围不受人眼光谱敏感度的限制，可向低温方面扩展。上述几点是光电高温计比光学高温计优越的方面。光电高温计在使用中应注意的事项和光学高温计一样，此外反馈灯及光电器件等元件特性的分散性大，元件的互换性很差，在更换反馈灯或光电器件时必须对整个仪表重新进行调整和分度，这是使用光电高温计需要特别注意的一个问题。四、辐射温度计四、辐射温度计o 辐射温度计过去也称为全辐射温度计或全辐射高温计，其实任何光学系统都不可能完全透过或反射全部波长的辐射能，因此，还是称其为辐射温度计比较确切。辐射温度计是根据全辐射定律制作的温度计。由式（75）看出，当知道全辐射体的辐射出射度 后，就可以知道温度T。现在生产的辐射

26、温度计的示意见图78。o物体的辐射线由物镜聚焦后经光阑是焦点落在物体的辐射线由物镜聚焦后经光阑是焦点落在镍箔热电堆上。热电堆是由四支镍镍箔热电堆上。热电堆是由四支镍铬铬康铜热电康铜热电偶串联而成，四支热电偶的热端被夹在十字型的镍偶串联而成，四支热电偶的热端被夹在十字型的镍箔内，镍箔表面涂铂黑以增家其吸收热辐射能力。箔内，镍箔表面涂铂黑以增家其吸收热辐射能力。当辐射能被聚焦到镍箔上时，热电偶热端感受热量，当辐射能被聚焦到镍箔上时，热电偶热端感受热量，热电堆输出的热电势信号送到显示仪表，有显示仪热电堆输出的热电势信号送到显示仪表，有显示仪表指示或记录被测物体的温度，四支热电偶的冷端表指示或记录被测

27、物体的温度，四支热电偶的冷端夹在云母片中，这里的温度比热端低得多。在瞄准夹在云母片中，这里的温度比热端低得多。在瞄准被测物体的过程中，观察者可以在目镜处观察，目被测物体的过程中，观察者可以在目镜处观察，目镜前加有灰色玻璃以削弱光的强度，保护人眼。整镜前加有灰色玻璃以削弱光的强度，保护人眼。整个外壳内壁面涂成黑色以便减少杂光的干扰和造成个外壳内壁面涂成黑色以便减少杂光的干扰和造成全辐射体的条件。全辐射体的条件。辐射温度计也是按被测对象是全辐射体进行刻度的。在测量实际物体时必然有误差。当被测物体的真实温度为T时，其辐射出射度M等于全辐射体在温度时的辐射出射度，温度称为被测物体的辐射温度。按上述定义

28、可以求出辐射温度与真实温度之间的关系。o 由定义有因此有o式中是被测物体的发射率，是个小于1的数，因此总是小于T的。因为辐射温度计是按全辐射体刻度的，在测量非全辐射体的温度时，其读数便是被测物体的辐射温度，然后用式（715）计算出被测物体的真实温度T。随物体的化学成分、表面状态、温度和辐射条件不同而不同，而且较难准确确定，因此测量误差比较大。辐射温度计在使用时应尽可能准确地确定被测物体的发射率，或者人为地创造全辐射体的条件，如图79所示。辐射温度计安装时正对着砌在炉膛侧壁内的封底陶瓷管的底部，以提高测量准确度。测量时要使高温计的镍箔片正好被整个被测对象的像覆盖，否则测量值是不准确的o辐射温度计

29、和被测物体之间的中间介质如水蒸气、二氧化碳等会吸收辐射能，使温度计接受到辐射能减少而引起误差。由于中间介质对不同波段辐射能的吸收程度不同，中间介质吸收总辐射能比吸收单色辐射能要多，所以辐射温度计受中间介质的影响比光学高温计更大些。为了减少误差，温度计与被测物体之间的距离不可太大。如温度计在物体热辐射的影响下温度逐渐升高，则会使其中热电偶冷端温度升高，增加测量的误差。因此当环境温度逐渐过高时（高于100摄氏度），需在温度计外装设冷却水套，以降低仪表工作的温度。o对于不同型号的辐射温度计，要求被测物体的饿直径D和被策物体与温度计之间的距离L之比（D/L）有一定的限制。当距离L太大时，被测物体在在热

30、电堆平面上成像太小，不能全部覆盖住热电堆十字形平面，使热电堆接受到的辐射能减小，指示偏低，当距离L太小时，物象将照到光阑边缘和接近热电堆的其他零件上，使冷端温度升高，造成热电势下降，指示偏低。距离L太大时，中间介质的影响太大，指示也要偏低，因此对一种型号的辐射温度计，都有规定的D/L范围，使用时应符合规定，否则会引起较大误差。五、比色温度计五、比色温度计比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计。比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计。由维恩偏移定律可知，当温度变化时物体的辐射出射度由维恩偏移定律可知，当温度变化时物体的辐射出射度向波长增加或减小的方向移动，使在波长向波长增加或减小的方向移动，

31、使在波长 下的下的光谱辐射亮度比发生变化，测量光谱辐射亮度比的变化光谱辐射亮度比发生变化，测量光谱辐射亮度比的变化即可测得相应的温度。对于全辐射体，由维恩公式可得即可测得相应的温度。对于全辐射体，由维恩公式可得o两式相除后取对数，整理后得上式中的是预先规定的值，只要知道在此二波长下的亮度比，就可求得被测全辐射体的温度o当温度T的实际物体在两个波长下的光谱辐射亮度比值，与温度为的全辐射体的上述两波长下的光谱辐射比值相等时，把称为实际物体的比色温度。根据上述定义，应用维恩公式，可导出下列公式：o式中：分别为实际物体在时的光谱发射率。已知，就可由式（717）求得T。由式（717）可见比色温度计具有如

32、下特点：（1）对于全辐射体，因为所以；对于灰体，由于，同样可得；对于一般物体，不相等，所以不相等。的关系由 来决定。对于金属，即，则，比色温度Tc 比实际温度T要高。反之，若实际材料的 ,则Tc T。o比色温度计和单色辐射高温计，辐射温度计相比较，它的测量准确度高，因为实际物体的 值和 值变化比较大，而同一物体的 和 的比值变化比较小，因此比色温度和真实温度之差要比亮度温度，辐射温度和真实温度之差要小的多。o中间介质（如水蒸气，二氧化碳和灰尘等）对波长 和 的单色辐射能都有吸收，尽管吸收程度不一定一样，但对光谱辐射出射度影响比较小，所以比色高温计可以在周围气氛较恶劣的环境下测温。o三色测温法的

33、特点和双色测温法的特点相类似，但在消除 的影响方面更为有利些，当实际物体的光谱发射率 与波长 之间呈线性关系，并取 时，三色温度计测得得温度就很接近物体得真实温度。此外，国内外都还在研究四色，六色等多色测温装置，以便能准确测得物体表面温度。六、红外温度计o辐射式温度计的测量范围可向高温方面扩展，扩展范围的基本原理是用一吸收玻璃把被测物体发出来的射线减弱一部分，仅测量透过玻璃的那一部分辐射能，用这种方法可以把测温上限扩展到3000 以上，辐射式温度计的测量范围也可向中温o（100700 ），低温（100 ）方面扩展。由传热学原理知道，物体有温度就会向外辐射能量，按照普兰克定律绘制的在中温低温下的

34、曲线如图71所示，由图可见2000K以下的最高点所对应的波长已不是可见光，而是红外线，而人眼看不见这种射线，需要红外温度计来检测。o红外温度计的结构和光电高温计，辐射温度计，比色高温计等基本上是一样的，它的原理如图713所示。其中光学系统和红外探测器是具有特殊性质的部分。续 上 续 上 o光学系统可以是透射式的，也可以是反射式的，透射式光学系统的透镜采用能透过相应波段的辐射线的材料制成。测高温（700 ）时的辐射波段主要在0.763um的近红外区，这时可用一般的光学玻璃和石英等材料制作透镜。测中温 （100700 ）时，多采用氟化镁，氧化镁等热压光学材料制作透镜。续 上o测低温（100 ）以下

35、的辐射波段主要是514um的中，远红外波段，多采用锗，硅，热压硫化锌等材料制作透镜。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜。反射镜的表面镀金，铝，镍或铬等对红外辐射反射率很高的材料。o红外探测器是接收物体红外辐射能并转化为电信号的器件，它可分为热敏探测器和光电探测器两大类。续 上o热敏探测器是利用物体接收红外辐射而温度升高，从而引起物理参数变化的器件。热敏探测器的响应时间比较长，在毫秒级以上。热敏探测器对入射的各种波长辐射基本上具有相同的响应率，如图714（a）所示。o光电探测器是利用某些物体中的电子吸收红外辐射后改变其运动状态的原理来工作的。光电探测器的响应时间比热敏探测器的响应时间短得多，一般

36、是微秒级，最短可达到纳秒级。光电探测器所探测的波长有一长波限 。波长长于 时，响应率大为下降，如图714（b）所示。续 上续 上oA.热敏探测器 常用热敏探测器有热敏电阻型，热电偶型和热释电型。热敏电阻型热敏探测器用猛，镍，钴等金属化合物配置而成，其探测率略大于 ，响应时间在110ms之间，比起光电探测器来，这些指标都比较低。续 上o热电偶型热敏探测器用热电势大的材料来制作。当它被红外线照射时会产生热电势，它的探测率可达 ，响应时间较长，达3050ms.o热释电型探测器是利用铁电体一类电解质的电极化现象实现测量的。电解质加上电压后，它的一个表面带正电，相反的表面带负电，这种现象称为电极化。电压

37、除去后仍能保持极化状态，但极化强度（单位面积上的电荷）和温度有关，温度升高，极化强度降低。续 上o利用这种关系可制成热释电型探测器。红外辐射线照射到已极化的铁电体上，使其温度升高，因而表面电荷减少，然后用放大器把电荷变化转变为输出电压。温度变化引起电荷变化，才有输出信号，温度不变，输出信号等于零。因此使用探测器时，它接收红外线辐照的时间必须短于它的热平衡时间参数（约0.11S）。目前采用的铁电体有硫酸三甘酸，铌酸钡，钛酸锂钡等，它的探测率，低频（10Hz左右），可达 ，高频率（Hz)可达 ，热释电型探测器的性能优于热敏电阻型探测器。续 上oB.光电探测器 常用的光电探测器有光电导型和光生伏特型

38、两种。光电导型探测器就是光敏电阻。当红外线照射在光敏电阻上时，光敏电阻的电导率增加，随入射辐射的功率的不同，电导率也不同。光电导型探测器就是利用这种特性来测量红外辐射的。各种半导体材料所制成的光敏电阻都只能对某一波段的辐射线有响应。续 上o目前常用的光敏电阻有硫化铅（室温下它能响应的波段为0.43.2um），硒化铅（室温下它能响应的波段自可见光波段至4.5um，但探测率低于硫化铅）和碲铬汞三元合金。当改变三元合金中的碲化汞和碲化铬两种成分的配比时，可作出波长限不同的各种探测器。在室温下能响应至6um，低温下可响应至几百微米。还有硫化铟，碲化铟等，能响应的波长一般不超过7um，且都需在低温下工作

39、。光电导型探测器的探测率比热敏型的要高，有的且能高出二三个数量级，它的响应时间在微秒级。续 上o光生伏特型探测器就是光电池。当它被红外光生伏特型探测器就是光电池。当它被红外线照射后，就有电压输出，大小与入射功率线照射后，就有电压输出，大小与入射功率（照度）有关。其波长响应特性与同材料的（照度）有关。其波长响应特性与同材料的光电导型的相仿。锗光电池光电导型的相仿。锗光电池0.40.40.60.6微米，微米，硅光电池硅光电池0.40.41.11.1微米，碲锡铅在低温下的微米，碲锡铅在低温下的响应波长可达响应波长可达1111微米。光电池的响应时间比微米。光电池的响应时间比光电导型的要短些。光电导型的

40、要短些。续 上续 上o注意：在使用红外探测器时要注意水蒸汽、二在使用红外探测器时要注意水蒸汽、二氧化碳和臭氧会吸收红外辐射，造成误差，氧化碳和臭氧会吸收红外辐射，造成误差，采用红外比色温度计可以减小这种误差。另采用红外比色温度计可以减小这种误差。另外合理选择测量波段避开上述吸收光谱范围外合理选择测量波段避开上述吸收光谱范围（如上页图）也可使仪表正常工作。（如上页图）也可使仪表正常工作。七、红外热像仪o前面介绍的那些测量方法，大多数属于点测温法，用来测量某一点或某一小块的温度。在科研工作及生产实践中有时需要知道某一平面的温度分布情况，这属于二维温度场的测量。目前测量二维温度场的方法就是热成像法，

41、所用的仪器称为热像仪，热像仪主要工作在红外波段，故也称红外热像仪。附 电线塔的红外热像图附 人手的红外热像图续 上o红外热像仪是通过红外扫描单元（光学系统）实现对被测物体的分割扫描。并把分割后各目标元所发出的红外热辐射聚焦在红外探测器上，由探测器转化为电信号，再经过电信号处理，将目标元本身发射和反射出的按空间分布的红外热辐射信号转化成按时间分布的电信号，再由显示器显示出按空间分布的该物体的可见光图像。续 上o如果是黑白图像，图像上各部分的亮度就反映了被测物体各部分的红外辐射出射度，即各部分的温度高低，此图称热像图。也可以显示彩色图像，为此把信号幅度分成为10个电平，每个电平赋予一种颜色，根据不

42、同颜色就可得到被测物体各部分的温度分布图，称之为伪彩色显示。热像图的电信号还可以通过一个接口输送到计算机去处理，这是基本的系统，为了对热像图进行模拟数据分析，还设有采样面积选择器，热幅度分析器，采样读出指示器，热剖面控制器等等。续 上 下面介绍两种红外热像仪的成像原理。A.光学机械扫描成像 光学机械扫描成像就是利用光学与精密机械的动作，完成对物体的扫描，所以称之为光学机械扫描成像。有一种热像仪的光学系统为全折射式，如图716所示，通过更换红外物镜可对不同距离和大小的物体扫描成像。续 上o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（8面或12面）平行平面棱镜。扫描棱镜由电动机带动旋转，

43、垂直扫描棱镜电动机的转速为180r/min，水平扫描电动机的转速为18000r/min，两个有窄缝的圆盘分别与两个棱镜同轴旋转，这两个开缝圆盘与垂直和水平的触发电路相连接，并给电动机提供垂直和水平的触发脉冲。这些脉冲信号控制着垂直和水平电动机的转速，并使两电动机按比例同步转动。续 上o从水平棱镜输出的光通过一组包括可选光阑及可选滤光片装置的中继光学系统，最后被聚集在一个红外探测元件上。采用短波长（35.6um）扫描时，探测元件采用碲化铟（InSb），采用长波长（814um）扫描时，探测元件采用碲铬汞（HgCdTe），这两种元件都需在低温下工作，因此，他们被固定在液氮冷却（196 ）的杜瓦瓶外壁

44、上。续 上o垂直棱镜和水平棱镜同步旋转时，被测物体表面上各目标元的红外辐射线顺序聚焦到探测元件上，探测元件输出正比于各目标元红外辐射出射度的电信号，此信号在扫描单元中被放大并产生一个视频信号，通过电缆将该信号送往图像监视器，其流程框图如717所示，整个热像仪框图如图718所示。续 上oB.电荷耦合器件成像 电荷耦合器件（CCD）是比较理想的固体成像器件。在N型或P型硅衬底上生长一薄层二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属电极，这种规律排列的MOS电容阵列和两端输入输出二极管构成CCD的芯片，如果在硅片中掺入铟等杂质，或选用砷化铟，碲化铟，碲铬汞等作为衬底材料，它就能对红外辐射线产生反应，但此

45、时基片需在低温下使用。续 上oCCD图形传感器按其光敏元件的排列方式，有线阵列和面阵列之分。CCD可以把光热信号转化成电脉冲信号，而且每一个脉冲只反映一个光敏元的受光（热）情况。脉冲幅度的高低反映该光敏元的受光强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这样就起到图像传感的作用。o 由于CCD具有自扫描特性，又有噪声低和集成度高的优点，易于构成体积小、重量轻、功耗低和可靠性高的CCD图像传感器，因此发展迅速。o 红外热像仪可用于工业、天文、气象、资源探测、国防及医疗等部门。在电力工业中，红外热像仪可测量热设备及发电机、变压器等电器设备的温度分布情况，也可监测输电线路的发热情况，以便消除隐患，保证设备的安全经济运行。