红外辐射测温技术-讲义(总)

《红外辐射测温技术》讲义0绪论使学生了解红外测温的基础知识和基本理论，辐射测温的基本工作原理，熟悉辐射测温仪表的基本构成，为辐射测温仪表的研制奠定基础。1.课程内容、地位与应用■红外辐射：红外技术是研究红外波段内电磁波的规律并使其应用的一门现代技术。众所周知，从波长很长的无线电波到波长很短的宇宙射线都是不同波长的电磁波，或称为电磁辐射。波长的单位在行业内习惯用微米(µm)。频率ν和波长λ的关系为λν=c（光速）；也有用波数σ表示波长的σ=1/λ(cm-1)。电磁波谱上的每一段都具有其独特的规律，每一段都是一个研究领域，都有其特性和规律，研究并使其应用，造福于人类是每个学科的宗旨。红外技术就是研究红外区域内电磁波的规律的一门学问。包括可见光直到紫外部分。*需要记住和理解的几点内容：“红外辐射是人眼看不见的光线”；“红外辐射就是热辐射”“对红外线的研究也属于光学范畴。”红外技术的应用：①军事上：军事目标的侦察、监视、预警与跟踪红外制导是一种重要的制导方式。红外通信。军用夜视仪。是探测隐身飞行器的一种手段。对威胁进行红外告警。②在民用方面：红外测温，红外遥控，红外遥感，红外医疗，红外加热，红外光谱技术。总之，红外技术的应用及其广泛，它已涉及到军事战术或战略的情报搜集、目标的侦察监视、武器制导等各个领域，对未来战争产生重大的影响。在工业、医学和科研等许多方面也广为使用，例如热源探测，医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光谱分析、红外加热、红外遥感、红外天文学等。■测温技术温度测量的方法可分两大类：辐射测温特点：优点：响应速度快、分辨率高，适用于旋转物体、移动物体、热容量小的物体、腐蚀性场合，以及接触式测温无法使用的条件下，辐射测温被广泛应用。如：电力、冶金、化工橡胶等领域焊接、炉窑、焦化、电力（变压器）感应加热、塑料、玻璃金属挤压成型热处理和退火缺陷：①一般辐射温度计都只能测得亮度温度或辐射温度，由于一般被测物体发射率都小于l，所以不能测得真温度。欲求得真温度必须在线测得被测对象的发射率，对测量值进行修正。②现场测量中经常存在有外来光的干扰(外部热源)和光路中的干扰(水蒸汽、尘埃等)，必须消除这些干扰，才能实现正确的测量。③被测表面发射率往往在一定范围内变化，这是辐射测温中需要解决的一个难题。④辐射温度计应适时用黑体炉检定或校验以维持足够的测量精度。2.教学计划（32学时，9周）3.考试形式：大作业非接触法测温—辐射测温法接触法测温热电偶热电阻4.内容简介：（1）红外辐射基本理论（2）工业黑体辐射源（3）黑体空腔有效发射率（4）黑体空腔积分发射率和有效温度（5）辐射测温方法与仪表（6）真实温度测量技术与应用5.相关知识（1）红外物理（2）红外光学（3）红外探测器（4）信号处理技术6.辐射测温仪器的一般设计步骤（1）明确需求与工作条件①被测物体：材料发射率②测温范围：100~1200℃③环境温度：100~200℃④测温环境：CO2和H2O蒸汽⑤目标距离与尺寸：⑥测温精度：⑦安全等级：具有防爆（煤气）功能（2）测温仪元件的选择与参数设计①工作波段的选择②探测器的选择③透镜材料选择④透镜的参数设计（3）能量与系统输出计算（4）信号处理与显示（5）标定镜面反射—入射角等于反射角；漫反射—平行光反射后沿各个方向均匀分布；实际表面既不是镜面反射也不是均匀的漫反射。第一章红外辐射基本理论1.1红外辐射的一般概念波长0.38～0.76m范围内的电磁波属于可见光线，波长比0.38m短的电磁波分别为紫外线、x射线和射线等。波长在0.76~1000m之间的电磁波称为红外线，波长更长的电磁波称为微波和无线电波。波长在0.1~40m范围内的电磁波(包括可见光和红外线的短波部分)热效应最显著，所以把这部分波长的电磁波称为热射线或热辐射。红外线范围内的电磁波还可按波长的不同划分为近红外、中红外和远红外三部分。辐射的吸收、反射、透过及绝对黑体当辐射能投射到物体表面上时，在一般情况下，其中一部分被物体吸收，一部分被反射，另一部分可以透过物体。假设外界投射到物体表面上的总能量为Q0，被吸收了Q，反射了Q，透过了Q。根据能量守恒有：Q0＝Q＋Q＋Q1000QQQQQQ＋＋＝1—吸收率，—反射率，—透过率＝1，绝对黑体＝1，全反射反射有一定规律的为镜体反射无一定规律的为绝对白体＝1，绝对透明体，或透热体。自然界中并不存在绝对黑体、绝对白体或绝对透明体。1.2热辐射的基本定律概念：为了从数量上表示物体的辐射能力，引入一个物理量—辐射功率。辐射功率E—单位时间内从单位表面积上向半球空间各方向发射的全部波长的总辐射能量，单位W/m2，用E表示。单色辐射功率E—就是在单位时间内从单位表面积上向半球空间所有方向发射的某特定波长的单位波长宽度内的能量。如果把在波长+范围内的辐射功率用E表示，则可用下式给出E的定义，EddEElim0W/(m2.m)辐射功率和单色辐射功率关系：dEE0W/m2对于黑体，其辐射功率和单色辐射功率用符号Eb和Eb表示。1.2.1普朗克定律1900年，普朗克根据量子统计理论导出了黑体在不同温度下单色辐射功率Eb随波长的分布规律，1exp251TCCEb式中，—波长，mT—黑体的热力学温度，KC1—普朗克第一辐射常数，C1=2hc2=3.7418320.00002011016W.m2C2—普朗克第二辐射常数，2210000045.0438786.1Ckhcm.Kh—普朗克常数，6.62617610-34J.sk—玻耳兹曼常数，1.38066210-23J/Kc—电磁波在真空中的传播速度，3108m/s。规律：（1）在某一固定温度下，黑体单色辐射功率Eb随波长而变化，并且存在最大值；其最大值，随温度的增高向短波方向移动。＊为红外光学系统选择合适的波段提供参考。（2）温度越高，单色辐射功率越强。1.2.2维恩公式早在普朗克定律建立之前，1894年维恩就提出了黑体单色辐射功率公式，TCCEb251exp与普朗克公式相比，当“T”较小时，则有TCTC22exp1exp－维恩位移定律：由普朗克定律可知，在任意温度下，黑体光谱辐射通量都有一个最大值，最大值对应的波长称为峰值波长m，将维恩公式对求导，令其等于0，则可得6.2897Tm（m.K）∴温度越高，则峰值波长m越小。如：钢坯表面颜色对温度的变化；若测量温度为1600℃左右的物体表面温度，根据维恩公式计算可得：547.127316006.2897m（m）∴在选择辐射测温仪器的工作波段时最好在该波段附近。在一般工业温度范围内，单色辐射功率最大值所对应的波长m都处于红外波段内。1.2.3斯蒂芬－玻耳兹曼定律（全辐射定律）从零到无穷大波长范围内积分普朗克公式，4025101expTdTCCEEbb式中，—斯蒂芬－玻耳兹曼常数823451000071.067032.5152chk（W/m2.K4）1.2.4定向辐射强度（兰贝特定律－余弦辐射定律）上面讨论的黑体辐射功率Eb是指从发射体的单位面积上在单位时间内向半球空间发射的包括各波长在内的总能量，而没有指明在半球空间各个方向上的能量分布。这种分布是研究黑体空腔内各壁面间的相互辐射以及物体间辐射换热计算必然要涉及的重要问题。为了描述辐射能在空间不同方向上的分布规律，下面引出定向辐射强度的概念。在单位时间内发射出的单位可见辐射面积对应的单位立体角内所包围的辐射能称为定向辐射强度，可表示为：ddAdQppcosIW/(m2.Sr)式中：Ip—与辐射面法线成角的p方向上的定向辐射强度。dQp—dA在与其法线成角的p方向上，在单位时间内微元立体角d内发射出的辐射能。兰贝特定律在半球空间，各个方向上的定向辐射强度都相等，即Ip＝Im＝In＝……＝I这种定向辐射强度与方向无关的规律称为兰贝特定律。黑体是完全符合兰贝特定律的辐射体。将前面式子改写，有：cosIddAdQp＝该式表明，黑体单位面积向空间不同方向发射的辐射能在各单位立体角中所包含的能量并不相等，而是与该方向和法线的夹角的余弦成正比。因此兰贝特定律又称为余弦定律。定向辐射强度与辐射功率的关系：即对定向辐射强度，在半球范围内进行积分，22cosdIdAdQEp对于半球面上所截微元面积df，可看成是微矩形面积，则其边长可表示为rd和rsind，所以df=r2sindd，则有ddrdfdsin2，代入上式可得，IddIddIE20202sincossincos∴对于遵守兰贝特定律的辐射体，它的辐射功率是任何方向上定向辐射强度的倍。1.3实际辐射表面和基尔霍夫定律实际辐射表面单色辐射功率按波长分布是不规则的，而且在同一温度下实际辐射表面单色辐射功率总是小于对应波长下黑体单色辐射功率。引入发射率（黑体系数）：4TEEEb相同温度下，实际物体的半球总辐射能与黑体半球总辐射能之比。单色发射率（黑体系数）：bEE黑体：1＝灰体：）＝常数（1实际物体、黑体和灰体的辐射实际物体：其随波长而变化。说明：发射率与物质种类、表面状态（粗糙度、氧化度等）、温度等因素有关。基尔霍夫定律：EEqb若T1＝T2，则两表面处于动平衡：bEEq0∴＝说明：善于发射的物体也一定善于吸收。同理，基尔霍定律也适用于单色辐射，即bEE＝实际物体空间辐射特性：为要表明一些实际物体在空间各不同方向的辐射特性，引进定向发射率的概念：bII式中，—物体的定向发射率，表示辐射方向与表面法线之间的夹角；I—物体在该方向的定向辐射强度；bθI—同温度下黑体在该方向的定向辐射强度。前面已经述及，黑体完全遵守兰贝特定律，其定向辐射强度在半球空间所有方向是常量。而实际表面只是近似地服从兰贝特定律，就是说实际表面的定向辐射强度或定向发射率与方向有关。从图中可以看出，对于金属导体材料，从表面的法线开始在一定角度范围内，定向发射率不变化，然后随着角度的增加而增大，在角接近90时，值急剧减小。对于非导体材料表面法线方向上的定向发射率最大。在离开法线相当大的角度范围内变化不大，只有当角度大约超过60以后值才明显减小；当＝90时，值变为零。物体发射率的一般变化规律如下：（1）对于兰贝特辐射体，三种发射率εn（法向发射率），和εh（半球发射率）彼此相等。对于电绝缘体，εh/εn在0.95～1.05之间，其平均值为0.98，对这种材料，在θ角不超过65°或70°时，与εn仍然相等。对于导电体，εh/εn在1.05～1.33之间，对大多数磨光金属，其平均值为1.20，即半球发射率比法向发射率约大20%，当θ角超过45°时，与εn差别明显。（2）金属的发射率是较低的，但它随温度的升高而增高，并且当表面形成氧化层时，可以成10倍或更大倍数地增高。（3）非金属的发射率要高些，一般大于0.8，并随温度的增加而降低。（4）金属及其他非透明材料的辐射，发生在表面几微米内，因此发射率是表面状态的函数，而与尺寸无关。据此，涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性，而不是基层表面的特性。对于同一种材料，由于样品表面条件的不同，因此测得的发射率值会有差别。（5）介质的光谱发射率随波长变化而变化。在红外区域，大多数介质的光谱发射率随波长的增加而降低。在解释一些现象时，要注意此特点。例如，白漆和涂料TiO2等在可见光区有较低的发射率，但当波长超过3μm时，几乎相当于黑体。用它们覆盖的物体在太阳光下温度相对较低，这是因为它不仅反射了部分太阳光，而且几乎像黑体一样的重新