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　 2005 年 8 月 第 25 卷 　第 4 期 宇航计测技术 Journal of Astronautic Metrology and Measurement 文章编号 :1000-7202(2005)04-0020-05 　　　　中图分类号 :TB941　　 辐射测温技术综述 Aug ., 2005 Vol .25, No .4 文献标 识码 :A 王某某 (**_* , XX 100076) 　　摘 　要 　简要叙 述了辐射测温技术发展历史 , 对辐射测温学的三种基 本测温方 法 , 亮度 测温法 、全辐射测 温 法和颜色测温法引申出的三类辐射温度计进行了简单比较 , 同时简要归纳了辐射测温的几个发展动向 。 　　关键词 　温度测 量 　辐射测温 　辐射温度计 Survey of Radiation Thermometry Technology WANG Wen-ge (Beijing Aerospace Institute for Metrology and M easurement Technology , Beijing 100076) 　　Abstract 　The history of radiation thermometry is reviewed and the characteristics of three kinds of radiation thermometer which based on lighteness thermometry , total radiation thermometry and color-ratio thermometry are compared .At the end , the prospect for radiation thermometry is presented . 　　Key words　Temperature measurement 　Radiation thermometry 　Radiation thermometer 1 　引 　言 温度是确定物质状态的最重要参数之一 , 它的 测量与控制在国防 、军事 、科学实验及工农业生产中 具有十分重要的作用 。 随着科学技术的发展 , 温度 测量越来越受到重视 , 而且对测量准确度的要求也 越来越高 , 在某些场合 , 温度测 量问题成为关 键问 题 。例如在工业生产领域 , 热处理加热工艺中工件 温度的测量和控制 ;高速轧制钢材的温度测量和控 制 ;在国防军工科研生产领域 , 航空发动机和航天火 箭发动机的温度测量 , 特别是在新材料 、新工艺的研 究中 , 经常要求更加准确的温度测量和控制 , 即便是 在传统产业 , 如钢铁 、冶金 、热处理 、轻工 、化工等行 业 , 随着自动化程度的提高和对产品质量要求的提 高 , 也要求准确 、快速地测温和控温 。 另外随着能源 危机的出现 , 出于节能 、环保的目的 , 在工业生产应 用中 , 对温度的监测也要求越来越重要 。 总之 , 随着 工农业 、科研生产 、国防军事等领域的需求有力地推 动了温度测量的发展 。 温度测量分为接触测温与非接触测温两大类 , 收稿日期 :2004-02-25 作者简介 :王某某(1966 -), 男 , 研究员 , 主要从事热学计量测试技术的研究 。 第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　辐射测温技术综述 　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　·　21　· 接触测温法的优点为测得的温 度是物体的真 实温 度 , 其缺点是动态特性差 , 由于要接触被测物体 , 故 对被测物体的温某某分布有影响 , 而且受传感器材料 耐温上限的限制 , 不能应用于超高温测量 。 非接触 测温又称为辐射测温 。辐射测温在理论上不存在测 温上限 , 具有测温范围广 、响应速度快 、不破坏被测 对象温某某等特点 。 因此在实际应用中 , 辐射测温技 术越来越受到重视 。 2 　辐射测温的发展概况 辐射测温仪在早期是以光学高温计为代表的亮 度法测温仪表 。 光学高温计的出现和不断完善 , 使 高温温标的传递以及工业生产中接触法测温不能用 的问题 , 得到了一定程度的解决 。 但是 , 由于光学高温计是用亮度平衡方法 , 靠人 眼判读 , 所以不能进行自动测量 , 这就使得光学高温 计不能够实现温度的自动化测量 、记录与控制 , 在生 产现场的应用受到限制 。 后来 , 人们利用光电检测 元件代替人眼 , 发展了光电高温计 、红外测温仪 、全 辐射测温仪等辐射温度计 。这些辐射温度计克服了 光学高温计的上述缺点 , 但都由于存在着发射率无 法消除的问题 , 测得的温度不是真实温度 , 而是物体 的亮度温度或辐射温度 。 辐射测温法测量真实温度的最大障碍是受到被 测对象发射率的影响 。 为减少这个影响 , 多年来研 究过许多办法 。 例如发射率修正法 、逼近黑体法 、测 量反射率法 、偏振光法 、反射信息法等 , 这些方法在 实际应用中都存在着各自局限性 , 均不能从根本上 解决消除发射率的影响 。 比色法在一定程度上解决了发射率的影响 。 只 要两个波长选择适当 , 许多物体的比色温度接近真 实温度 。为了进一步减少发射率影响 , 人们又发展 了三波长甚至更多波长的测温仪 。 当物体的发射率 与波长成线性关系时 , 三波长法可测得物体的真实 温度 。 80 年代以来 , 各国科学家对多波长温度计进行 了大量的研究 。 分别针对不同的测量对象 , 研制开 发了三波长 、四波长 、六波长辐射温度计 , 多波长测 温理论与技术取得了发展 。 这些发展在一定程度上 解决了真温测量以及热物性测量的问题 , 而且较好 地解决了动态快速的测量问题 。 多波长辐射温度计的出现是辐射测温技术的一 个重要研究 、发展方向 , 因此得到了国外同行的高度 重视 。90 年代初 , XX工业大学与罗马大学合作 研制成功国际首创的棱镜分光式 35 波长高温辐射 温度计 , 已经成功地用于烧蚀材料真温及发射率的 测量 。 多波长辐射测温理论是基于测量多个波长的辐 射信号 , 辅以对象发射率的背景知识 , 计算出目标的 温度值 , 针对特定的对象可以减小或消除发射率的 影响 , 但从理论上也没能根本上解决消除发射率的 影响问题 。实际应用中 , 在一些情况下仍会产生较 大误差 。 辐射测温技术发展较快 , 简要总结主要有以下 几个原因 : (1)探测器器件的发展 探测器是辐射温度计中的关键元件 。 早期的光 电元件多为光电管和光电倍增管 , 这类电真空器件 应用中要求几百伏至几千伏高电压 , 而且光谱响应 仅在可见至近红外范围 。后来 , 体积小 、重量轻的红 外探测器相继出现 。而且在灵敏度 、稳定性 、光谱响 应范围等方面都 有提高和改进 , 并很快得 到应用 。 如光子探测器中 InAs 、InSb 、锗(硅)掺杂半导体 、锑 镉汞 (HgCdTe)、碲锡 铅 (PbSnTe), 以 及 光 敏 电 阻 PbS 、PbTe 等 。热探测器中除热敏电阻外 , 发展了硫 酸乙氨酸(TGS)、铌酸锶 钡(SBN)、酞酸铝(PbTiO3) 等热释电探测器 。热电堆也发展很快 , 广泛用于辐 射测温仪中 。上述光子探测器和热探测器的响应波 长已延伸到中红外区和远红外区 , 使得辐射测温仪 的下限延伸到 -50 ℃, 甚至更低 。 (2)电子技术和计算机技术的发展 辐射测温的二次仪表为光电或热电信号的处理 电路 。 电路部分经历了电子管电路 、晶体管电路 、集 成电路 、数 字电路等几代的变 化 , 不仅 使得体积减 小 , 提高了仪器测量的准确度 , 还大大增加了稳定性 和可靠性 。 由于运算放大器性能的提高和微处理器技术的 · 　22　·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　宇航计测技术 　　　　　　　　　　　　　　　　2005 年 普及 , 信号处理方面进展很快 , 使得辐射测温仪表都 具有了智能仪表功能 , 如峰值和谷值检测 、平均值检 测和发射率修正等功能 。 随着信息时代的到来 , 工业现场测量控制用的 辐射测温仪不仅仅具有一般意义的智能功能 , 还逐 步发展出了带有工业现场总线的功能 。 (3)其它技术的发展 红外光学材料的发展为辐射测温提供了更宽的 工作波段范围 。 红外光学材料的种类很多 , 主要有 玻璃 、晶体 、透明陶瓷和透明性材料等 , 其性能指标 主要是透过率 、折射率 、热导率 、色散 、机械强度 、抗 腐蚀性 、热膨胀系数和抗潮解能力等 。 其中锗砷锡 的透过率较高 , 工作 波段也较宽 , 可达到 1 μm ～ 16 μm 。 微型致冷技术的发展使探测器能够工作在最佳 环境温度 , 抑制噪声 , 提高探测器性能 , 进而提高测 温准确度 ; 另外还有光学镀膜技术 , 该技术的发展使辐射 温度计可根据对象的辐射特征和环境吸收干扰等因 素 , 选择有利的波长进行测温 , 以提高测温准确度 。 (4)光纤技术的发展 , 也促进了辐射测温技术的 进步 由于光纤很细小 , 又能弯曲 , 可插入物体内部或 结构复杂的部位 。 可实现接触测温 , 也可实现非接 触测温 。在常规办法无法测量的场合 , 光纤测温得 到较快发展 。 由于以上几方面原因 , 使辐射测温技术有了很 大进展 。 目前 , 辐射温度计的测温范围通常为 -50 ℃～ 3 000 ℃, 这个范围覆盖了一般的工业需求 。 特殊场 合使用的温度计 , 其测温上限和下限都超出了该范 围 , 例如等离子火焰的等效温度为 2 000 ℃～ 5 000 ℃;火药爆炸的温度在 3 500 ℃左右 ;原子弹爆炸的 等效温度在 50 000 ℃左右 ;最低温度可测到 -170 ℃, 甚至有的试验装置可到 10 K 左右 。 在灵敏度方面 , 有的基准或标准光电高温计在 金点温度已达到 0 .000 1 K , 工业仪表可达 0 .1 K 。 在反应时间方面 , 最快的可达微秒级 。 最小可测目 标直径为 0 .5 mm , 显微测温仪则可达 0 .01 mm 。 总之 , 目前辐射测温仪表正在向高准确度 、高某某 敏度 、快速 、超高温 、超低温 、图像扫描 、微小目标测 量 、智能化等方面发展 。 随着测温理论的发展和技 术水平的提高 , 新的测温理论 、方法和测温仪表会不 断出现 , 辐射测温技术将会不断得到推动 。 3 　辐射温度计的分类 辐射测温理论是以黑体辐射定律 , 普朗克定律 、 维恩位移定律 、斯特藩 -玻尔兹曼定律为基础的 , 但 是这几条定律都仅对黑体辐射适用 。 实际中的测温 对象都是非黑体 , 具有不同发射率的被测目标都有 可能在同一波长(或某波段 、或全波段)发出相等的 辐射能 , 使得一定量的热辐射具有真实温度的无限 解 , 为了解决这一问题 , 辐射测温学中引入了表观温 度的概念 , 这样 , 才能在物体的发射率未知的情况下 把实际物体的温度测量同黑体辐射定律直接联系起 来 。在辐射测温学中 , 表观温度包括亮度温度 、辐射 温度和颜色温度 。 由这三种表观温度可以引申出三种基本测温方 法 , 即亮度测温法 、全辐射测温法和颜色测温法 , 用 这三种方法可分别测出物体的亮度温度 、辐射温度 和颜色温度 。 基于这三种测温方法的温度计分别称为亮度辐 射温度计(或单色辐射温度计)、全辐射辐射温度计 、 比色辐射温度计 , 还有介于亮度法和全辐射法之间 的红外温度计 。 另外还包括后期发展的三波长 、六波长等多波 长辐射温度计 。 4 　辐射温度计的比较 三种辐射温度计在灵敏度 、表观温度与真实温 度偏差 、发射率的影响等方面均不相同 , 各有各的特 点和适用范围 。 第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　辐射测温技术综述 　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　·　23　· 表 1　辐射测温三种基本方法的比较 　　方法 项目 亮度法 基 本公式 表 观温度 ελMb(λ, T)=Mb(λ, Ts) Ts = 1 T +Cλ2 ln 1 ε -1 相对 灵敏度 Ss =d Mb(λ, T)/ d T/ Mb(λ, T T) =(C2/ λ)T 全辐射法 εσT4 =σT4p Tp =Tε1/4 Sp =d Mb(T)/ d T/ Mb(T) T =4 比色法 ελ1 Mb(λ1 , ελ2 Mb(λ2 , TT))=MMbb((λλ12 ,, Tc) Tc) Tc = 1 T +C2(ln1(/ελλ12/-ελ 12/)λ1) -1 d Sc = Mb(λ1 , T) Mb(λ1 , T) Mb(λ1 , T) /Mb(λ1 , T) dT/ T =C2 1 λ1 -λ12 /T 表 观温度 与真实 温 度偏差 ΔT2 T = T -Ts T =λCT2s ln 1 ελ 发射率 误 差引起 表 观温度 误差 d Ts Ts =λCT2s·dεελλ ΔTp T =T -Tp T =1 -ε1/4 dTp Tp = 1 4 ·dεε ΔTc T =T -Tc T = C2 Tc 1 λ2 -λ11 ln ελ1 ελ2 dTc Tc = C2 Tc 1 λ2 -λ11 d · ελ1 ελ2 ελ1 ελ2 　　亮度法是辐射测温中最重要的方法 。该方法历 史某某 , 测温灵敏度高 , 亮度温 度与真实温度 偏差 小 , 发射率误差影响也小 。在辐射测温领域 , 目前和 今后一段时间内 , 基于亮度法原理的光电测温仪表 , 在温度量值的传递和工业应用方面仍起主导作用 。 辐射感温器也是应用较广泛的测温仪表 。其特 点是结构简单 , 价格便宜 , 使用方便 , 可以连续测量 、 记录和实现自动控制 , 因而广泛用于工业中 。 但由 于波段较宽 , 不可避免地受水蒸气 、二氧化碳 、烟雾 等中间介质吸收影 响 。 随着红 外辐射温度计 的普 及 , 辐射感温器将会逐渐被取代 。 比色测温法有许多优点 :(1)大多数物体的颜色 温度比亮度温度和辐射温度更接近真实温度 。特别 当实际物体接近灰体时 , 则可以认为实际物体的颜色 温度等于它的真实温度 ;(2)比色法测温受被测物体 光谱发射率影响小 , 针对被测物体的辐射特性 , 以及 中间吸收介质的光谱吸收特性 , 合理选择两个工作波 段 ;可以大大减小因被测体光谱发射率变化以及中间 介质吸收的影响而引起的误差 ;(3)与光电高温计和 辐射感温器一样 , 其输出信号可以实现温度记录 、控 制 。比色温度计尤其适用于测量发射率较低的表面 光亮的物体温度 , 或者在光路上存在着尘埃 、烟雾等 中性吸收介质的场所 。但是 , 在比色温度计的应用 中 , 如果对于光路上存在选择吸收比色温度计所选用 的两个波段之一者 ,则反而会带来较大误差 。 随着比 色温度计价格的下降 , 其应用越来越广泛 。 对于多波长辐射温度计来讲 , 由于多波长测温 理论及技术比较复杂 , 分析较为烦琐 , 在此不做细致 讨论 , 有兴趣的读者可以参阅相关专著 。 5 　辐射测温技术发展的几点动向 随着技术的进步 , 在辐射测温领域出现了许多 新动向 、新型温度计 , 仅举几例简要介绍如下 。 5 .1 　高准确度窄波段辐射温度计 虽然辐射测温的准确度受被测对象的发射率和 传输介质的影响 , 仍有一些场合要求高准确度测量 , 如稀贵金属的熔炼以及某些材料热处理过程 , 尤其 是在温标传递上 , 需要高准确度 、窄波段的辐射温度 计 。德国 PTB 研制了 LP4 标准辐射温度计 , 具有很 · 　24　·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　宇航计测技术 　　　　　　　　　　　　　　　　2005 年 高的线性度和很低的噪声(1 700 K 时平均值仅约 20 mK), 其不确定度为 0 .1 % , 重复性为 0 .2 K 至 1 .2 K , 测量范围为 1 000 K ～ 3 500 K 。 高准确度辐射温度计的出现 , 促使各国开展辐 射温度标准的研究 。 按 ITS -90 定义的标准仪器直 接来传递温标给辐射测温仪表是不现实的 , 也不方 便 。 因此 , 随着高准确度辐射温度计的出现 , 研究用 辐射温度计作标准传递温标成为可能 , 即以标准辐 射温度计的输出来定义温度值 。 5 .2 　消除发射率对辐射测温的影响的研究进展 激光吸收辐射测温法(LART)理论上可以完全 消除发射率的影响 。 其工作原理为 , 利用两束不同 波长的大功率激光 , 投射到被测对象表面的两个点 , 使之吸收能量而产生温某某 。调节激光的能量 , 使两 个点的温某某相同 , 测量两束激光的能量之比 , 然后再 测量不投射激光时被测对象在该两个波长的辐射能 量比 , 依次 计算出被测表 面的真实 温度 。 在 90 年 代 , 该测量方法在英国得到发展 , 以后又作为欧洲合 作项目进行了进一步研究 , 其目的是在工业上解决 材料真实温度测量问题 。 实验室测量的结果令人满 意 , 证实了这种 方法与对象发射率 无关 。 在 847 ℃ ～ 1 033 ℃范围 , 对处于同一温度而发射率相差很大 的两种材料 Pt 和 Inconel (一种耐热合金)测量的结 果 , 相差在 ±3 ℃以内 。但目前的进展离工业应用还 有一段距离 。 对于消除发射率影响的辐射测温方法 , 即真实 温度的辐射测温方法 , 本文作者提出还有光谱分析 测量方法 , 即利用光谱仪测量被测对象热辐射光谱 , 利用维恩位移定律或 Planck 曲线拟合方法 , 计算被 测目标的真实温度 , 目前该方法正在研究中 , 已经在 实验室取得一定进展 。 5 .3 　接触式辐射温度计 将光纤技术 、接触式与辐射测温技术结合起来 , 即将套管 、透镜及光纤组成一体 , 构成接触式辐射温 度计 , 也称黑体传感器式辐射温度计 。 如采用蓝宝 石的黑体传感器 , 用于加热炉或隧道窑测温 , 使用温 度范围为 500 ℃～ 1 900 ℃, 使用方法与热电 偶相 似 。可以称作光偶 , 或符合热电偶关系的红外测温 探头(IR-TC) 。 它有一个类似热电偶外保护套管 的套管 , 使用时插入被测介质中 , 在套管出口附近安 装小型辐射测温探头 , 用透镜聚焦瞄准套管底部(相 当于黑体腔)或不用透镜而用光纤导光 , 通过信号 处理 , 直接输出与热电偶分度特性相同的毫伏信号 。 它的优点就是避免了热电偶材料高温下的漂移 , 也 避免了辐射温度计受对象发射率影响大的缺点 , 又 吸收了热电偶能测气 、液介质和在控制系统中配套 方便的优点 。 这种测温传感器的设想很早就有了 , 但长期无法真正实现 。 由于信息处理技术的进步及 辐射测温技术的进步 , 现在已有直接转换为各种热 电偶分度表输出关系的产品 。该测温传感器在美国 已有商品生产 , 另外根据资料 , 乌克兰研制的此类传 感器可测量 70 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 n Short-duration Hypersonic Facilities” .1973, AGARD-AG165 . [ 5] 　《 不锈钢手册》.机 械工业出版社. [ 6] 　吴某某 , 方可人编 .《 热工测量及仪表》 第二版 .东南大 学 , 水利水电出版社 . (上接第 24 页) 　　对于辐射测温技术中另外一个重要研究领域 , 即辐射测温的校准技术 , 伴随着辐射测温技术的发 展也在不断发展 , 本文未把这方面的内容包括进来 , 准备另文介绍 。 随着科学技术水平的发展 , 将会有更新 、更先进 的测温方法与技术出现 , 现有的测温方法与技术也 将日臻完善 , 在更多的领域得到应用 。 参考文献 [ 1] 　戴某某 .辐射测温的发 展现状 与展望 .自动 化技术 与 应用 , 2004 .23 (3):1～ 6. [ 2] 　张 继 培 .温 度 计 量 技 术 进 展 近 况 .上 海 计 量 测 试 , 2002.29(1):4 ～ 6 . [ 3] 　高某某 , 谢某某 .红外辐射测 温理论与 技术 , 东 北工学 院 出版社 , XX :1989.3. [文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]请点击下方选择您需要的文档下载。

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