第六章 温度检测技术2

1、信息采集技术6.6 6.6 辐射法测温辐射法测温 任何物体任何物体, ,温度温度超过绝对零度超过绝对零度, ,以以电磁波电磁波的形式的形式辐射辐射能量。能量。 与物体本身温度有关的传播热能的辐射与物体本身温度有关的传播热能的辐射热辐射。热辐射。对被测物体热辐射能量进行检测对被测物体热辐射能量进行检测( (测温度测温度) )辐射式温度计。辐射式温度计。辐射式温度计：感温元件不与被测物体（介质）直接接触；辐射式温度计：感温元件不与被测物体（介质）直接接触； 不受被测物体（介质）高温、腐蚀等影响；不受被测物体（介质）高温、腐蚀等影响； 感温元件不会破坏被测物体的温度场；感温元件不会破坏被测物体的温度

2、场； 方便地用于测量运动的物体。方便地用于测量运动的物体。6.6.16.6.1辐射测温的基本原理辐射测温的基本原理辐射式温度计感温元件波长范围：辐射式温度计感温元件波长范围：0.30.340um;40um;可见光可见光0.30.30.72um0.72um；红外光红外光 0.72 0.72 1000um1000um。电子信息工程系信息采集技术绝对黑体任何温度下，全部吸收任何辐射能量。绝对黑体任何温度下，全部吸收任何辐射能量。选择吸收体温度、波长有关。选择吸收体温度、波长有关。灰灰 体波长无关。体波长无关。辐射测温的物理基础：辐射测温的物理基础：普朗克热辐射定律和斯忒藩珀尔慈曼定律。普朗克热辐射定

3、律和斯忒藩珀尔慈曼定律。 任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体的热辐射就可得到该物体的温度，这就是辐射测温的测量物体的热辐射就可得到该物体的温度，这就是辐射测温的基本原理。基本原理。 L L光辐射亮度；光辐射亮度；(T)(T)实际物体的全发射率；实际物体的全发射率；斯忒藩珀尔慈曼常数；斯忒藩珀尔慈曼常数；T T 热力学温度。热力学温度。4T(T)L电子信息工程系信息采集技术6.6.2 6.6.2 光谱辐射式温度计光谱辐射式温度计1 1、光学高温计、光学高温计 光学高温计是非接触测试温度的装置，可测量的温度范围光学高温计是非

4、接触测试温度的装置，可测量的温度范围为为100010003000K3000K，精度通常为，精度通常为1.01.0和和1.51.5级。级。工作原理工作原理：使用简单的光学装置，类似于单目望远镜，对照要：使用简单的光学装置，类似于单目望远镜，对照要 被测量热灯丝的背景测量温度。被测量热灯丝的背景测量温度。电子信息工程系信息采集技术 亮度温度总比物体的实际温度低。亮度温度总比物体的实际温度低。 WGG2WGG2型光学高温计是非接触式测量高温的仪表，当被测量型光学高温计是非接触式测量高温的仪表，当被测量的温度高於热电偶所能使用的范围，以及热电偶不可能安装或的温度高於热电偶所能使用的范围，以及热电偶不可

5、能安装或不适宜安装的场所，用光学高温计一般可以满足这个要求。它不适宜安装的场所，用光学高温计一般可以满足这个要求。它广泛地用来测量冶炼、浇铸、轧钢、玻璃熔窖、锻打、热处理广泛地用来测量冶炼、浇铸、轧钢、玻璃熔窖、锻打、热处理等温度，是冶金、化工和机械等工业生产过程中不可缺少的温等温度，是冶金、化工和机械等工业生产过程中不可缺少的温度测量仪表之一。度测量仪表之一。 WGG2WGG2型光学高温计能在环境温度型光学高温计能在环境温度10-50,10-50,相相对湿度不大於对湿度不大於85%85%的情况下连续工作的情况下连续工作, ,物镜与目标物镜与目标之间的距离不小于之间的距离不小于700mm,70

6、0mm,标尺长度不小于标尺长度不小于90mm90mm。 净重约净重约1.8kg1.8kg。 电子信息工程系信息采集技术2 2、光电高温计、光电高温计 光电高温计克服了光学高温计的主要缺点，采用硅光电池作光电高温计克服了光学高温计的主要缺点，采用硅光电池作为仪表的光敏元件。为仪表的光敏元件。 适用于工业生产流程中快速测量静止或运动中的物体表面温适用于工业生产流程中快速测量静止或运动中的物体表面温度。如冶金、机械工业中的熔炼、热成型加工、热处理、玻璃度。如冶金、机械工业中的熔炼、热成型加工、热处理、玻璃制品工业、纺织工业织成物热定型、橡胶工业中旋制品工业、纺织工业织成物热定型、橡胶工业中旋 转、滚

7、筒表转、滚筒表面、半导体材料单晶、多晶拉制等方面的测温。输出统一线性面、半导体材料单晶、多晶拉制等方面的测温。输出统一线性信号，可以与各种记录仪、调节器和电子计算机联用，进行自信号，可以与各种记录仪、调节器和电子计算机联用，进行自动记录调节控制。动记录调节控制。 光电高温计与光学高温计比较，优点有：光电高温计与光学高温计比较，优点有：灵敏度高、精确度高、使用波长范围不受限制、灵敏度高、精确度高、使用波长范围不受限制、光电探测器的响应时间短、便于自动测量和控制。光电探测器的响应时间短、便于自动测量和控制。 电子信息工程系信息采集技术3 3、辐射温度计、辐射温度计 根据全辐射定律，基于被测物体的辐

8、射热效根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作。应进行工作。电子信息工程系信息采集技术 辐射温度计在使用上远不及光学温度计普遍辐射温度计在使用上远不及光学温度计普遍, ,并有进一步被淘汰的趋势。并有进一步被淘汰的趋势。电子信息工程系信息采集技术6.6.3 6.6.3 比色高温计比色高温计 当温度升高时当温度升高时, ,绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化。绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化。 把根据测量两个光谱能量比来测量物体温度的方法称为比把根据测量两个光谱能量比来测量物体温度的方法称为比色测温法。色测温法。电子信息工程系信息采集技术6.6.4 6.6.4 红外测温红外测温1 1、

9、红外辐射、红外辐射 红外辐射俗称红外线红外辐射俗称红外线, , 它是一种不可见光它是一种不可见光, , 由于是位于可见由于是位于可见光中红色光以外的光线光中红色光以外的光线, , 故称红外线。它的波长范围大致在故称红外线。它的波长范围大致在0.720.721000um,1000um,频率频率4 410101414 3 310101111；工程上又把红外线所占；工程上又把红外线所占据的波段分为四部分据的波段分为四部分, ,即近红外、中红外、远红外和极远红即近红外、中红外、远红外和极远红外。外。 红外辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的红外辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能

10、量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高度越高, , 辐射出来的红外线越多辐射出来的红外线越多, , 辐射的能量就辐射的能量就越强。而且越强。而且, ,红外线被物体吸收时红外线被物体吸收时, , 可以显著地转可以显著地转变为热能。变为热能。电子信息工程系信息采集技术2 2、红外测温的特点、红外测温的特点（1 1）非接触测量：用于远距离高速运动物体、）非接触测量：用于远距离高速运动物体、 带电体、高温及高压物体。带电体、高温及高压物体。电子信息工程系信息采集技术（2 2）反应速度快：反应时间为毫秒级。）反应速度快：反应时间为毫秒级。（3 3）灵敏度

11、高：检测物体温度微小变化。）灵敏度高：检测物体温度微小变化。（4 4）准确度高：不破坏温度场，测出温度比较真实。）准确度高：不破坏温度场，测出温度比较真实。（5 5）测温范围广：零下几十度到零上几千摄氏度。）测温范围广：零下几十度到零上几千摄氏度。（6 6）用于所有温度测量场合。）用于所有温度测量场合。3 3、红外测温原理、红外测温原理 全辐射测温测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来全辐射测温测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。决定物体的温度。组成：光学系统：透射式、反射式；组成：光学系统：透射式、反射式； 调制器：交变辐射；调制器：交变辐射； 红外传感器：接收目标辐射转换成电

12、信号；红外传感器：接收目标辐射转换成电信号； 放大器和指示器：信号放大和指示。放大器和指示器：信号放大和指示。电子信息工程系信息采集技术电子信息工程系信息采集技术6.6.5 6.6.5 红外热像仪红外热像仪1 1、红外热成像原理、红外热成像原理 红外成像能将物体的温度分布以图像的形式直红外成像能将物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来。观地显示出来。电子信息工程系信息采集技术(1)(1)红外摄像管红外摄像管 将物体的红外辐射转换成电信号将物体的红外辐射转换成电信号, ,经过电子系统放大处理经过电子系统放大处理, ,再还原为光学像的成像装置。再还原为光学像的成像装置。 热释电摄像管只有温度变化

13、时，产生热释电效应；热释电摄像管只有温度变化时，产生热释电效应； 静止物体：对物体的辐射进行调制；静止物体：对物体的辐射进行调制； 运动物体：可无调制。运动物体：可无调制。电子信息工程系信息采集技术(2)(2)红外变像管红外变像管 是直接把物体红外图像变成可见图像的真空器件。是直接把物体红外图像变成可见图像的真空器件。(3)(3)固态图像变换器固态图像变换器 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，简称，简称CCDCCD）是一）是一种金属氧化物半导体（种金属氧化物半导体（MOSMOS）集成电路器件。它以电荷作为信）集成电路器

14、件。它以电荷作为信号号, , 基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。 CCDCCD自自19701970年问世以来年问世以来, , 由于其独特的性能而发展迅速由于其独特的性能而发展迅速, , 广泛应用于自动控制和自动测量广泛应用于自动控制和自动测量, , 尤其适用于图像识别技术。尤其适用于图像识别技术。CCDCCD图像传感器应用图像传感器应用CCDCCD图像传感器在许多领域内获得广泛的应用。图像传感器在许多领域内获得广泛的应用。电子信息工程系信息采集技术CCDCCD图像传感器应用图像传感器应用: :前面介绍的电荷耦合器件前面介绍的电荷耦合器件(CCD)(CC

15、D)具有将光具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成构成CCDCCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。的光学扫描系统或电子束扫描系统。 CCDCCD图像传感器具有图像传感器具有高分辨力高分辨力和和高灵敏度高灵敏度，具有较宽的动态，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。尤其适用于图像识别技术。CCDCCD图像传感器在检图像

16、传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。下面是一个利用的检测方面有独到之处。下面是一个利用CCDCCD图图像传感器进行工件尺寸检测的例子。像传感器进行工件尺寸检测的例子。电子信息工程系信息采集技术图为图为应用线型应用线型CCDCCD图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。根据几何光学行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。根据几何光学原理，可以推导被测物体尺寸计算公式，即原理，可以推导被测物体尺寸计算公式，即 式中：式中： n n覆盖的光敏像素数；覆盖的光敏像素数； p p像素间距；像素间距； M M倍率。倍率。 微机可对多次测量求平均值，精确得到被测微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。物体的尺寸。 任何能够用光学成像的零件都可以任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。MnpD 电子信息工