（通信与信息系统专业论文）非接触式红外测温的研究.pdf

摘要 火 魔 一 些 恶 劣 的 。 境 中 ， 例 如 ， 存 在 强 电 磁 场 或 强 腐 蚀 物 质 ， 温 度 测 量 的 传 感 器 必 须 不 受 环 境 影 响 或 者 传 感 器 远 离 恶 劣 的 环 境 。 : 卜 对 以 上 需 要 殊文 讨 论 了 种f l= 接触红外温度测量技术 这种技术通过测量物体的红外辐射而达到测量物 体温度的目的。同时， 测量时传感器不与物体接触， 不受物体所在恶劣环境的影 响 鉴工 以往理论分析所用模型的不足， 我们构造了所用温度传感器温差电 堆的新热传导 模型， 井建立温差电堆温度变化的方程， 进行理论推导， 分析温差 电 堆的响应 提出 个由 温差电 堆本身参数决定的系数毛 。毛 系数决定了 温差电 堆的特性与响应般情况下，红外温度测量强调对外界辐射进行调制。在 屯 全 v 情况下温差吧堆的输出稳定值正比于辐射功率，这样，司 一 以不对外界辐 射进行调制，直接测量温差电堆的稳定输出。最后根据分析结果进行电 路设计， 实现了非调制的红外温度测量o 在此基础上， 我们进行了实验。实验结果与定四 分析的结果相符合 关 键词: 非 接 触 红 外 温 度 测 量 非 调 布 失温 差 电 堆 尾 系 数 ab s t r a c t u n d e r s o m e a b o mi n a b l e e n v i r o n m e n t s , s u c h a s e x i s t i n g h i g h - i n t e n s i t y e l e c t r i c a n d m a g n e t i c fi e l d o r s t r o n g e r o s iv e m a t e r i a l , t h e t e m p e r a t u r e t r a n s m i t t e r m u s t b e i m m u n e f r o m t h e e n v i r o n m e n t o r f a r f r o m i t . a c c o r d i n g t o t h e n e e d s , w e d i s c u s s e d a n o n - c o n t a c t i n f r a r e d r a d i a t i o n t h e r m o m e t r y i n t h i s p a p e r . i n f r a r e d r a d i a t i o n i s r e l a t e d w i t h t e m p e r a t u r e , s o w e c a n m e a s u r e t h e o b j e c t s t e m p e r a t u r e v i a m e a s u r i n g i t s i n f r a r e d r a d i a t i o n , a n d t h e t h e r m o m e t r y w o r k i n t h i s w a y . t h e t e m p e r a t u r e t r a n s m i t t e r d o e s n o t c o n t a c t w i t h t h e o b j e c t , s o t h e a b o m i n a b l e e n v i r o n me n t w h e r e t h e o b j e c t i s n o e f t e c t o n i t . b a s i n g o n t h e m o d e l s s h o r t a g e o f t h e t h e o r i e s b e f o r e , w e f o u n d e d h e a t c o n d u c t i o n mo d e l e q u a t i o n s o f t e m p e r a t u r e o f t h e r m o p i l e , t h e t e m p e r a t u r e t r a n s m i t t e r , a n d g o t t h e c h a n g i n g , a n a l y z e t h e r e s p o n s e o f t h e r m o p i l e , b r o u g h t f o r w a r d a c o e f fi c ie n t毛t h a t i s d e t e r m i n e d b y t h e p a r a m e t e r s o f t h e r m o p i l e . t h e c o e f f i c i e n t毛d e t e r m i n e s c h a r a c t e r i s t i c a n d r e s p o n s e o f t h e r m o p i l e . c u r r e n t l y , i n f r a r e d r a d i a t i o n t h e r m o m e t r y p u t e m p h a s i s o n m o d u l a t in g t h e i n fr a r e d r a d i a t i o n . wh e n泛 p t h e s t a b l e v a l u e o f r e s p o n s e i s in p r o p o r ti o n t o r a d i a t i o n p o w e r , s o t h e i n f r a r e d r a d i a t i o n n e e d n t b e m o d u l a t e d , a n d w e c a n m e a s u r e t h e s t a b l e v a l u e o f r e s p o n s e . b a s i n g o n t h e r e s u lt , w e d e s i g n e d t h e c i r c u i t , a n d f u l fi l l e d t h e n o n - m o d u l a t i n g i n f r a r e d r a d i a t i o n t h e r m o m e t r y . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s m a t c h t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s . k e y w o r d s t h e r mo me t r y no n - c o n t a c t n o n - mo d u l a t i n g i n fra r e d r a d i a t i o n t h e r mo p i l e c o e f f i c i e n t e i i 卞接触式红外测温的研究 引言 温度测量技术应用十分广泛，而月 在控制领域中也 是一项非常重要的技术 在某些应用领域中， 温度测量用的传感器不能与被测物体相接触首先， 如 果被测物体处于一个存在强电磁场的空间乙内， 对于 接触型的传感器米说， 已 必 然受到强电磁场的影响， 在传感器内部产生较大的电压或电流， 可能山于高电几 击穿传感器或大电流烧毁传感器: 同时， 传感器引出的信号线也会祸合出电压或 电流， 产生较大的噪声， 甚至内部产生涡流产生大量的热量烧毁信号线， 小可能 进行正常的测量。 其次， 如果被测物体处于一个存在强腐蚀气体或液体的空间内， 一 般的接触型传感器和传感器的信号线会受到腐蚀。 再者， 如果被测物体的温度 相当高， 例如高炉内钢水的温度， ， 般的温度传感器不能进行测量。 在这样的环 境中测量温度有两种选择， 一 是利用可以不受环境影响的传感器， 即可以耐强电 磁场、强腐蚀或者耐高温的传感器;二是传感器可以远离被测物体所在的空间， 利用非接触温度测量技术。 为了制造可以适应恶劣环境 ( 高温、 强腐蚀或强电磁场等) 而月 _ 不受影响的 温度传感器，可以采用特殊的材料， 如利用光纤， 但其成本较高。非接触温度测 量技术有着较多的 优点。 第一， 利用非接触温度测量技术设计制造的温度测量仪 器由于与被测物体不接触， 不受被测物体环境的影响; 第二，叫 一 以不固定在某一 个位置上， 很容易实现移动测量; 第二， 红外辐射传感器种类较多， 选择结构简 单、易于实现的传感器， 可以制造体积小、 便于携带和使用万便的测温仪器; 第 四，可以选择传感器制造结构简单的温度测量仪器，降低成本，易于推户应用: 第五， 光学系统的种类也 较多， 能够选择合适的光学系统， 在保证系统精度的前 提下可以提高精度; 第六， 可以优化温度测量仪器的光学系统， 不但能够降低成 本和系统的复杂度， 而且司以提高系统的精度。山于以上的众多优点非接触红 外测温有着广泛的应用前景 有鉴于此， 本论文主要讨论非接触式红外辐射测4 11, i 的有关理论并解决使用中的技术问题。 严格来说， 凡温度处于绝对零度以 卜 的物体都发出红外辐射， 而且红外辐射 的功率与物体的温度有关。 对于黑体来说， 它的辐射功率与温度有严格的函数关 系，所以黑体或非常接近黑体的物体的温度可以准确地由黑体辐射功率来确定 对f - 非黑体， 则可山其辐射功率通过黑体辐射的有关定律以最佳的近似 i i 接地测 量它的温度。 所以我们可以通过测量物体的红外辐射来测量物体的温度。 这样可 以实现非接触温度测量。 仆 接触式红外测温的1 0 ( 5 i 第帝滋仪迪量技术 内 发! t 第一章温度测量技术的发展 普通温度测量技术经过相当长时间的发展已 近于成熟。目 前， 随着经济的发 展日益需要的是在特殊条件 ( 如高温、 强腐蚀、强电磁场条件下或较远距离夕 下 的温度测量技术。因此，当前研究的重点也在于此。 一温度测量技术 温度测量技术的分类方法有多种 例如，司 一 以按照与被测物体是否接触分为 接触测温和非接触测温; 可以按照测温利用的温度感应方式分为热传导测温和辐 射测温。 我们依照各种温度测量技术中所利用的传输介质和光学系统把各种测量 技术分成两大类简单地介绍一下温度测量技术的发展 ( 一)光纤型温度测量技术 1 . 光纤只作为传输红外辐射的介质 测量时光纤插入被测物体中 ( 被测物体为液态)或者正对被测物体，被测 物体的红外辐射由光纤传输至温度测量仪器内部进行信号变换与处理。 这一 种测 量技术仍然要利用的是红外温度测量技术， 使用红外温度传感器 由于利用光纤 传导 红外辐射， 而且一般上光纤外部有耐高温导管， 所以此种温度测量技术可以 测量高温，具有本质绝缘、耐腐蚀、抗电磁干扰、防爆、响应快等优点。但是制 造工艺复杂，成本较高。 2 . 光纤温度传感器型 a . 外调制型 基本原理: 测温用温敏元件的光 谱 透过率 t ( x ，t ) 为温度和波长的 函数。 当光源的光强和光谱分布一定 时，随着温度升高， 温敏元件透过率 t ( r . t ) t , 幻 t , a 人 ， 图 1 . 1 g a a s 光谱透过率与温度、 波 民的关系 曲线向长波移动。 这样光电探测器收到的光强度减弱， 由光信号的变化即可测得 温度 如测温用温敏兀件采用g a a s 半导体材料制成， 其光谱透过直与温度和波反 的关系如图1 . 1 所示。图1 .2 所示是光纤测温系统技术方案。光源发出的光通过 分支光纤束传输祸合到g a a s 温敏元件上，光透过g a a s 后，被g a a s 簿片后的 高反射金膜反射回来， 再次通过g a a s稿合到光纤中， 受到温度调制的光信号由 s 工 一 p i n进行检测，并由单片机进行数据处理与显示 但此种测量方法有着较多的局限性: 只能测量温度敏感材料附近的温度， 测 温面积小; 不可能移动，只能够用于专用测温系统; 温度敏感材料的耐温范围不 2 汁 接触式红外测温的4 10 1 究 第章温度测量技术的人展 可能很大， 决定了此种测温技术的测温范围较窄; 此种测量方法使用较大面积的 温度敏感材料;另外系统比 较复杂， 体积大， 成本较高。 因此，这种方法不能得到厂 泛的应用【 h 光纤调制型 光纤中光信 号的变化 是刻纹段被挤压时模体积 变化的结果，而模体积的变 化又归结于光纤被挤压时 纤芯折射率及纤半径的变化 分支光 纤束 - 6, a 图 12光纤温度测量系统框图 当一段未刻纹的介质折射率为阶跃型的多模光纤在 被沿垂直于轴线方 一 向的应力挤压时， 光纤的模体积发生变化， 对光纤中光强进fi 11 了 调制， 但调制量极小， 不易测量。 如果在温度测量所使用的光纤 l 刻纹并镀铝， 就比较容易地调制光纤中的光强， 这种光纤传感器有较高的灵敏度， 如图1 所示 图中l 。 为刻纹段长度，b 。 为刻纹后包层半径，l 。 为未刻纹段长度，b i、 为原但 层半径 ( 将刻纹段分上下两部分( 分段) ， 既可增加总的刻纹数，又 可将光纤弯肚 使 用 ， 以 减 小 传 感 器 的 长 度 ) 。人 射 光 光纤刻纹段镀铝后， 当外界温度一 变 化 时 ， 镀 在 光 纤 表 面 的 铝 涂 层 f0 tt 发生热胀冷缩， 使光纤受到拉伸 或压缩， 引起光纤内传输的模体 图 1 3光纤调制型温度传感器的结构 积变化，从而导致了光强度的改变，通过光电检测器就可以读数了 分段刻纹镀膜光纤温度传感器不需要外部敏感元件， 因此具有体积小、 结构 简单、 稳定性好、 灵敏度高和抗千扰能力强等优点， 适合于温度的高速度和安全 的远距离测量。由于光纤具有体积小、重量轻、 可绕曲、电绝缘性能好、 抗电磁 干扰能力强、 耐腐蚀等特点， 解决了不少以 往采用常规检测技术难以 胜任的温度 测量问题。即使在强磁场和具有爆 炸性气体的恶劣环境下，也能够进 行高精度、高速度和安全的远距离 测量。但是光纤刻纹镀膜的工艺非 常复杂， 系统构造复杂， 成本较高; 而且 光纤必须与被测物体相接触， 限制了它的应用范围。 参 r, 光犷 勃 1 以钱引 图飞 4 光纤调制型im p 度传感器实验线路 ( 二)采用光学透镜系统的温度测量技术 i 接触式红外侧温的研究 第一节温度测量技术的发展 1 . 高温物体彩色图象分析 将彩色工业摄像机拍摄的高温物体的彩色视频图象通过视频卡输入计算机 通过多媒体技术可以获得各象点的r ( 红) 、g( 绿) 、b ( 蓝) 二 一 基色值 根据彩色工 业摄像机的原理， 任意一个象素的r, g, b 值是该象索显示的高温物体的光谱 辐 亮 度 : (k , t ) 白勺 函 数 在 可 见 光 的 波 长 范 围 内 ， ，寸 。 一 rb 可 以 采 用 数 值 积 分 的为法计算出不同的t 值对应的q 值。 图1 . 5 是在温度范围8 0 0 k一1 9 0 0 k内的 qj t 的关系曲线 可见 刘一 个q 值， 唯一 对应 个t 值 因此cjj 以 根据q 值确 定t 值。 同理，也可以用r, g, b中任意其它两种颜色的组合实现温度的测量 高温物体温度分析系统，其硬件结构 是 一 个装有视频卡的多媒体计算机，工业 摄像机拍摄的高温物体实时彩色图象通过 视频信号线接到视频卡 卜 。利用视频卡提 供的接口函数，获得各象素的r, b 数据 ( r , b 单色数字图 象) ， 求出q 值( q 值数 字图 象) 。 根据q 值在一 个事先计算出 来的 q 一 t 关系表上查取t 值( t 值数字图象) 。 最后用伪彩色显示高温物体的温度分布图。 t ( k ) :4 111)iroa _ i gi r - ”一/ ” ” -/ i00 0 ( 淞1 片 】，一 叭 行闷 洲 哟 一 00 . 1 6 图 1 . 5 0 7 2 0 4 9 0 翻0 .8 a弧 q与丁的关系曲 线 这种温度测量技术可以同时进行大面积的温度测量， 测量结果比较稳定， 存 在对目 标距离、 背景、标定等依赖性的问题， 精度较低， 体积大， 属于固定式测 温装置，主要适用于高炉等的温度测量。 2 . 双色热图象测温 对于一个高温物体， 其辐射的接近的两个波长的热图象灰度比值与温度是一 一对应的，可以利用这个关系测量温度。 例如利用工 c c d获取双色热图象， 然后通过计算机图象系统进行比值等处理， 可得到目标局部区域的温度场分 布。系统结构如图 1 .6。受 i c c d 的动态范围限制，采用不同的曝光 时间，对温度进行分区实现宽温度 范围的测量。双色热图象是由镶有 中心波长分别为又 ! 、 久 : 的两 个滤光 。 之_ - - 一 苏 - , k光姗 舀镜 k 一 图 1 .6热辐射成像系统 片的双色盘高速旋转交替获得，双 色盘结构如图1 .7 所示; 每个曝光时i h j 双色盘旋转一周采集到双色热图像各一幅 用于确定相应温度区域的温度分布 这种测量方法同样受到距离、 环境等的影响， 精度比较低，而且设备比较复 a 非接触式红外测温的研究 第一章l iu 度测量技术的发展 杂，成本较高。 3 . 采用红外温度传感器的温度测量技术 红外温度传感器的种类较多，发展也非常h。可以 利用透镜系统把红外辐射聚集在红外传感器上，把红外 辐射转变成电信号达到测温的日的。此种方法温度测量 系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测 物体上某一点的温度测量;可以是便携式，也可以是固 图 . 7双色盘 定式， 使用方便; 而且制造工艺简单，成木较低; 测温时不接触被测物体， 利用 红外辐射测量温度，必然受到物体发射率、距离、环境等因素的影iii, 在这种温度测量方法中红外温度传感器是核心 而肚小仅点温度测量中要使 用红外温度传感器， 大面积温度测量也可能使用红外温度传感器， 另外红外温度 传感器的种类较多，发展非常快，我们专门加以介绍 _红外温度传感器 红外温度传感器按照测量原理可以分为两类: 光电红外温度传感器和热电红 外温度传感器。 1 . 光电红外温度传感器 光电红外温度传感器是利用光电导、 光电压等各种光效应来测量红外辐射而 达到测量温度的目的。 a . i n g a a s p f n光电二极管 因为带有小的极间电容和大的并联电阻，i n g a a s p i n光电二极管属于高速、 低噪声型光电 二 极管。 该种类型器件可以被用于辐射温度测量仪等 该光电二极 管有许多种类型，可分类如下: 低噪声、高性能n i r检测器 这是标准型的i n g a a s p i n光电二极管， 光谱响应范围从0 .9 至1 .7 p m 红外长波段增强型i n g a a s p i n光电二极管 这类光电二极管的光谱响应区向更长的红外波段扩展。 其截止波长的扩展可 有三种选择， 分别为1 . 9 、2 . 1 和2 .6 p m。 热电 制冷型i n g a a s p i n器件也 有具有 同样特性的产品。 红外短波段增强型i n g a a s p in光电二极管 此类i n g a a s p in光电 二极管增加了 在。 .7 - - 0 .9 p m短波长段的响应灵敏度。 例 如， 在0 .7 8 t m波长段的灵 敏度为0 .2 5 a / w。 . i n g a a s 线性图像传感器 i n g a a s 线性图像传感器含有 p i n光电二极管阵列芯1 抓 热电制冷器、带有 i i 接触式红外侧温的研究 第 一ft ,l , ! 变i# il 量改术的发i t 电荷放大器的 c o ms多路开关。该传感器是一个自 扫描的光电二极管阵列，被 设计专门用来制作近红外多通道光谱检测仪。采用i n g a a s 线性图像传感器的光 谱仪具有以下特性: 同步性能好、 检测速度快、 光谱捕获精度高， 在0 . 9 至1 . 7 u m 波长范围内的带宽精度为1 n m o 还有一种用于近红外多通道光谱检测仪的自 扫描光电二极管阵列， 该阵列是 由一个i n g a a s p in光电二极管阵列芯片、c o ms 移位寄存器、 电荷放大器阵列、 箱位电路和保持电路组成。这种设计使该器件可在很宽的光度范围内能稳定工 作。两级的t e制冷方式使得检测器有很低的暗电流。该器件可以被用十近红外 多通道光谱检测仪和辐射温度测量仪等. b . 锗光电二极管 象硅光电二极管一样， 锗光电二极管是利用 p n结的光一电压效应的光电检 测器件。二者的差别是导 通电压不同;此外，锗光电一 _ 极管的光谱响应范围是 0 . 6 - 1 . 9 p m 。 这种平面红外线检测器件， 可以在很长的时间周期内稳定工作 其非冷却型 器件的光谱响应有 一 个明显的峰值。 而冷却型器件可实现更高的信噪_匕 ， 使它能 很好地对低能量水平的红外光进行检测。 锗光电二极管是应用于辐射热能计、 辐 射温度检测器等仪器的最佳光电检测器件 c . p b s ( 铅硫 )和 p b s e ( 铅硒)光敏电阻 p b s 和p b s e 光敏电阻器件是利用光电导效应的光电检测器件，在红外线辐 射 ，p b s 和p b s e 的电阻值下降。p b s 和p b s e 光敏电阻检测器的检测性能好， illti,j 应速度快， 可在室温下 l 作 这类器件被用于辐射温度检测器、 光谱表等仪表， d . i n a s 4- 11 i n s b 光f , 检a ll 器 与 锗光电二极管一样， i n a s 和 i n s b检测器也是带有 p - n结的光电压检测 器。它们对红外线的响应波长范围与 p b s和 p b s e 光敏电阻相同因为 i n a s 和 i n s b 光电检测器比p b s 和p b s e 光敏电阻检测器具有更快的响应速度和更高的信 噪比， 因此它们被分别用于不同的场合。i n a s 和i n s b 光电检测器可应用于热图 像检测和遥感仪器。 e . m c t ( h g c d t e ) 检测器 m c t检测器是光敏电阻检测器件 通过对h g t e 和c d t e 两种材料的组合 比例的改变，可以调整其导通电压。由于上述原因，这种检测器件有多种类烈 , 它们可提供不同波长的红外线光谱响应特性。mc t 检测器被用于辐射热能计、 f t 工 r热成像遥感仪器。 2 . 热电红外温度传感器 热电红外温度传感器利用红外辐射的热效应， 通过温差电效应、 热释电效应 6 非接触式红外测温的研究 第常s:m 度测虽技术的发展 和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度 热电型红外温度传感器有测辐射热敏电阻、 温差电堆和热释电器件 测辐射 热敏电阻与温差电堆的发展有相当长的时间，对于这些器件我们另外加以介绍 较新的热释电型红外检测器由热电材料 ( l i t a o 3 )、高阻值电阻、低噪声 场效应管组成。l i t a o ; 热电晶体具有自 然的极性。该类型的检测器通常使用一 个具有平坦光谱透射率的礁滤波器作为窗日材料， 但根据应用的不同， 其,l 种类 的窗口 材料也被采用。 此种红外检测器的最佳应用场合是辐射检测器、 火焰检测 器、 气体分析仪及人体检测产品。 另外， 还有聚偏氟乙烯 ( p v d f) 压电薄膜在 正常的状态下，p v d f 薄膜是未极化。 因为它从熔融体制成薄膜时， 偶极子相互 抵消，但通过施加一定的外部条件进行极化，就可以使它成为一 种很强的感应 体， 当p v d f 压电薄膜吸收到热能， 其身温度升高时， 由于它本身的电荷密度发 生了 变化， 从而可以 获得电 压输出。 它可以 精确地吸收波长在5 - 1 5 1 u n -l 间的红 外线。 例如， 日 本松 卜 公司推出了用p v d f 压电薄膜制作的封装型热释电红外传 感器，其视场角可以达到 1 0 0 0c ,测温范围 ( 非接触)为一 8 01 5 0 0 0c 三红外温度传感器的选择 面对目前众多的红外检测器件产品， 在设计中选择合适的红外检测器e成为 一个重要问题。 在设计过程中选择红外线检测器件时， 应考虑器件的以下性能因 素:光谱响应范围、响应速度、 有效检测面积、 元件数量、 制冷方式和检测目 标 的温度。 当根据被测物体的温度来选择a 0卜 线检测器件时， :必 须考虑来自 物体辐射能 量的红外波长的分布情况 不同类型和在不同的温度环境下， 红外线检测器件有 不同的光谱响应范in a 当红外线检测器件被致冷时， 其对光谱的响应范im会发生 改变。 如i n g a a s , g e , i n a s , i n s b 检测器被致冷时， 言 们的光谱响应范围向 波ic 变短的方向 偏移。 与此相反，p b s , p b s e 和m c t 红外线检测器被致冷时， 其光6响应则向波长变长的方向偏移。 不同类型的红外线检测器件， 其响应速度 也不同。应该 t -t 意到，p b s 和p b s e 红外线检测器在被致冷时， 六 们的h l,r) 应速度 变慢 有两种致冷方 式的红外线检测器件可供选择: 热电致冷型和结露型。 热电 致冷型红外线检测器件可以在长期使用的周期里保持低噪声。 而结露型红外线检 测器件是通过液态氮或干冰致冷的，其具有极低的噪声。 在选择红外线检测器件进行设计时， 若考虑了 所有的应用场合特点和器件参 数特性，将会带来最佳的设计结果。 接触式红外测温的研戮 第_ _ 章非接触测温和红外辐射测温 第二章非接触测温和红外辐射测温 非接触测m i. 非接触测温技术有着较多的优点。由于测量时传感器与被t) i1 物体不接触， 不 影响被测物体原有的温场分布， 不会受到物体所在环境的影响; 另外， 它不需要 i -j 被测物休达到热平衡， 测温速度快，隋,hi ,卜 小。 所以说作 接触测f : c c f 测温技术中 占有独特的地位， 获得了日 益广泛的应用， 它是当前测温技术研究中的个热点 问题。 三红外辐射 物体以电磁波或光子传递能量的过程称为辐射。 物体可以因不同的原in j 产生 电磁波而发射辐射能。由 物体温度产生的辐射称为热辐射， 热辐射覆盖紫外、 可 见光和红外波段。 虽然红外辐射是一种不可见的射线， 但其本质与可见光并无差 别，它具有波粒二相性。 1 . 黑体 物体的 辐射出射度a f ( k , t ) 和吸收比a ( x , t ) 的比 值与物体的性质无关， 只是 波长和温度的普适a数。 m( 2 , , t ) a ( k , t /() , , t ) ( 2 . 1 ) 定义吸收比a ( k , t ) 二 1 的物 体为 绝对黑体。 则黑 体的辐 射出 射度 m, ( k , t ) 二 f ( ), , t ) ( 2 .2 ) 对于非黑体，总有a ( x , t ) 1 。由此可见，在同一温度下， 对任何波长， 物 体的辐射出射度总是小于绝对黑体的辐射出射度。 两者的比值称为该 物体的发射 率。 ( k , t ) ， 即 e ( k , t ) = ( 2 . 3 ) 则可得 。 ( 入 ， 犷 ) = a ( 久了 )( 2 .4 ) 上式表明， 物体的发射率在数值 仁 等于它的吸收比 发射率愈大， 吸收比也 s a 大 2 a 黑体辐射定律 普朗克辐射公式 ma. = 其中 - , (e i.x s 一 ，一 ( 2 . 5 ) 9 4 * 为黑体的光谱辐射出 射度。 一! 接触式乡外测温的研究 饥 - 章 接触测温角红外1 h 射f4 :1 (l r, 。 . 为第 辐射常数，。 . c 为光速，: = 2 .9 9 7 9 x 2 t i c z h 3 .7 4 1 5 x 1 0 -g ( w n a - ) =曰! c : 为第二辐射常数， h 为普朗克常数，h = k为玻尔兹曼常数， =1. 4 3 8 8 x 1 0 - 2 ( m . k ) 6 .6 2 6 2 x 1 0 - ( j . : ) k 一 1 .3 8 0 6 x 1 0 - 2 ( w . s 1 k - ) b .斯带分- 玻尔兹曼定律 将式( 2 . 5 ) 对所有波长 积分， 便可 得到描述单位面积黑体辐射到半球空间的的 总辐射功率，即 m ， 一 ) m , d?,一 f f c1 , - (e r - 1)? 一a 一 t0 (2.6) 这 就 是 斯 蒂 芬 一 玻 尔 兹 曼 定 律 ， 其 中 。 一 5 .6 7 0 x 1 0 _ 3 ( w m - z k - )斯 蒂 芬 - 玻尔兹曼定律定律表明，黑体的全辐射出 射度与 绝对温度的四次万成正比。 c . 韦恩位移定律 由图2 . 1可知， 极大值的波长用入 。 k j = b 其中 对于一定的温度，绝对黑体的光谱辐射出射度有一极大值 表示，黑体温度t 与入 ， 有关系: ( 2 . 7 ) 叮准 氏压氏氏认认叭几 互飞宝恻盆羽摄晚姐采 b = 2 .9 8 7 x 1 0 一 ， ( m习 3 . 灰体 在热辐射分析中， 把光谱 发射率与波长无关的物体称 为灰体， 即。 劝= 。 = 常数。 灰 体也是一种理想物体， 就吸收 和发射规律而言， 灰体和黑体 完全相同。 灰体有a , = = 常数的特性， 仅仅数值上小于 1 而己。实验证明，在红外波 1 1 5 3 。 0于亨f a 5 6分 a 9 i s 1 .台2 13 波长( i+ m l n 2 . 1 黑体辐射的光谱分布 段范围内可把大多数材料当作灰体处理，不会引起严重的误差。 三红外辐射测温 物体辐射的功率与它的温度有关。 但是， 只有黑体的辐射功率与它的温度有 确定的函数关系， 黑体或