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辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域。可见光的光谱很窄，其波长仅为0.3～0.72μm；红外光谱分布相对较广，其波长范围为0.72～1000μm。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.3～40／μm。 自然界中所有物体对辐射都有吸收、透射或反射的能力，如果某一物体在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量，则称此物体为绝对黑体。 根据基尔霍夫定律得知，具有最大吸收本领的物体，在其受热后，也将具有最大的辐射本领。人们称那些对辐射能的吸收（或辐射）除与温度有关外，还与波长有关的物体为选择吸收体；称那些吸收（或辐射）本领与波长无关的物体为灰体。 绝对黑体的吸收系数L0＝1，反射系数β0＝0，理想的绝对黑体在自然界中是不存在的，人们为科学研究和实验所需已研制出吸收系数为0.99±0.01的近似黑体。 绝对黑体在任何温度下都能全部吸收辐射到其表面的全部辐射能；同时它在任意温度向外辐射的辐射出射度（简称辐出度）亦最大；其他物体的辐出度总小于绝对黑体的。在同一温度r，某一物体在全波长范围的积分辐出度M（T） 与绝对黑体在全波长范围的积分幅出度M0（T）之比，称该物体的全辐射率（或称全辐射系数）ε（T），其值在0～1之间。 在任一温度r和某个波长A下，物体在此波长的光谱辐出度M（λ，T）与黑体在此波长的光谱辐出度M0 （λ，T）之比称为光谱（单色）发射率或称光谱发射系数。用ε（λ，T）表示，简写成ελ。 物体光谱发射率的大小，不仅与温度、波长有关，而且取决于物体的材料、尺寸、形状、表面粗糙度等，一个真实物体的辐射系数可表示成
式中，β为物体的反射系数；γ为物体的透射系数。凡β、γ不全为零的物体统称为非黑体。 辐射测温的物理基础是普朗克（Planck）热辐射定律和斯忒藩一玻耳兹曼（Stefan—Boltzman）定律。绝对黑体的光谱辐射亮度L（λ，T）与其波长λ、热力学温度的关系由普朗克定律确定：
式中，λ为物体发出的辐射波长；T为热力学温度；c1＝2πc2h为普朗克第一辐射常量，c1＝3.7418×10-16 W·m2；c2＝hc／k为普朗克第二辐射常量，c2＝1．438 786×10-2m·K。（其中，h为普朗克常数，k为玻耳兹曼常数，c为电磁波在真空中的速度。）如果波长λ与温度T满足c2／（λT）≥1，则可把普朗克公式简化为维恩（Wien）公式。在温度低于3 000 K，对于波长较短的可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差小于1％。
图1 是根据普朗克公式制成的绝对黑体在不同温度下的光谱辐射曲线，每条曲线代表一个固定的温度。 从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长和温度T均满足维恩位移定律：
图1 黑体的光谱辐射曲线 λm·T＝2898（μm·K） （3） 从上式可得：当T＝3 000 K时，λm＝0.966μm，处于红外光区，T＝5 000 K 时，λm＝0.58 μm，处于黄光区；T＝7200K时，λm＝0.4μm，处于紫光区。 上述计算与实际观察是完全吻合的。由维恩位移定律可知，若能测出黑体光谱辐射亮度最大时的对应波长λm，便可方便地得到黑体的温度。工程中，常用的比色温度计就是基于这一原理，通过对黑体光谱辐射亮度的测量实现非接触测温的。 实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系如下式所示： M0（T）＝σT4 （4） 即在单位时间内，由绝对黑体单位面积上辐射出的总能量M0（T）与绝对温度T的四次方成正比。式（4）被称作斯忒藩一玻耳兹曼定律。 式中 σ为斯忒藩一玻耳兹曼常数
k为玻耳兹曼常数；h为普朗克常数；c为电磁波在真空中的速度。 如果将式（4）用辐射亮度表示，则成为
斯忒藩一玻耳兹曼定律表明：绝对黑体总的辐出度或亮度与其热力学温度的四次方成正比。此定律不仅适用于绝对黑体，而且适用于所有非黑体的实际物体。由于实际物体的发射率低于绝对黑体，所以实际物体的辐射亮度公式为
式中，ε（T）为实际物体的全发射率。 综上所述，任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量的基本原理。 |
典型测控系统组成
标度变换
数字滤波方法
测量数据预处理技术
计算机控制系统组成
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GMT+8, 2021-12-6 20:43
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