红外辐射测温理论第06章.ppt
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第六章真实温度测定,通常必须知道物体的材料发射率（黑度系数），才可求得物体真实温度。
物体的材料发射率与其组份、表面状态、波长、温度有关。
一般不易在线测量，且易随表面状态改变而改变，因此用辐射法测量物体真温是辐射测温领域中重要而困难的研究课题。
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多光谱辐射测温法,6.1概述,常用方法有：
（1）发射率修正法,该方法需事先利用其它设备测得物体的材料发射率，再将高温计结果据此发射率数据进行修正而得到物体真温。
由于发射率在线变化及随温度不同而改变，因此，该方法的精度不高。
（2）减小发射率影响法（或称逼近黑体法）,即利用一定措施使被测表面的有效发射率增加且接近1。
常用的方案如图所示。
图1为收集辐射反射法，它适于大平板物体，如轧板等。
但它要靠近被测物体，粉尘、水汽影响较大，亦不适于过高的温度。
图2为特制试样法，常常用于科学实验中，由于要破坏试样，不适于生产过程。
（3）为辅助源法（或称测量反射率法）,即在线向目标投射一辐射照射，测量反射或散射信息，进而得到物体发射率和温度。
图为Gardner典型仪器，由石英碘灯发出的光线被调制后（频率为f）以10入射角入射到目标上，其镜反射光线和目标辐射光线一起通过调制盘外圈光栏变成2f调制光，经滤光片后到达硅光电二极管探测器。
光电二极管信号通过相敏检测电路分离获得目标辐射和镜反射信息，而碘灯的能量分布曲线由图中虚线部分事先测得，经过计算得到物体的反射率和物体的温度。
但此方法仅适于抛光金属表面。
（4）偏振光法,该方法是应用抛光金属表面纯镜反射时两个偏振分量强度比与物体反射率关系。
式中，Ip、In分别表示光线的水平和垂直偏振分量，I为光线强度，ns为物面垂直分量的镜反射率。
测量两个偏振分量的强度比即可获得被测物体反射率，从而得到物体的发射率和温度。
仪器如图所示，此方法亦仅适用于抛光金属表面。
（5）反射信息法,应用特殊的光学结构获取多次反射信息，进而得到发射率信息，最后得到真实温度。
（6）多光谱辐射测温法,即在一个仪器中制成多个光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息，再经数据处理而得到物体的温度和材料光谱发射率。
与前5种方法相比，该方法不需辅助设备和附加信息，对被测对象亦无特殊要求，因而特别适合于高温、甚高温目标的真温及材料发射率的同时测量。
6.2前置反射器辐射温度计工作原理,被围表面有效发射率,一个凸的或平的表面，其热力学温度为T1，表面积为A1，被另一个热力学温度为T2，表面积为A2的表面所包围，它们形成一个封闭的腔体。
根据有效辐射公式有：
式中，,和Q1分别为表面的黑体全辐射功率和从该表面出来的辐射热流。
和Q2分别为表面的黑体全辐射功率和从该表面出来的辐射热流。
两表面的辐射换热量为：
换热只在两个面之间进行，在稳定的情况下，有：
因此，,若设T1=T2，则此时有Q1-2=0，可以求出：
通常仪表在使用中，,在下面的计算中忽略了表面的固有辐射。
根据有效发射率的定义：
可求得两种形式表达的表面的有效发射率：
式中，为表面的材料发射率；为表面的反射率；1和2分别为表面、的吸收率。
一个平的或凸的高温表面被另一个冷包壳所包围，则其表面上的有效发射率由、和A1/A2三个参数确定，讨论：
封闭腔体由两个无穷大平行平壁组成，即A1/A2=1,说明：
只适用于由两个无限大平行平壁所组成的空腔，而不适用于表面为凹面时的情况。
被测表面材料发射率越大，则其有效发射率也越大。
当0.6时，被测的高温表面在反射器作用下可以获得非常近似于1的有效发射率。
半球反射器的反射率趋近于1,可以看出，当值趋近于1时，只要被围表面发射率不为零，被围表面有效发射率也趋近于1。
这说明：
半球反射器内表面的反射率趋近于l的程度，是造成被围表面有效发射率近于1的关键问题之一。
冷包壳内表面发黑时，即2=1,可得，,高温表面被内表面黑度很大的冷包壳包围时，高温表面上的有效辐射非常接近于该表面的固有辐射。
表明：
包壳很大，即A1/A20,可得，,相当于一个高温表面被放置于大空间的冷环境中，从该高温表面发射出的辐射能全被冷环境所吸收，反射回到该表面上的能量几乎等于零。
6.3偏振光法,该方法是由德国人Tingwaldt提出，美国人Murray研究的。
此方法仅适用于抛光金属表面。
6.3.1菲涅耳公式,光波的复数形式：
该方法是基于菲涅耳公式。
电磁场边界条件：
建立两种介质界面两边场量的关系。
光在两电介质分界面上的反射和折射,光波入射面法线与入射光线组成的面；光波振动面电场矢量与入射光线组成的平面；方位角振动面与入射面的交角；光矢量的分量：
入射面p分量记：
Ep入射面s分量记：
Es,名词与约定：
菲涅耳公式,利用电磁场的边界条件可以导出表示入射波、反射波、折射波的振幅和相位关系的公式，即菲涅耳公式。
菲涅耳公式是在特定的场矢量取向下推得的，我们先要规定电磁场的方向。
规定：
s波,由边界条件式，有：
（H分量在切面上连续）,（E分量在切面上连续）,
（1）,
（2）,由
（2）（3）得：
（3）,（4）,又,代入（4）有：
（5）,将
（1）代入（5）式，有,则，s波的振幅反射系数rs和振幅透射ts系数可写为：
上述两式称为s波的菲涅耳公式。
它们是研究光反射和薄膜光学的基本公式。
（4）,除了铁磁质外，大多数物质只有很弱的磁性，可以认为,则上述公式可以简化为：
由折射定律，有：
p波,由边界条件式，有：
（H分量在切面上连续）,（E分量在切面上连续）,
（1）,
（2）,由
（2）（3）得：
（3）,（4）,又,代入（4）有：
（5）,将（5）代入
（1）式，有,则，p波的振幅反射系数rp和振幅透射tp系数可写为：
若,，则上述公式可以简化为：
由折射定律，有：
反射和折射时的振幅关系,即s波、p波（根据菲涅耳公式）随入射角1的变化规律。
以相对折射率n=1.5和n=1/1.5为例。
相对折射率,反射比和透射比,设入射波、反射波和折射波的光强分别为、，则界面上单位面积的光能为：
入射波,反射波,折射波,反射波与入射波能流之比：
折射波与入射波能流之比：
（）,若不考虑能量损失，则有,由菲涅耳公式，可得：
同样根据能量守恒定律，有,6.3.1测温原理,
（1）s波和p波的反射比之间的关系,从菲涅耳公式得到的图中曲线可以看出：
只有在10和90时，p=s，,其它角度入射时，总有p=s。
可以证明，当入射角145时，存在下面关系：
p=2s,p=2s偏振光测温的理论基础。
（2）s波和p波的辐射强度,式中，LB波长，温度T下的黑体辐射强度。
则有：
当以45入射时，有p=2s，代入该式，得：
可以通过测量s波和p波的能量，得到s波反射率s，进而得到p波反射率p，,从而计算出s波发射率1-s，p波发射率1-p，以及表面温度T。
6.3.3测量装置,A被测点，钨丝灯，外面由球形玻璃密封，可绕A点选转，旋转轴通过光学系统轴线。
O1、O2物镜1和物镜2，用于将被测点A的像以1:
1成像于C点。
PF偏振片，产生s和p偏振光。
CF滤光片，产生单色光。
D光阑，控制光束宽窄。
O3目镜，将光线平行入射到探测器M上。
M探测器；G电流计。
6.3.4该装置用于发射率测量结果,通常给出都是物体法向方向的发射率：
1-0,本方法的法向发射率公式按下面公式计算（45）：
1-（s+p）/2,6.4多光谱辐射测温,为了实现目标表面真实温度的测量，早在二十世纪20年代就开始研究比色高温计，此法对灰体材料是比较有效的，但对于一般非灰体材料灰造成较大误差。
1954年Pyatt建议使用3个波长的比色温度计，以得到发射率与波长的关系；1964年Reynolds总结了早期多色（主要为比色）测温的情况，对单色、比色及三色（比色思想）的精度进行了分析和比较；到70年代末80年代初兴起了多光谱辐射测温技术的研究热潮。
研究工作主要有两个方面：
多光谱辐射测温理论的研究；多光谱辐射温度计研制。
6.4.1多光谱辐射测温法的理论,
（1）多光谱辐射测温法数学模型的建模方法,基于检定常数的数学模型,若多波长温度计有n个通道，则第i个通道的输出信号Vi可表示为：
（i=1,2,n）
（1）,A只与波长有关，而与温度无关的检定常数；它与该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透过率、几何尺寸以及第一辐射常数有关；（i,T）温度T时的目标光谱发射率。
式中，,用维恩公式代替普朗克公式，将上式改写为：
（i=1,2,n）
（2）,对于n个通道的多波长温度计来说，共有n个方程，却包含（n+1）个未知量，即目标真温T和n个光谱发射率（i,T），如果不在理论或实验上找出它们之间的关系，此问题难以解决。
在多波长辐射测温学领域被普遍认可的一种假设是认为光谱发射率随波长的变化而变化，可表达如下：
（,T）可以用含有（n-1）个可调参数的波长函数代替，对于n个不同波长下的辐射通量进行测量，因而可以解出（n-1）个可调参数以及目标真温T。
目前一些著名的假设方程有：
（3-1）,（mn-2）（3-2）,（3-3）,（3-4）,（3-5）,将（3）式中的任意一个代入公式
（2），就可以得到n个新的方程，而未知数的个数少于或等于n，因此可以通过曲线拟合法或求解方程法来获得目标真温和光谱发射率。
将
（2）式改写：
以（3-2）为例，代入上式，,记：
则原式改写为：
可通过最小二乘的多元回归法求出各项系数a0，a1，am+1，进而可以求出目标真温T和光谱发射率（i,T）。
*此种方法需要预先标定好各通道的检定常数A，A的标定过程较复杂，且其准确与否会直接影响到计算结果。
基于亮度温度的数学模型,若有n个通道，则第i个通道的亮温Ti与目标真温T的关系为：
（4）,整理，得：
以（3-2）为例，代入上式，,记：
则原式改写为：
*此种方法需要预先标定好各通道的亮度温度，其标定过程费时，且增加了一次误差积累，其准确与否会直接影响到计算结果。
基于参考温度的数学模型,多波长温度计第i个通道的输出信号Vi为：
则，在定点黑体参考温度T下，第i个通道的输出信号Vi为：
【此时】（5）,由
（2）、（5）式，可得：
整理，可得：
以（3-2）为例，代入上式，,记：
则原式改写为：
*此种方法只需测量任一参考温度T下各通道的输出即可，只要在测量过程中参考温度T稳定，则不论参考温度选为何值，都不会影响真温T及光谱发射率（i,T）的计算结果。
（2）小结,研究表明：
固定发射率假设模型对某些材料有较好的计算结果，但并非适合所有材料，说明发射率与波长假设模型的选取至关重要。
需进一步研发可变发射率与波长假设模型的多光谱辐射测量数据的处理方法。
6.4.2多光谱辐射测温仪器,
（1）典型仪器,滤光片阵列分光式多波长高温计,目标经主物镜L1成像在视场光阑FS上，经L2透镜产生平行光线，再通过孔径光阑LA投射到滤光片阵列F1F6上，入射角选为10,6个相同透镜L3L8把通过滤光片的光线分别聚焦在6个探测器D1D6上，6个探测器中，前3个位硅探测器，后3个位锗探测器。
Gardner等1980年研制成功。
六个工作波长：
0.75、0.89、1.0、1.27、1.55、1.7m带宽：
0.070.09m。
光导纤维束分光式多波长高温计,是近年来使用最多的一种方案，它的特点在于几乎可以完全应用单波长高温计的成功经验，便于制造及调试。
L1为主物镜，FS1为第一视场光阑，L3为场镜，FB为分光用光导纤维束，L4为准直物镜，F为干涉滤光片，D为光电探测器，M1、M2为平面反射镜，W为衰减滤光片转轮。
六个工作波长为：
0.5、0.6、0.68、0.8、0.96、1.04m,半反半透分光式多波长测温装置,出现在早期，因为容易在光机平台上组合得到。
六个工作波长为：
0.254、0.31、0.37、0.45、0.5、0.8m。
目标产生的辐射能经反射镜M1入射到高温计物镜L1、L2上，之后光线经过一系列的半反半透分光器达到光电倍增管和两个光电二极管阵列上。
（2）棱镜分光式多波长高温计,三种典型仪器分别代表种不同的分光方案，有以下缺点：
第二、三种仪器最后抵达探测器的能量（不考虑滤光片衰减）只是目标能量的n（通道数）分之一，这不利于提高仪器的信噪比；三种方案都要使用干涉滤光片，能量进一步衰减，另一方面，滤光片的引入，其透过率随温度、湿度及时间变化，造成仪器不稳定；大部分仪器尚属实验装置，无法满足各种现场应用场合；现有仪器最多波长数为6个，适用性及可选择性较差。
棱镜分光式多波长高温计,L1为主物镜；L2为准直物镜与孔径光阑；P为组合色散棱镜；L3为暗箱物镜；M为反射镜；A为探测器阵列；L4为目镜；FS为视场光阑与反射镜。
取样系统,主物镜L1、视场光阑FS与位于准直物镜L2上的孔径光阑构成取样系统，主物镜可以用手柄前后移动来调焦，即将入窗调至被测物面上，或者说将被测物的像调到视场光阑面上来。
分光系统,分光系统应具有足够大的色散角，因为分光后的光谱线的使用段（0.51m）必须覆盖全部探测器阵列，如果色散角小，则必须用长焦距的暗箱物镜，这样仪器的尺寸就会很大；光谱线的使用段应尽可能依次分布在同一平面上，以便与探测器阵列面重合；,光谱线的使用段的色散角与波长的关系应尽量地为线性关系，这样每个探测器单元可接收大致同样宽的波段范围（）内的辐射能；光谱线的使用段内的每条谱线要求有一定的成像质量；分光系统的辐射能在传递过程中的损耗越小越好；分光系统产生杂光越小越好；分光系统的性能应不随时间而改变；工艺难度与成本要低。
结构失调的敏感性与可能性应越少越好；,分光系统,6.5激光吸收法,在90年代，该测量方法在英国得到发展，最先开展激光吸收法真温辐射测量的是DeWitt和Kunz。
6.5.1激光吸收法测量的原理,采用两束不同波长的激光分时地入射到被测目标表面，调整两激光的功率比使得两激光引起的目标表面温升相等。
测量两束激光的功率比就得到目标表面的在两波长下的吸收率比。
根据基尔霍夫定律，两波长下的吸收率比等于两波长下的发射率比。
当关闭激光后，物体表面在两激光波长下的辐射比被辐射测温仪测量，代入发射率比就可由比色高温计公式计算出物体真温。
激光吸收辐射测量仪实际上是进行测量发射率比和比色高温计测温两个步骤，它在辐射测温领域突破了不破坏温场是辐射测温的优势的传统思想。
6.5.2激光免发射率测温技术,激光免发射率测量技术是激光吸收法的一个分支，英国NPL首先进行了研究。
辐射测温仪的主要设计步骤,被测物体：
材料发射率测温范围：
1001200环境温度：
100200测温环境：
CO2和H2O蒸汽目标距离与尺寸：
测温精度：
响应时间：
安全等级：
具有防爆（煤气）功能,
（1）明确需求与工作条件,
（2）测温仪元件的选择与参数设计,工作波段的选择
（1）大气窗口避开CO2和H2O蒸汽对能量的吸收大气窗口：
1.41.85、22.5、3.34、8-14m
（2）测温范围，选取工作波段,
（2）测温仪元件的选择与参数设计,探测器的选择,对各种波长都有响应;不需要冷却;,响应速度快;斩波,透镜材料选择,透过波段、折射率、硬度、熔点、比热、导热率、热稳定性、膨胀系数、溶解度、价格等。
透镜的参数设计,（3）能量与系统输出计算,K热电转换系数;,F接受元件与被测物体间的形状系数；,被测物体发射率；,被测物体发射率；,Rm接收元件光谱灵敏度极大值；,1第一个光学元件透过率；,n第n个光学元件透过率；,S相对光谱灵敏度；,（4）信号处理与显示,（5）标定,
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