非接触式测温仪表.pptx

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1、一、测温基本原理一、测温基本原理 1.1.准备知识准备知识 辐射辐射 热辐射热辐射 辐辐射射出出射射度度 指指物物体体单单位位表表面面积积在在单单位位时时间间内内所所发发射射的的全全部部波波长长范范围围的的辐辐射射能能量量的的总总和和，并并以以符符号号M M表示。表示。光光谱谱辐辐射射出出射射度度 物物体体单单位位表表面面积积单单位位时时间间内内在在波波长长处处的的dd波波段段内内所所辐辐射射的的能能量量为为dMdM，则则把把 称为称为 物物体体在在波波长长处处的的光光谱谱辐辐射射出出射射度度（又又称称单单色色辐辐射射出射度）。出射度）。黑体、白体、透体、黑度（发射率）黑体、白体、透体、黑度（

2、发射率）辐辐射射温温度度探探测测器器所所能能接接收收的的热热辐辐射射波波段段约约为为0.30.34040m m，属于可见光和红外线的波长范围。，属于可见光和红外线的波长范围。第1页/共33页 辐辐射射出出射射度度M M与与光光谱谱辐辐射射出出射射度度M M之之间间存存在在如下关系：如下关系：2.2.热辐射的基本定律热辐射的基本定律(1)(1)普朗克公式定律普朗克公式定律 普普朗朗克克定定律律给给出出了了全全辐辐射射体体的的光光谱谱辐辐射射出出射射度度与与温温度度的的关关系系，这这是是光光学学高高温温计计和和光光电电高高温温计计等等的理论基础。的理论基础。第2页/共33页 在在温温度度T T30

3、00K3000K和和可可见见光光波波长长（波波长长较较小小）范范围，该公式可以简化成维恩公式围，该公式可以简化成维恩公式 对实际物体对实际物体式中式中 M M实际物体的光谱辐射出射度；实际物体的光谱辐射出射度；实实际际物物体体在在波波长长下下的的光光谱谱发发射射率率（光光谱谱黑度）。黑度）。第3页/共33页（2 2）斯忒藩一玻尔兹曼定律）斯忒藩一玻尔兹曼定律 可可见见，全全辐辐射射体体的的辐辐射射出出射射度度M M0 0 是是温温度度的的单单值值函数，二者一一对应，这是辐射高温计的理论依据。函数，二者一一对应，这是辐射高温计的理论依据。实际物体的全辐射出射度为实际物体的全辐射出射度为 M MM

4、M0 0TT4 4 式中式中 M M实际物体的全辐射出射度；实际物体的全辐射出射度；实际物体的全辐射发射率（发射率）。实际物体的全辐射发射率（发射率）。实实际际物物体体的的光光谱谱发发射射率率和和发发射射率率均均小小于于1 1，各种物体的各种物体的和和值一般只能通过实测求得。值一般只能通过实测求得。第4页/共33页 3.3.辐射测温的常用方法辐射测温的常用方法 辐射测温一般有下面三种方法：辐射测温一般有下面三种方法：（1 1）亮度测温）亮度测温 它是通过测量目标在某一波段的辐射亮度来获得目标的它是通过测量目标在某一波段的辐射亮度来获得目标的温度。按这种方法工作的测温仪表称为亮度测温仪，它所测温

5、度。按这种方法工作的测温仪表称为亮度测温仪，它所测出的温度是目标的亮度温度。出的温度是目标的亮度温度。（2 2）全辐射测温）全辐射测温 它是通过测量物体发出的全辐射能量（它是通过测量物体发出的全辐射能量（=0=0）来测量）来测量物体的温度。按这种方法工作的测温仪表称为辐射测温仪，物体的温度。按这种方法工作的测温仪表称为辐射测温仪，它所测出的是目标的辐射温度，在数值上它完全遵从斯忒藩它所测出的是目标的辐射温度，在数值上它完全遵从斯忒藩-玻耳兹曼定律的四次方关系。玻耳兹曼定律的四次方关系。（3 3）比色测温）比色测温 所谓比色测温，就是利用两组（或多组）带宽很窄的不所谓比色测温，就是利用两组（或多

6、组）带宽很窄的不同单色滤光片，搜集两个（或多个）相近波段内的辐射能量，同单色滤光片，搜集两个（或多个）相近波段内的辐射能量，转换成电信号后在电路上进行比较，由此比值确定目标温度。转换成电信号后在电路上进行比较，由此比值确定目标温度。按这种方法工作的测温仪表称为比色测温仪，它所测出的是按这种方法工作的测温仪表称为比色测温仪，它所测出的是目标的比色温度。目标的比色温度。第5页/共33页 二、光学高温计二、光学高温计 1.1.理论依据：理论依据：普朗克定律。普朗克定律。在可见光的波长范围（在可见光的波长范围（0.350.350.75m0.75m）内，）内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，辐射高温

7、物体的热辐射以光的形式表现出来，辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。在某一的强度与光的亮度之间有一定的关系。在某一波长下的光谱辐射亮度（又称单色亮度）与同波长下的光谱辐射亮度（又称单色亮度）与同一波长下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射一波长下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射体其关系为体其关系为 对实际物体有对实际物体有第6页/共33页 结结论论：在在可可见见光光波波长长范范围围内内的的某某一一波波长长下下，对对一一个个确确定定的的物物体体（可可近近似似认认为为已已固固定定不不变变），其其光光谱谱辐辐射射亮亮度度（即即单单色色亮亮度度）与与温温度度之之间间存存在在单单值对应关系。利用这个性质即

8、可测温。值对应关系。利用这个性质即可测温。但但直直接接测测光光谱谱辐辐射射亮亮度度较较难难实实现现，光光学学高高温计采用了的亮度比较的方法。温计采用了的亮度比较的方法。2.2.结构结构 国国产产WGGZWGGZ型型光光学学高高温温计计是是一一种种使使用用较较广广的的隐丝式光学高温计。隐丝式光学高温计。由光学系统与电气系统两部分组成。由光学系统与电气系统两部分组成。光光学学系系统统包包括括物物镜镜、目目镜镜、灯灯泡泡、红红色色滤滤光光片、灰色吸收玻璃等。片、灰色吸收玻璃等。电电气气系系统统包包括括灯灯泡泡、电电源源、调调整整电电阻阻及及测测量量线路。线路。第7页/共33页 l l一物镜；一物镜；

9、2 2灰色吸收玻璃；灰色吸收玻璃；3 3一灯泡；一灯泡；4 4一目镜；一目镜；5 5一红色滤光片；一红色滤光片；6 6一显示仪表一显示仪表思考：红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？思考：红色滤光片和灰色吸收玻璃的作用是什么？第8页/共33页 光光学学高高温温计计必必须须在在某某一一定定的的波波长长下下进进行行单单色色亮亮度度比比较较。光光学学高高温温计计采采用用红红色色滤滤光光片片与与人人眼眼构构成成了了“单单色色器器”，使使人人眼眼只只能能观观察察到到波波长长为为0.60.60.7m0.7m范范围围的的红红色色可可见见光光（如如图图阴阴影影部部分分），其其平平均均波波长长约约为为0 0.6

10、6m.66m。人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围。人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围 1 1一人眼相对视见函数曲线一人眼相对视见函数曲线；2 2一红色滤光片光谱透过率曲线一红色滤光片光谱透过率曲线第9页/共33页 灰色吸收玻璃的作用：灰色吸收玻璃的作用：光光 学学 高高 温温 计计 采采 用用 的的 是是 钨钨 丝丝 灯灯 泡泡，当当 温温 度度 高高 达达14001400时时，钨钨丝丝会会发发生生升升华华使使灯灯泡泡的的性性能能改改变变。这这就就限制了光学高温计的测温上限。限制了光学高温计的测温上限。光光学学高高温温计计附附加加了了灰灰色色吸吸收收玻玻璃璃，单单色色光光透透过过这这种玻璃时其

11、吸收作用会使亮度减弱。种玻璃时其吸收作用会使亮度减弱。在在结结构构上上把把灰灰色色玻玻璃璃置置于于物物镜镜与与灯灯丝丝之之间间，这这样样人人眼眼观观察察到到的的是是灯灯丝丝的的亮亮度度和和被被灰灰色色玻玻璃璃削削弱弱了了的的被被测测物物体体的的亮亮度度,在在灯灯丝丝温温度度不不超超过过14001400的的情情况况下下能能测测量量更高的温度。更高的温度。第10页/共33页 灯丝与物像亮度比灯丝与物像亮度比（a a）灯灯丝丝亮亮度度低低（b b）灯灯丝丝亮亮度度偏偏高高（c c）灯灯丝丝和和物物象象亮亮度度一致（灯丝隐灭）一致（灯丝隐灭）光学高温计的优点：光学高温计的优点：结构简单、测温上限高、结

12、构简单、测温上限高、在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点。在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点。缺点：缺点：亮度比较的判断及调整均要人工进行，亮度比较的判断及调整均要人工进行，不能连续自动进行测量，同时带来人员的主观误不能连续自动进行测量，同时带来人员的主观误差。另外，由于人眼只能看到可见光，这限制了差。另外，由于人眼只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于被测物体的温度不能低于700700。第11页/共33页3.3.光学高温计的几个有关问题光学高温计的几个有关问题 :(1(1）亮度温度与示值的修正）亮度温度与示值的修正 “亮亮度度温温度度”的的概概念念：如如全全辐辐射射体体

13、的的单单色色亮亮度度与与温温度度为为T T的的实实际际物物体体的的单单色色亮亮度度相相等等，则则全全辐辐射射体体的的温温度度称称为为该该实实际际物物体体的的亮亮度度温温度度，并并以以T Ts s表表示示。根根据据亮亮度度温温度度的定义，可推导物体实际温度的定义，可推导物体实际温度T T与其亮度温度的关系：与其亮度温度的关系：由于由于 L L=L=L00即即 经整理可得经整理可得 因为一般物体因为一般物体1 1，所以，所以 T TT Ts s 。第12页/共33页 光光学学高高温温计计的的标标尺尺是是直直接接按按温温度度刻刻度度的的，即即可可直直接接读读出出温温度度值值，而而且且分分度度是是按按

14、全全辐辐射射体体（即即 =1=1）的的条条件件进进行行的的，因因此此仪仪表表显显示示的的温温度度值值实实际际上上是是在在对对应应亮亮度度下下全全辐辐射射体体的的温温度度，也也即即亮亮度度温温度度T Ts s 。在在测测实实际际物物体体温温度度时时，光光学学高温计的温度示值必须修正高温计的温度示值必须修正.（2 2）影响光学高温计测量精确度的因素）影响光学高温计测量精确度的因素 影影响响光光学学高高温温计计测测量量精精确确度度的的因因素素比比较较多多，主要有以下几个：主要有以下几个：1 1）发射率）发射率的影响的影响 2 2）中间介质的影响）中间介质的影响 3)3)反射光的影响反射光的影响 第1

15、3页/共33页光学高温计第14页/共33页第15页/共33页第16页/共33页三、光电高温计三、光电高温计 光光电电高高温温计计由由光光学学系系统统与与测测量量、放放大大显显示示两两大大部部分分组组成成。这这里里介介绍绍的的国国产产WDLWDL一一3131型型光光电电高高温温计计，其其原原理理系系统图如图所示。统图如图所示。光电高温计具有以下优点。光电高温计具有以下优点。（l l）既既可可在在可可见见光光，又又可可在在红红外外光光波波长长下下工工作作，有有利利于用辐射法测低温；于用辐射法测低温；（2 2）分分辨辨率率高高，光光学学高高温温计计最最高高为为0.50.5，而而光光电电高高温温计可达

16、计可达0.010.010.050.05；（3 3）精精确确度度高高，由由于于采采用用性性能能良良好好的的干干涉涉滤滤光光片片（或或单单色色器器），提提高高了了仪仪表表的的单单色色性性，因因而而不不确确定定度度减减小小。例例如，如，20002000时的不确定度可小到土时的不确定度可小到土0.250.25；（4 4）可连续自动测量，响应快。）可连续自动测量，响应快。第17页/共33页光电高温计的工作原理1-物镜；2-孔径；3，5-孔；4-光电器件；6-遮光板；7-调制片；8-永久磁铁；9-激磁绕组；10-透镜；11-反射镜；12-观察孔；13-前置放大器；14-主放大器；15-反馈灯；16-电位差

17、计；17-被测物体第18页/共33页四、辐射高温计四、辐射高温计 1.1.原理：原理：物体的辐射出射度与其温度的关系为物体的辐射出射度与其温度的关系为 M=TM=T4 4 对对确确定定的的物物体体，可可近近似似认认为为其其发发射射率率为为定定值值，那那么么M M与与T T将将呈呈单单值值对对应应关关系系，测测出出辐辐射射出出射射度度M M与与其其发发射率射率即可知其温度。辐射高温计能连续自动测温。即可知其温度。辐射高温计能连续自动测温。2.2.组组成成：辐辐射射高高温温计计由由辐辐射射传传感感器器和和显显示示仪仪表表组组成成，辐辐射射传传感感器器又又由由光光学学系系统统与与辐辐射射变变换换器器

18、两两部部分分构构成成。前前者者的的作作用用是是接接收收并并聚聚集集辐辐射射能能；后后者者把把辐辐射射能能转转换换成成相相应应的的电电信信号号以以便便由由显显示示部部分分直直接接显显示示温温度度值值。光光学学系系统统有有透透射射式式、反反射射式式和和混混合合式式几几类类。辐辐射射变变换换器器主主要要有有热热电电式式和光电式两种。和光电式两种。第19页/共33页辐射感温器的工作原理图热电堆的结构1-透镜；2-可变光阑；3-固定光阑；1-云母片；2-受热靶;4-接收元件面；3-热电偶丝；4-引出线第20页/共33页3.3.辐射高温计的几个有关问题辐射高温计的几个有关问题 （1 1）“辐辐射射温温度度

19、”的的概概念念：若若温温度度为为T T的的物物体体的的辐辐射射出出射射度度与与全全辐辐射射体体在在温温度度T Tp p下下的的辐辐射射出出射射度度相相等等，则则把把全全辐辐射射体体的的温温度度T Tp p称称为为该该物物体体的的辐辐射射温温度度。由此定义可求出被测温度由此定义可求出被测温度T T与辐射温度与辐射温度T Tp p之间的关系：之间的关系：因因 TT4 4=T=Tp p4 4有有第21页/共33页仪表的分度是把被测体作为全辐射体来实现的；仪表的分度是把被测体作为全辐射体来实现的；仪表的示值就是被测物体的辐射温度；仪表的示值就是被测物体的辐射温度；依据被测物体的发射率，利用上面的修正公

20、式对依据被测物体的发射率，利用上面的修正公式对示值进行修正得到被测物体的实际温度。示值进行修正得到被测物体的实际温度。（2 2）影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下：）影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下：1 1）发射率）发射率的影响的影响 2 2）热电堆冷端温度的影响）热电堆冷端温度的影响 3 3）距离系数）距离系数L LD D的影响的影响 补偿光栏结构示意图补偿光栏结构示意图 1-1-光栏；光栏；2-2-双金属片；双金属片；第22页/共33页五、比色高温计五、比色高温计1.1.原理原理 根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测

21、温度的关系，通过测二者的比射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。值进而测知被测温度。根据光谱辐射的维恩公式，同一物体在波长分别根据光谱辐射的维恩公式，同一物体在波长分别为为1 1和和2 2下的光谱辐射出射度的比值为下的光谱辐射出射度的比值为式中式中 M M11、M M22分别为在波长分别为在波长1 1和和2 2下的光谱辐射出射下的光谱辐射出射度；度；11 、22物体在波长物体在波长1 1和和2 2时的光谱发射率；时的光谱发射率；T T物体的温度。物体的温度。第23页/共33页经整理，可得经整理，可得经整理，可得经整理，可得2.2.2.2.比色温度的概念比色温度的概念

22、比色温度的概念比色温度的概念 温温温温度度度度为为为为T T T T的的的的物物物物体体体体在在在在波波波波长长长长1 1 1 1和和和和2 2 2 2下下下下的的的的光光光光谱谱谱谱辐辐辐辐射射射射出出出出射射射射度度度度的的的的比比比比值值值值，与与与与温温温温度度度度为为为为T T T Tc c c c的的的的全全全全辐辐辐辐射射射射体体体体在在在在同同同同样样样样的的的的波波波波长长长长1 1 1 1和和和和2 2 2 2下下下下的的的的光光光光谱谱谱谱辐辐辐辐射射射射出出出出射射射射度度度度的的的的比比比比值值值值如如如如果果果果相相相相等等等等，则则则则把把把把全全全全辐辐辐辐射射

23、射射体体体体的的的的温温温温度度度度称称称称为为为为该该该该物物物物体体体体的的的的比比比比色色色色温温温温度度度度。根根根根据据据据该该该该定定定定义义义义，经经经经过过过过推推推推导导导导可可可可得得得得出出出出物物物物体体体体温度温度温度温度T T T T与它的比色温度与它的比色温度与它的比色温度与它的比色温度T T T Tc c c c的关系为的关系为的关系为的关系为第24页/共33页 3.3.结构结构结构结构 以以WDS-WDS-型比色高温计为例，具体介绍比色高温型比色高温计为例，具体介绍比色高温计的工作原理。计的工作原理。WDSWDS型光电比色高温计的光路系统型光电比色高温计的光路

24、系统1 1一一物物镜镜 2 2一一平平行行平平面面玻玻璃璃 3 3一一回回零零通通孔孔硅硅光光电电池池 4 4一一透透镜镜 5 5一一分分光光镜镜 6 6一一红红外外滤滤光光片片 7 7一一硅硅光光电电池池E E2 2 8 8一一硅硅光光电电池池E El l 9 9一一可可见见光光滤滤光光片片 1010一反射镜一反射镜 1111一倒像镜一倒像镜 1212一目镜一目镜 4.4.特特点点 它它的的测测量量准准确确度度高高，中中间间介介质质的的影影响响小小，可可在恶劣环境下工作。在恶劣环境下工作。第25页/共33页六、红外测温仪六、红外测温仪 红红外外测测温温仪仪是是一一种种测测温温上上限限较较低低

25、的的仪仪表表，可可测测0 0400400范范围围的的温温度度。而而前前面面介介绍绍的的几几种种辐辐射射式式测测温温仪仪表表适于测适于测700700以上的高温。以上的高温。红红外外测测温温仪仪依依据据的的是是光光谱谱辐辐射射原原理理。当当物物体体温温度度较较低低时时，光光谱谱辐辐射射出出射射度度最最高高点点向向波波长长较较长长的的红红外外线线波波长长区区迁迁移移，红红外外测测温温仪仪就就工工作作在在这这个个红红外外线线波波长长区区。它它的原理和结构与辐射高温计、光电高温计相似。的原理和结构与辐射高温计、光电高温计相似。红外测温仪由光学系统、红外探测器、信号处理放红外测温仪由光学系统、红外探测器、

26、信号处理放大部分及显示仪表等部分组成大部分及显示仪表等部分组成。第26页/共33页1.1.红外辐射及其特性红外辐射及其特性 红外辐射又称红外线，它是一种人眼看不见的光红外辐射又称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射是一种电磁波，它的波长范围大致在线。红外辐射是一种电磁波，它的波长范围大致在0.760.76m m到到10001000m m的频谱范围之内，相对应的频率大的频谱范围之内，相对应的频率大致在致在41041014143103101111HzHz之间。之间。第27页/共33页2 2、红外辐射源和红外探测器、红外辐射源和红外探测器（1 1）红外辐射源）红外辐射源 当物体温度高于绝对零度

27、时，就有红外线向周围当物体温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射空间辐射出来，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源。源。（2 2）红外探测器）红外探测器 红外探测器是能够把红外辐射能量的变化为电量红外探测器是能够把红外辐射能量的变化为电量变化的器件。分为变化的器件。分为红外热探测器红外热探测器和和红外光子探测器红外光子探测器 。第28页/共33页 红外热探测器红外热探测器 热电偶型探测器热电偶型探测器 热敏电阻型探测器热敏电阻型探测器 热释电型探测器热释电型探测器 主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，

28、使用方方便。但是，它的响应时间长，灵敏度较低，一般用于红便。但是，它的响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外外辐射变化缓慢场合。辐射变化缓慢场合。红外光子探测器红外光子探测器 光电导（光电导（PCPC）探测器）探测器 光生伏特（光生伏特（PUPU）探测器）探测器 光磁电探测器（光磁电探测器（PEMPEM器件）器件）主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低温下工作，探测波段较窄。但其一般需在低温下工作，探测波段较窄。第29页/共33页3.3.基本原理基本原理 以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系而制成的仪器。工以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系而制成的仪器。工作时，首先把物体发射的红外辐射能量搜集起来转换成电信号。然后，对电信号作时，首先把物体发射的红外辐射能量搜集起来转换成电信号。然后，对电信号进行放大、处理，并利用物体温度与其辐射功率大小（目前都表现为信号电压高进行放大、处理，并利用物体温度与其辐射功率大小（目前都表现为信号电压高低）的一一对应关系，显示出物体温度的测量结果。低）的一一对应关系，显示出物体温度的测量结果。4.4.基本结构基本结构 第30页/共33页第31页/共33页第32页/共33页感谢您的观看！第33页/共33页