红外辐射测温理论第06章.ppt
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第六章第六章真实温度测定真实温度测定通常必须知道物体的材料发射率通常必须知道物体的材料发射率(黑度系数黑度系数),才可求得物体,才可求得物体真实温度。
真实温度。
物体的物体的材料发射率材料发射率与其与其组份、表面状态、波长、温度组份、表面状态、波长、温度有关。
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。
测量物体真温是辐射测温领域中重要而困难的研究课题。
发射率修正法发射率修正法逼近黑体法逼近黑体法测量反射率法测量反射率法偏振光法偏振光法反射信息法反射信息法多光谱辐射测温法多光谱辐射测温法6.1概述常用方法有:
常用方法有:
(11)发射率修正法)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。
在线变化及随温度不同而改变,因此,该方法的精度不高。
(22)减小发射率影响法)减小发射率影响法(或称逼近黑体法或称逼近黑体法)即利用一定措施使被测表面的有效发射率增加且接近即利用一定措施使被测表面的有效发射率增加且接近11。
常用的。
常用的方案如图所示。
图方案如图所示。
图11为收集辐射反射法,它适于大平板物体,如为收集辐射反射法,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。
图过高的温度。
图22为特制试样法,常常用于科学实验中,由于要为特制试样法,常常用于科学实验中,由于要破坏试样,不适于生产过程。
破坏试样,不适于生产过程。
(33)为辅助源法)为辅助源法(或称测量反射率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。
图或散射信息,进而得到物体发射率和温度。
图为为GardnerGardner典型仪器,由石英碘灯发出的光线典型仪器,由石英碘灯发出的光线被调制后被调制后(频率为频率为f)以以1010入射角入射到目标入射角入射到目标上上,其镜反射光线和目标辐射光线一起通过调,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制盘外圈光栏变成2f2f调制光,经滤光片后到达调制光,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,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。
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。
但此方法仅适于抛光金属表面。
(44)偏振光法)偏振光法该方法是应用抛光金属表面纯镜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反射时两个偏振分量强度比与物体反射率关系。
射率关系。
式中,式中,Ip、In分别表示光线的水平和垂直分别表示光线的水平和垂直偏振分量,偏振分量,I为光线强度,为光线强度,ns为物面垂直为物面垂直分量的镜反射率。
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,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。
适用于抛光金属表面。
(55)反射信息法)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。
息,最后得到真实温度。
(66)多光谱辐射测温法)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。
与前谱发射率。
与前55种方法相比,该方法不需辅助设备和附加信息,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。
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被围表面有效发射率一个凸的或平的表面一个凸的或平的表面,其热力学,其热力学温度为温度为T1,表面积为,表面积为A1,被另一个热,被另一个热力学温度为力学温度为T2,表面积为,表面积为A2的表面的表面所所包围,它们形成一个封闭的腔体。
包围,它们形成一个封闭的腔体。
根据有效辐射公式有:
根据有效辐射公式有:
式中,式中,和和Q1分别为表面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。
的黑体全辐射功率和从该表面出来的辐射热流。
和和Q2分别为表面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。
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:
两表面的辐射换热量为:
换热只在两个面之间进行,换热只在两个面之间进行,在稳定的情况下,有:
在稳定的情况下,有:
因此,因此,若若设T1=T2,则此此时有有Q1-2=0,可以求出:
,可以求出:
通常通常仪表在使用中,表在使用中,在下面的在下面的计算中算中忽略了表面忽略了表面的固有的固有辐射射。
根据有效发射率的定义:
根据有效发射率的定义:
可求得两种形式表达的表面可求得两种形式表达的表面的有效发射率:
的有效发射率:
式中,式中,为表面为表面的材料发射率;的材料发射率;为表面为表面的反射率;的反射率;1和和2分别为表面分别为表面、的吸收率。
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面上的有效发射率由、和和A1/A2三个参数确定,讨论:
三个参数确定,讨论:
封闭腔体由两个无穷大平行平壁组成,即封闭腔体由两个无穷大平行平壁组成,即A1/A2=1说明:
说明:
只适用于由两个无限大平行平壁所组成的空腔,而不只适用于由两个无限大平行平壁所组成的空腔,而不适用于表面适用于表面为凹面时的情况。
为凹面时的情况。
被测表面材料发射率被测表面材料发射率越大,则其有效发射率也越大。
越大,则其有效发射率也越大。
当当0.6时,被测的高温表面在反射器作用下可以获得非时,被测的高温表面在反射器作用下可以获得非常近似于常近似于1的有效发射率。
的有效发射率。
半球反射器的反射率半球反射器的反射率趋近于趋近于1可以看出,当可以看出,当值趋近于值趋近于1时,只要被围表面发射率不为零,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。
这说明:
半球反射器内表面的反射率趋近于的反射率趋近于l的程度,是造成被围表面有效发射率近于的程度,是造成被围表面有效发射率近于1的的关键问题之一。
关键问题之一。
冷包壳内表面发黑时,即冷包壳内表面发黑时,即2=1可得,可得,高温表面被内表面黑度很大的冷包壳包围时,高温表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。
面上的有效辐射非常接近于该表面的固有辐射。
表明:
表明:
包壳很大,即包壳很大,即A1/A20可得,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。
面上的能量几乎等于零。
6.3偏振光法该方法是由德国人该方法是由德国人Tingwaldt提出,美国人提出,美国人Murray研究的。
研究的。
此方法仅适用于抛光金属表面。
此方法仅适用于抛光金属表面。
6.3.16.3.16.3.16.3.1菲涅耳公式菲涅耳公式菲涅耳公式菲涅耳公式光波的复数形式:
光波的复数形式:
该方法是基于菲涅耳公式。
该方法是基于菲涅耳公式。
电磁场边界条件:
电磁场边界条件:
建立两种介质界面两边场量的关系。
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在两电介质分界面上的反射和折射光波入射面光波入射面法线与入射光线组成的面;法线与入射光线组成的面;光波振动面光波振动面电场矢量与入射光线组成的平面;电场矢量与入射光线组成的平面;方位角方位角振动面与入射面的交角;振动面与入射面的交角;光矢量的分量:
光矢量的分量:
入射面入射面p分量分量记:
记:
Ep入射面入射面s分量分量记:
记:
Es名词与约定:
名词与约定:
菲涅耳公式菲涅耳公式利用电磁场的边界条件可以导出表示利用电磁场的边界条件可以导出表示入射波入射波、反射波反射波、折射波折射波的的振幅振幅和和相位相位关系的公式,即菲涅耳公式。
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,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。
我们先要规定电磁场的方向。
规定:
规定:
、的正向由右手螺旋关系给出。
的正向由右手螺旋关系给出。
入射面内的入射面内的s波波、的正向沿的正向沿y轴方向;轴方向;s波波由边界条件式,有:
由边界条件式,有:
(H分量在切面上连续)分量在切面上连续)(E分量在切面上连续)分量在切面上连续)
(1)
(2)由(由(22)()(33)得:
)得:
(3)(4)又又代入代入(4)(4)有:
有:
(5)将(将
(1)代入()代入(5)式,有)式,有则,则,s波的振幅反射系数波的振幅反射系数rs和振幅透射和振幅透射ts系数可写为:
系数可写为:
上述两式称为上述两式称为ss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。
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:
则上述公式可以简化为:
由折射定律,有:
由折射定律,有:
p波波由边界条件式,有:
由边界条件式,有:
(H分量在切面上连续)分量在切面上连续)(E分量在切面上连续)分量在切面上连续)
(1)
(2)由(由(22)()(33)得:
)得:
(3)(4)又又代入代入(4)(4)有:
有:
(5)将(将(5)代入()代入
(1)式,有)式,有则,则,p波的振幅反射系数波的振幅反射系数rp和振幅透射和振幅透射tp系数可写为:
系数可写为:
若若,则上述公式可以简化为:
,则上述公式可以简化为:
由折射定律,有:
由折射定律,有:
反射和折射时的振幅关系反射和折射时的振幅关系即即s波、波、p波(根据菲涅耳公式)随入射角波(根据菲涅耳公式)随入射角1的变化规律。
的变化规律。
以相对折射率以相对折射率n=1.5和和n=1/1.5为例。
为例。
n=1.5n=1/1.5相对折射率相对折射率反射比和透射比反射比和透射比设入射波、反射波和折射波的光强分别为设入射波、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:
则界面上单位面积的光能为:
入射波入射波反射波反射波折射波折射波反射波与入射波能流之比:
反射波与入射波能流之比:
折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,则有若不考虑能量损失,则有由菲涅耳公式,可得:
由菲涅耳公式,可得:
同样根据能量守恒定律,有同样根据能量守恒定律,有n=1.5n=1/1.56.3.16.3.16.3.16.3.1测温原理测温原理测温原理测温原理(11)ss波和波和pp波的反射比之间的关系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:
从菲涅耳公式
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