1、6.4 非接觸式測(cè)溫 高溫測(cè)量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。非接觸測(cè)溫儀表分類(lèi)：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì)任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不必與物體接觸，因此可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不會(huì)破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒(méi)有上限，可以測(cè)量高溫。6.4 非接觸式測(cè)溫 高溫測(cè)量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱

2、輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì)6.4.3 光電高溫計(jì)6.4.4 輻射溫度計(jì)6.4.5 比色溫度計(jì)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.1 熱輻射基本定理 輻射換熱是熱交換的三種基本形式之一輻射波長(zhǎng)范圍：0.01um1000um 在低溫時(shí)，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短波方向移動(dòng)，在5000C左右時(shí),輻射光譜包括了部分可見(jiàn)光；到8000C時(shí)可見(jiàn)光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時(shí)，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。6.4.1 熱輻射基本定理 輻射換熱是熱交換的三種基本形式熱輻射電磁波集中在可見(jiàn)

3、光和紅外線區(qū)域熱輻射電磁波集中在可見(jiàn)光和紅外線區(qū)域輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射 吸收率； 透射率； 反射率。 Q輻射能 單位為焦耳(J)輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)物體分類(lèi)： 黑體（絕對(duì)黑體）：照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無(wú)反射也無(wú)透射。 透明體：照射到物體上的輻射能全部透射過(guò)去，既無(wú)吸收又無(wú)反射。鏡體、白體：照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)之為“鏡體”；若反射無(wú)一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)為“絕對(duì)白體”或者簡(jiǎn)稱(chēng)為“白體”。 物體分類(lèi)： 黑體（絕對(duì)黑體）：

4、在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的值很小或等于零，而氣體的值較大。對(duì)于一般工程材料來(lái)講， 0而+ =1，稱(chēng)為灰體 從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體 在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的熱輻射的重要參數(shù)輻射能Q 以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱(chēng)為輻射能，單位為焦耳(J)。輻射能通量 輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱(chēng)輻射率： 其單位是瓦特(W)。 輻射強(qiáng)度I 在給定方向上的立體角單元內(nèi)，離開(kāi)點(diǎn)輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱(chēng)為該方向上的輻射強(qiáng)度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。熱輻射的重要參數(shù)輻射能Q 以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的

5、熱輻射的重要參數(shù)輻射出射度M 離開(kāi)輻射源表面一點(diǎn)處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱(chēng)為該點(diǎn)的輻射出射度，即輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。熱輻射的重要參數(shù)輻射出射度M 熱輻射的重要參數(shù)輻射亮度L和光譜輻射亮度 表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱(chēng)為該方向的輻射亮度L。輻射亮度包括所有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長(zhǎng)的輻射能量則稱(chēng)為該波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度。熱輻射的重要參數(shù)輻射亮度L和光譜輻射亮度 基爾霍夫定律各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，是物體的溫度和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù) 式中：M0(,T), M1(,

6、T), M2(,T) 物體的單色()輻射出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物體的單色()吸收率。基爾霍夫定律各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的若物體A0絕對(duì)黑體，那么0(,T) =1，根據(jù)基氏定律 也就是說(shuō),物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對(duì)黑體在同樣的溫度下，相同波長(zhǎng)時(shí)的輻射出射度。設(shè)M(,T)為物體A在波長(zhǎng)為 ，溫度為T(mén)下的輻射出射度。 式中，稱(chēng)為物體A的單色輻射率，或稱(chēng)為單色黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度和波長(zhǎng)下，物體A的輻射出射度與相同溫度和波長(zhǎng)下黑體的輻射出射度之比。 若物體A0絕對(duì)黑體，那么0(,T) =1，根據(jù)基氏定律 在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻

7、射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分 式中，A(T) 物體A在溫度T下的全吸收率， M0(T) 黑體在溫度T下的全輻射出射度。基氏定律的積分形式為 它表明了在一定的溫度T下，物體A的全輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的T1， T越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射式中，A(關(guān)于基爾霍夫定律基爾霍夫定律是平衡輻射定律，與物質(zhì)本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)； 吸收和輻射的多少應(yīng)在同一溫度下比較； 強(qiáng)烈的吸收必伴有強(qiáng)烈的輻射。無(wú)論這種吸收是由物體表面性質(zhì)決定的，還是由系統(tǒng)的構(gòu)造決定的； 基爾霍夫定律所描述的輻射與波長(zhǎng)有關(guān)，而與人眼的

8、視覺(jué)特性和光度量無(wú)關(guān)； 基爾霍夫定律只適用于熱輻射，對(duì)其它發(fā)光情況不成立。關(guān)于基爾霍夫定律基爾霍夫定律是平衡輻射定律，與物質(zhì)本身的性質(zhì)黑體輻射定律 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律) 維恩公式 斯蒂芬波爾茲曼定律 （全輻射強(qiáng)度定律，也稱(chēng)為四次方定律）黑體輻射定律 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律) 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)溫度為T(mén)的單位面積元的絕對(duì)黑體，在半球面方向所輻射的波長(zhǎng)為 的輻射出射度為式中，c光速； h普朗克常數(shù)，6.62617610-34Js； k波爾茲曼常數(shù)，1.3806624410-23J/K； C1第一輻射常數(shù)，3.741810-16Wm2； C2第二輻射常數(shù)，1.438810

9、-12mK； T絕對(duì)溫度。 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)溫度為T(mén)的單位面積元的絕對(duì) 維恩公式當(dāng)c2/（T）1時(shí)，即hc/KT，此時(shí)對(duì)應(yīng)短波或低溫情形，普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于1，故可以把分母中的1忽略，得到公式在理論上說(shuō)明了黑體在各種溫度下能量波長(zhǎng)分布的規(guī)律,公式簡(jiǎn)單，但是僅適用于不超過(guò)3000K的溫度范圍 .黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，即上式就是光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù) 維恩公式當(dāng)c2/（T）1時(shí)，即hc/KT，此黑體輻射峰值波長(zhǎng)令x = c2/T X何值時(shí)M最大，應(yīng) 黑體輻射峰值波長(zhǎng)令x = c2/T X何值時(shí)M最大，應(yīng)

10、 若上式為零 須 解此方程 x = 4.9651142 即：c2/T = 4.9651142 mT = 2898 (mK) 這就是維恩位移定律，其中的m即某溫度T時(shí)黑體輻射出射度Mb達(dá)到峰值的波長(zhǎng)m，通常寫(xiě)為 若上式為零 須 斯蒂芬波爾茲曼定律溫度為T(mén)的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。 式中，斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，5.6696110-3W/(m2K4)。 這就是輻射式溫度計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長(zhǎng)內(nèi)積分的結(jié)果。斯蒂芬波爾茲曼定律溫度為T(mén)的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方例 已知人體的溫度T=310K（假定人體的皮膚是

11、黑體），求其輻射特性. 1.其峰值波長(zhǎng)為 2.全輻射出射度為例 已知人體的溫度T=310K（假定人體的皮膚是黑體），求其6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì)6.4.3 光電高溫計(jì)6.4.4 輻射溫度計(jì)6.4.5 比色溫度計(jì)6.4.6 紅外線測(cè)溫儀6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì) 精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測(cè)試；標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點(diǎn)、熱容量和相變點(diǎn)的測(cè)定中使用。光學(xué)高溫計(jì)可用來(lái)測(cè)量80032000C的高溫。由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測(cè)量誤差與人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱(chēng)為亮度溫度(

12、TL)，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。6.4.2 光學(xué)高溫計(jì) 精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類(lèi)隱絲式利用調(diào)節(jié)電阻來(lái)改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏鳎?dāng)燈絲的亮度與被測(cè)物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測(cè)物體的亮度溫度。恒定亮度式利用減光楔來(lái)改變被測(cè)物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)確定被測(cè)物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類(lèi)隱絲式隱絲式光學(xué)高溫計(jì) 光學(xué)系統(tǒng)紅色濾波片，造成一個(gè)較窄的有效波長(zhǎng)吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程目鏡和物鏡是一套光學(xué)

13、系統(tǒng)電測(cè)系統(tǒng) 包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測(cè)量電路 原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。 隱絲式光學(xué)高溫計(jì) 光學(xué)系統(tǒng)WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì) 1物鏡；2吸收玻璃；3燈泡；4紅色濾波片；5目鏡；6指示儀器；7滑線電阻；E電源；K開(kāi)關(guān)；R1刻線調(diào)整電阻WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì) 1物鏡；2吸收玻璃；3燈亮度溫度 為了校正光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低的偏差。定義：當(dāng)被測(cè)物體為非黑體，在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度同絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱(chēng)為被測(cè)物體在波長(zhǎng)為時(shí)的亮度溫度。左邊為非

14、黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度 亮度溫度 為了校正光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低根據(jù)維恩公式有對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，并加以整理，得式中，T被測(cè)物體在溫度為T(mén)，波長(zhǎng)為時(shí)的單色黑度系數(shù)； T被測(cè)物體的真實(shí)溫度； TL被測(cè)物體的亮度溫度。已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過(guò)亮度溫度求出物體的真實(shí)溫度。根據(jù)維恩公式有對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，并加以整理，得式中，T6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì)6.4.3 光電高溫計(jì)6.4.4 輻射溫度計(jì)6.4.5 比色溫度計(jì)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.3 光電高溫計(jì) 光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來(lái)完成亮

15、度平衡工作的，其測(cè)量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，當(dāng)被測(cè)溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對(duì)亮度無(wú)法進(jìn)行平衡。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)溫儀表。它采用新型的光電器件，自動(dòng)進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測(cè)量的目的。 6.4.3 光電高溫計(jì) 光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來(lái)完成亮度平衡主要特點(diǎn)：采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來(lái)代替人眼的觀察；采用一參考輻射源與被測(cè)物體進(jìn)行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的亮度自動(dòng)跟蹤被測(cè)物體的輻射亮度，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)即可得到測(cè)量值；在平衡式測(cè)量方式中，光敏元件只起指零

16、作用，它的特性如有變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測(cè)量的特性；設(shè)計(jì)了手動(dòng)值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實(shí)溫度；主要特點(diǎn)：采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來(lái)WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理 1物鏡；2同步信號(hào)發(fā)生器；3調(diào)制鏡；4微電機(jī)；5反光鏡；6聚光鏡；7參比燈；8探測(cè)元件WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理 1物鏡；2同步信號(hào)發(fā)(1)瞄準(zhǔn)光路由物鏡對(duì)0.5m 處被測(cè)物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過(guò)目鏡組可清晰地觀察到被測(cè)物體的瞄準(zhǔn)部位 1調(diào)制鏡；2微電機(jī)；3反光鏡；4可變光闌；5聚光鏡組； 6參比燈；7-目鏡組8、9-保護(hù)窗

17、；10物鏡；11-入射光瞳；12-衰減玻璃；13探測(cè)元件；14-濾光片；15-保護(hù)光闌；16-分劃板；17透鏡玻璃；18-出射光闌；19-保護(hù)玻璃(1)瞄準(zhǔn)光路由物鏡對(duì)0.5m 處被測(cè)物體調(diào)焦成像在 (2)檢測(cè)光路物鏡將被測(cè)物體的輻射能量會(huì)聚，經(jīng)過(guò)衰減玻璃及與物鏡光軸成450角的調(diào)制鏡的反射，進(jìn)入視場(chǎng)光闌孔中，由探測(cè)元件接收。(3)參比光路參比燈輻射的能量經(jīng)聚光燈組會(huì)聚后，通過(guò)可變光闌，由反射鏡反射 ，再穿過(guò)調(diào)制鏡葉片的空間，進(jìn)入視場(chǎng)光闌孔中，經(jīng)濾波片也由探測(cè)元件接收。隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)制鏡，對(duì)兩路輻射通量作切換調(diào)制，使其交替被探測(cè)元件接收。 在參比光路中的可變光闌用作黑度系數(shù)的手動(dòng)修正。 (

18、2)檢測(cè)光路儀器的工作光譜范圍由光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)元件決定。量程范圍在4008000C及以下各量程，采用硫化鉛光敏電阻作探測(cè)元件，并配合鍺濾光片。量程范圍60010000C及以上各量程，采用硅光電池作探測(cè)元件，并配合HB850有色玻璃濾光片。儀器的量程范圍用光學(xué)衰減的方式改變。各種量程都保持參比燈工作電流在某一固定范圍內(nèi)變化，即在量程上限時(shí)工作電流不超過(guò)250mA。 儀器的工作光譜范圍由光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)元件決定。6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì)6.4.3 光電高溫計(jì)6.4.4 輻射溫度計(jì)6.4.5 比色溫度計(jì)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.4

19、 輻射溫度計(jì) 根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分可用于測(cè)量40020000C的高溫，多為現(xiàn)場(chǎng)安裝式結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱(chēng)為輻射溫度，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。 6.4.4 輻射溫度計(jì) 根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌 (a):1云母基片；2受熱靶面；3熱電耦絲；4引出線(b):1-補(bǔ)償片；2-雙金屬片熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌 (a):1云母基片；2受熱靶面；3WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1物鏡；2外殼；

20、3補(bǔ)償光闌；4座架；5熱電堆；6接線柱；7穿線套；8蓋；9目鏡；10校正片；11小齒軸WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1物鏡；2外殼；3補(bǔ)償光輻射溫度 對(duì)于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射能為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測(cè)出的值稱(chēng)為輻射溫度。輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，則有：因?yàn)榉呛隗wT 1，則TFT因此用輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度要比物體的真實(shí)溫度低。輻射溫度 對(duì)于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射能為基準(zhǔn)對(duì)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì)6.4.3 光電高溫計(jì)6.4.4 輻射溫度計(jì)6.4.5 比色溫度計(jì)6.4 非接觸式測(cè)溫6.4.1 熱輻射基本定理6.4.5 比色溫度計(jì) 原理：通過(guò)測(cè)量熱輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比來(lái)測(cè)量溫度。特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)