第七章非接觸測溫第1節輻射測溫基本原理第2節單色輻射式高溫計第3節輻射溫度計第4節氣體溫度計第5節紅外技術在溫度測量中的應用第1節輻射測溫基本原理

具有一定溫度的物體都會向外輻射能量，其輻射強度與物體的溫度有關，可以通過測量輻射強度來確定物體的溫度。任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。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，則稱此物體為絕對黑體。絕對黑體不管它們的組成成分如何，它們在相同溫度下都發出同樣形式的輻射電磁波。熱輻射測溫特點輻射式溫度計的感溫元件不需和被測物體或被測介質直接接觸，可實現遙測；感溫元件不需達到被測物體的溫度，從而不會受被測物體的高溫及介質腐蝕等影響；熱輻射測溫特點輻射測溫適用于很寬的測量范圍，可達-50~6000℃。感溫元件不會破壞被測物體原來的溫度場；可以方便地用于測量運動物體的溫度，動態響應好。基本公式絕對黑體的單色輻射強度為可以看出，只要已知絕對黑體的溫度T以及波長λ，就可以求出它的單色輻射強度。當溫度升高時單色輻射強度隨之升高，曲線的峰值隨溫度升高向波長較短的方向移動。溫度越高，它所輻射出的能量越集中在頻率較高的部分，反之集中在紅外波段當溫度升高時，單色輻射功率也隨之增大，其增大程度因波長不同而不同。當溫度升高時，單色輻射功率的最大值向短波方向移動。當溫度在3000K以下時，上式可用下式代替：當波長λ確定后，只要能確定相應波長的MOλ值，就可以求出溫度T。黑體與灰體理想的絕對黑體在自然界中是不存在的，實際中的輻射體是灰體。在同一溫度下對同一波長，灰體的輻射強度與絕對黑體之間的關系為：對于不同的灰體，系數ελ是不一樣的測待測灰體的溫度時Mλ可以測出，絕對黑體MOλ與T的關系已經知道，故可得溫度。第2節單色輻射式高溫計單色輻射式光學高溫計利用亮度比較取代輻射強度比較進行測溫的。物體的溫度高于700℃時就會明顯的發出可見光，并具有一定的亮度，其單色亮度Lλ與單色輻射強度Mλ成正比，即：一光學高溫計亮度溫度:在輻射波長λ上，當溫度為T的灰體的亮度Lλ和溫度為TS的黑體的亮度LOλ相等時，稱TS為灰體在波長λ時的亮度溫度。由于0<ελ<1TS〈T

當溫度為TS的黑體的亮度與溫度為T的灰體的亮度相等時有以下公式：由于0<εr<1TS〈T

結論:從光學溫度計直接讀到的溫度，要比實際灰體的溫度低，所以必須根據物體的灰度系數進行修正燈絲隱滅光學高溫計

由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進行判斷，調節燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實現溫度測量。此種隱絲式光學高溫計又稱目視光學高溫計或簡稱光學高溫計。每一個電流對應的燈絲溫度是已知的，如果兩者的亮度相同，此溫度即為物體的亮度溫度。光學高溫計的結構1-物鏡2-吸收玻璃3-燈泡4-目鏡5-紅色濾光片6-指示儀表7-可調電阻WGG2-201型光學高溫計

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－開關；R1－刻線調整電阻

光學高溫計必須在某一定的波長下進行單色亮度比較。光學高溫計采用紅色濾光片與人眼構成了“單色器”，使人眼只能觀察到波長為0.6～0.7μm范圍的紅色可見光（如圖陰影部分），其平均波長約為0.66μm。人眼與紅色濾光片配合的視見光譜范圍1人眼相對視見函數曲線μλ；2紅色濾光片光譜透過率曲線τλ

灰色吸收玻璃的作用：光學高溫計采用的是鎢絲燈泡，當溫度高達1400℃時，鎢絲會發生升華使燈泡的性能改變。這就限制了光學高溫計的測溫上限。光學高溫計附加了灰色吸收玻璃，單色光透過這種玻璃時其吸收作用會使亮度減弱。在結構上把灰色玻璃置于物鏡與燈絲之間，這樣人眼觀察到的是燈絲的亮度和被灰色玻璃削弱了的被測物體的亮度,在燈絲溫度不超過1400℃的情況下能測量更高的溫度。二光電高溫計

光學高溫計在測量時要靠手動平衡亮度，用人眼判斷亮度是否平衡，所以不能連續測溫，在應用上受到了一定限制。光電高溫計可以自動平衡亮度，它是在光學高溫計基礎上發展起來的自動連續測溫儀表。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物體輻射亮度的變化，并將此亮度信號按比例轉換成電信號，經濾波放大后送檢測系統進行后續轉換處理，最后顯示出被測物體的亮度溫度。被測物體17與反饋燈15發出的輻射能交替照射到硅光電池4上。再由主放大器14作進一步放大后2.3光電高溫計

輸出驅動反饋燈15；反饋燈15的輻射能隨著驅動電流的改變而相應變化當兩個能量不相等時，硅光電池將產生一個與兩個輻射亮度差成正比的脈沖光電流，經前置放大器13放大后以上過程一直持續到被測物體和反射燈照射到硅光電池上的輻射能相等為止。這時硅光電池4的脈沖光電流接近于零，而流經反饋燈電流數值的大小就代表了被測物體的亮度溫度此電流值轉換成電壓后由電位差計16自動指示和記錄被測物體的亮度溫度。圖中的透鏡l0、反射鏡11和觀察孔12組成了一個人工觀察瞄準系統，其作用是使光電高溫計得以對準被測物體光柵盤由兩片扇型光柵板組成,一塊固定,一塊可動，可動板受光柵調制電路控制,并按一定頻率正、反向轉動,實現開(透光)、關(不透光),使入射線變為一定頻率的能量作用在探測器上。第3節輻射溫度計測溫原理

被測目標的輻射能用透鏡收集起來，經光欄在涂黑的熱電堆(由一組微細的熱電偶串聯而成）熱接點上成像。熱點堆將輻射能轉變為熱電動勢后送到顯示儀表，由顯示儀表進行指示或記錄被測物體的溫度。第3節輻射溫度計測溫原理輻射溫度：1-透鏡2-可調光欄3-固定光欄4-熱點堆受光面使用1）正確連接線路和外接電阻。2）環境溫度不許高于100℃，否則應冷卻。3）隨著感溫器到被測物體的距離L的不同，對被測物體的大小（通常指直徑D）有一定的限制值，感溫器要與被測表面垂直。4）顯示儀表上讀數為輻射溫度，要修正得到物體的真實溫度。第4節比色高溫計測溫原理根據被測物體在兩個不同波長下的光譜輻射出射度的相互比值與被測溫度的關系，通過測二者的比值進而測知被測溫度根據維恩位移定律，測得亮度比的變化便可測得相應的溫度。第4節比色高溫計比色溫度:溫度為T的物體在波長λ1和λ2下的光譜輻射亮度的比值，與溫度為Ts的全輻射體在同樣的波長λ1和λ2下的光譜輻射亮度的比值如果相等，則把全輻射體的溫度稱為該物體的比色溫度。特點：對于灰體來說，由于ελ1＝ελ2，所以T＝TS，這就是比色溫度計的最大優點比色溫度可小于、等于或大于真實溫度。與真實溫度之差小得多，測量準確度高。比色高溫計可在惡劣環境中使用。以WDS-Ⅱ型比色高溫計為例1一物鏡2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光電池4一透鏡5一分光鏡6一紅外濾光片7一硅光電池E28一硅光電池El9一可見光濾光片10一反射鏡11一倒像鏡12一目鏡第5節紅外溫度計紅外測溫儀是一種測溫上限較低的儀表，可測0～400℃范圍的溫度。前面介紹的幾種輻射式測溫儀表適于測700℃以上的高溫。紅外測溫儀依據的是光譜輻射原理。當物體溫度較低時，光譜輻射出射度最高點向波長較長的紅外線波長區遷移，紅外測溫儀就工作在這個紅外線波長區。它的原理和結構與輻射高溫計、光電高溫計相似。第5節紅外溫度計紅外測溫儀由光學系統、紅外探測器、信號處理放大部分及顯示儀表等部分組成。紅外輻射又稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。紅外輻射是一種電磁波，它的波長范圍大致在0.76μm到1000μm的頻譜范圍之內，相對應的頻率大致在4×1014～3×1011Hz之間。第5節紅外溫度計紅外探測器:把紅外輻射能量的變化為電量變化的器件。分為紅外熱敏探測器和紅外光電探測器。

■紅外熱敏探測器①熱電偶型探測器②熱敏電阻型探測器③熱釋電型探測器主要優點是響應波段寬，可以在室溫下工作，使用方便。但是，它的響應時間長，靈敏度較低，一般用于紅外輻射變化緩慢場合。■紅外光子探測器①光電導（PC）探測器②光生伏特（PU）探測器③光磁電探測器（PEM器件）主要特點是靈敏度高，響應速度快，響應頻率高。但其一般需在低溫下工作，探測波段較窄。第6節紅外熱像儀可見光云圖

可見光是波長從0.35～0.80μm很狹窄的波段。衛星在可見光譜段測量來自地面云面反射的太陽輻射，將衛星接收的這種輻射轉換為圖象稱為可見光云圖。衛星在可見光譜段選用的波長間隔有：0.52～0.75μm和0.58～0.68μm。可見光云圖

衛星在可見光波段接收輻射與物體的反照率和太陽的天頂角有關，若太陽天頂角越小，物體的反照率越大，則衛星接收到的輻射越大，反之則越小。可見光云圖

在可見光云圖上，輻射越大，色調越白；輻射越小，色調越暗。通常云層越厚，反照率越大，色調也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現為黑色，陸地反照率比海洋略大，表現為灰色，而潮濕或森林覆蓋的地區表現為灰暗的色調。在電視顯示的衛星云圖上，地表和海洋常用綠色和藍色表示。可見光云圖紅外云圖

衛星在10.5～12.5微米測量地表和云面發射的紅外輻射，將這種輻射以圖象表示就是紅外云圖。在紅外云圖上物體的色調決定其自身的溫度，物體溫度越高，發射的輻射越大，色調越暗，紅外云圖是一張溫度分布圖。紅外云圖

由于大氣有吸收及物體發射率不完全為1，衛星接收到的紅外輻射要比實際表面溫度發射的黑體輻射要小，故嚴格地說，紅外云圖是一張亮度溫度分布圖。紅外云圖

地面的溫度一般較高，呈現較暗的色調；由于大氣的溫度隨高度是遞減的，故云頂高而厚的云，其溫度低呈白的色調。低云的云頂溫度較高，與地面相近，故在紅外云圖上不容易識別。由于各類云的云頂溫度的差異較大，在紅外云圖上可以識別各種高度的云。紅外云圖

此外，地表的溫度隨季節、緯度、海陸分布及其本身的熱慣量而不同，所以在紅外云圖上的色調亦不同。在電視顯示的紅外云圖上，地表以綠色表示，以與云相區分開。紅外云圖臺風云系紅外彩色分層顯示圖

臺風云系圖

草原和森林火災的監測

草原或森林發生火災的地區，溫度遠高于周圍地區。采用3.7μm波段對高溫區特別敏感，利用3.7μm可以監測林區和草原發生的火災。紅色部分表示內蒙古地區林區及草原火災圖象光敏電阻光敏電阻在光線的作用下阻值往往變小。在黑暗環境里，它的電阻值很高。當受到光照時，增加了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的載流子將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。

光電池的工作原理有關電荷正離子負離子正負離子都是不能移動的電荷自由電子空穴自由電子、空穴都是能自由移動的電荷有關電荷由正負離子形成的電場講解當PN結及其附近被光照射時，就會產生載流子（即電子-空穴對）。結區內的電子-空穴對在空間電荷區電場的作用下，電子被拉向N區，空穴被拉向P區而形成光電流。講解同時勢壘區一側一個擴展長度內的光生載流子先向勢壘區擴散，然后在勢壘區電場的作用下也參與導電。講解當入射光強度變化時，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發生相應的變化。在入射光強度的很大動態范圍內這種變化能保持較好的線性關系動畫演示光電池基本特性（a）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應選取適當的外接負載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5