辐射测温仪表

1、辐射测温仪表1001石化 傅绍鹏 1001320112辐射式测温是一种非接触式温度测量，通过光的辐射来测量物体的温度。物体在受热后有一部分的能量转变为辐射能，温度越高，则辐射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动的形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、X光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。在温度测量中常用的是可见光和红外光。辐射式测温度时感温元件与被测物质互不接触，不会破坏北侧的温度场，可实现遥测；测温元件可以和被测对象具有不同的温度，因此可以测量高温物体的温度。辐射式温度测量仪表的温度范围极广，可达到-506000。但是，这种方法的精度较低，应用技术较复杂。辐射测温仪表主要由光学系统、检

2、测元件、转换电路和信号处理电路等部分组成，光学系统包括瞄准系统、透镜和滤光片等，它把物体的辐射能通过透镜聚焦到检测元件上，再通过转换电路和信号处理电路将信号转换、放大、辐射率修正和标度变换等，输出被测温度对应的信号。辐射式测温的常用方法有亮度法、全辐射法、比色法和多色法等。辐射测温仪表有全辐射高温计、光学高温计、光电高温计、比色高温计、红外探测器、红外测温仪、红外热像仪等。全辐射温度计的工作原理如图它是由辐射感温器、显示装置及辅助装置组成，被测物体热辐射的能量，由物镜集中到电热堆上，并由它转换成热电动势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，在显示装置上进行指示记录。图2-13中补偿光栏4由双金

3、属片控制，当环境温度发送变化时，光栏相应调节照射在热电堆上的热辐射能量，以补偿因温度变化影响热电势数值而引起的误差。热电堆由一组微细的热电偶串联而成。绝对黑体的热辐射能量与温度之间的关系为E0=T4（W/m）但所有物体的全发射率T均小于1，则其辐射能量与温度的关系表示为E0=T4（W/m）全辐射温度计选择黑体作为标准体来分度仪表，此时所测的是物体的辐射温度，即相当于黑体的某一温度TP。在辐射感温器的工作频谱内，当表面温度为TP的黑体的积分辐射能量和表面温度为T的物体之积分辐射能量相等时，即T4=T4则物体的真实温度为 T=TP因此，当已知物体的全发射能量T和辐射温度计指示的辐射温度TP时，就可

4、计算出被测物体的真实温度。介质吸收将造成测量误差，因此，要求传感器与被测物体距离不宜太大，以不超过1m为宜。为减小物体黑度对测量造成的误差，在实际测量中常加装黑度系数较高的窥视管。由此可见全辐射温度计不宜进行精确测量，多用于中小型炉窑的温度监视。该温度计的优点是结构简单、价格低廉、使用方便，时间常数约为420s。光学辐射式温度计的工作原理如图单色辐射光学温度计的一种典型结构是隐形式光学温度计。温度计的核心是一个标准温度灯，利用被测对象单色辐射亮度与这个可调电流的温度灯的亮度进行比较。温度计钨丝灯作为亮度比较的标准，其灯丝亮度，加热电流与温度的关系已知，因此，可以用电流表示亮度进而表示温度。如图

5、所示两者亮度对比的三种情况，当两者的亮度相同时，灯丝的轮廓就隐没于被测物体的影像中。此时电表所测的电流值就是被测物体亮度温度的读数。物体在高温状态下会发光，当温度高于700度时就会明显发出可见光。物体在波长下的亮度L下和它的辐射出射度M成正比。即 L=CM 式中C是比例常数根据维恩公式，绝对黑体在波长的亮度Lb与温度Ts的关系为 Lb=CC1-5e-C2/(Ts)实际物体在波长的亮度L与温度的关系为 L=CC1-5e-C2/(T)对这类温度计做了如下规定：单色辐射光学温度计的刻度按绝对黑体（=1）进行。用这种刻度的温度计去测实际物体（1）的温度，所得的温度示值称为被测物体的亮度温度。亮度温度的

6、定义是：在波长为的单色辐射中，若物体在温度T时的亮度L和绝对黑体在温度Ts时亮度Lb相等，则把绝对黑体温度Ts称为被测物体在波长时的亮度温度。就此定义根据以上两个公式，可推导出被测物体实际温度T和亮度温度Ts之间的关系式为由上面的式子看出，因为总是小于1，所以测得的亮度温度总是低于实际温度。比色温度计光学温度计和全辐射温度计是目前广泛应用的非接触测温仪表，它们的共同缺点是受实际物体黑度影响和辐射途径上各种介质的选择性吸收辐射能影响，比色温度计较好的解决这个问题。它也是利用物体的单色辐射现象来测温的，不过它是利用同一被测体的两个辐射波长下的单色辐射亮度之比随温度变化的特性作为测温原理的。原理如图

7、所示这是一种自动光电比色温度计，采用透镜聚集辐射的单通道光路系统。光电检测器交替接受经由调制盘来的波长1和2的单色辐射，向比值运算器输入信号，经比较运算后输至显示仪表。目镜通过反射镜接受平行平面玻璃反射来的一小部分辐射，以便瞄准目标和调整成像的大小。这种系统由于采用一个光电元件，所以光电变化比较稳定。这类单通道比色温度计的测温范围为9001200，仪表基本误差为±1%，如果采用硫化铅光电池代替硅光电池作为检测器，则测温下限可到400。以上的是高温，但是在700以下时，就不是可见光了，而是红外辐射了，需要红外探测仪来检测。红外测温仪同样分为全辐射、单色型和比色型等。这类仪表的典型系统框

8、图如下：1、 光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器，相当于雷达显示信号处理红外探测器辐射调制器光学接收器目标2、 天线，常用的是物镜。3、 辐射调制器。对来自目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标的方位信息，并可过滤掉大面积的背景干扰信息。4、 红外探测器。它是利用红外辐射与物质互相作用所呈现的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现的电学效应，因此，探测器输出一般为电信号。5、 信号处理系统。接收探测器输出的低电平信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取所需信息。然后将此信号转换成所要求的形式，最后输出到显示器。6、 显示装置。是红外检测系统的终端设备

9、。常用的显示器有指示仪表和记录仪等。下面主要介绍红光学系统和红外探测器。（1） 红外光学系统红外光学系统包括物镜和一些辅助光学元件。此系统既收集并接收红外目标的能量，同时因红外探测器的光敏面积小，直接接收红外辐射的立体角很小，所以需要设计光学系统来最大限度地提高红外测温仪的探测灵敏度。 透镜可以是透射式的，也可以是反射式的。透射式光学部件透镜在700以上主要波段在0.763m的近红外区时，可用一般光学玻璃和石英等材料；100700主要波段在35m的红外区，多采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料；测量低于100的波段主要在514m的中、远红外波段，多采用锗、硅、热压氧化锌等材料。一般镜片表面要蒸镀红

10、外增透层，一方面滤掉不需要的波段；另一方面增大有用波段的透射率。反射式光学系统多用凹面玻璃反射镜，表面镀金、铝、镍等对红外辐射率很高的材料。（2） 红外探测器这是红外测温系统的核心，按探测机理不同，分热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收辐射能后引起温度升高，进而使探测器某一性能依赖于温度而变化，监测这个性能变化便可探测出辐射能，多数情况下是通过热电变换来探测辐射的。按器件工作温度，热探测器可分为室温探测器和低温探测器。主要室温探测器有释电探测器、热敏电阻红外探测器、热电堆红外探测器等。其中，以热释电探测器最为突出。其响应时间短、探测率最高、频率响应最宽等优点。但

11、是，与光子探测器相比，探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应速度也慢得多。光子探测器是利用入射光的光子流与探测器材料中电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起的各种电学现象称为光子效应。对探测器的基本要求：响应率高、噪声低和响应速度快。目前红外光子探测器类型有：光电导探测器、光伏探测器、光电磁探探测器和红外场效应探测器等，以上器件均为半导体材料。目前使用最广泛的是本征光电导探测器、PN结光伏探测器。近年来，不仅新型红外材料和新型器件发展很快，而且红外探测阵列也发展很快。随着制造工艺的改进，集成度越来越高，现已研制出数千单元的阵列探测器。如红外CCD及扫描式器件也受到普遍的重视，并迅速发展。红

12、外热像仪是按普朗克定律以黑体为参考，利用红外成像原理来测量物体表面的温度分布。也就是说，它摄取来自被测物体各部分射向仪器的红外辐射通量的分布，由红外探测器直接测量物体各部分发射出的红外辐射，综合起来就得到物体发射红外辐射通量的分布图像，称为热象图。热像仪系统的基本构成如下图参考黑体视频处理视频前置放大探测器光学汇聚、滤光目标视频监视和记录目标的辐射图形经光学系统汇聚和滤光，聚焦在焦平面上，焦平面上安置有红外探测器件，入射红外辐射使探测器产生响应，一般来说，探测器会输出与红外辐射能量成正比的电压信号，该信号经放大、出炉后，由视频显示器实现热像显示和温度测量。热像仪光学系统的透镜视场角可按照被测目

13、标源的大小和距离做不同的选择。而透镜尺寸直接影响热像仪的系统灵敏度。孔径增加，灵敏度也增加；如再把视场也加大，就能获得更多的的像素，可给出较高的温度分辨率。对于目标物来讲，很重要的是在限定光谱范围内进行红外辐射测量。此时，只能通过滤光片实现，如高温频谱滤片可以测量的温度达2000；太阳光频谱滤片可滤除阳光辐射干扰；CO2频谱滤片则可用来测量CO2频谱吸收带内温度等。热像仪的焦面成像系统是它的重要构成部件。由于在焦面平面上采取了不同 形式的探测器件，现常采用光学扫描成像方式和凝视焦平面成像两类方式。1、 光学扫描成像方式。基本原理如图所示参考黑体扫描同步制冷器视频监视与记录视频前置放大探测器光学机械扫描装置光学汇聚与滤光系统目标该系统中在物镜成像的聚焦点上安置了单个探测器，它可以直接接收目标的一堆红外辐射能量，而不能直接把二维图像转变成视频信号输出。所以，就在光学会聚系统和这个探测器之间加上一套光学机械扫描装置。这个扫描装置有两个旋转扫描反射镜组成，一个垂直扫描，另一个作水平扫描。如图所示2、 凝视焦平面成像方式。主要采用焦平面阵列技术。在物镜成像焦平面上具有上千个单元红外探测器一个单