红外辐射测温理论第06章

（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。
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Ⅰ，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Ⅱ 所包围，它们形成一个封闭的腔体。 根据有效辐射公式有：
J 1 A1 A1 Eb T1 1 1 Q1 1
② p波 由边界条件式，有： （E分量在切面上连续）
' ' E1 p cos1 E1 cos p 1 E2 p cos 2 （1）
（H分量在切面上连续）
' H1s H1 s H2 s
（ 2）
1 B k0 E k0 E 1 1 H k E H E p （ 3） v 0 s ∵ v v B H 1 1 1 ' E E E2 p ∴ 由（2）（3）得： （ 4） 1p 1p 1v1 1v1 2v2
A1 1 1 1 A2 2 eff 1 A1 1 1 1 A2 2
A1 1 A2 1 eff 1 A1 A2 1
1
2
1
2
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。
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：
1 2 0
rs
n1 cos1 n2 cos 2 n1 cos1 n2 cos 2
ts
2n1 cos1 n1 cos1 n2 cos 2
1 J 2 A2 A2 E b T2 1 Q2 2
式中， Eb T1 和Q1分别为表面Ⅰ的黑体全辐射功率和从该表面出来的辐射热流。
Eb T2 和Q2分别为表面Ⅱ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：
Q1 2 A1J1 F21 A2 J 2
1 1 1 ' ' E1s cos1 E1 cos E2 s cos 2 （4） s 1 1v1 1v1 2v2
v1 n2 n n ' ' 又∵ 代入(4)有： 1 E1s cos1 E1s cos1 2 E2 s cos 2 （5） v 2 n1 1 2
∴在下面的计算中忽略了表面Ⅱ的固有辐射。
根据有效发射率的定义：
1 J 1 A1 A1 Eb T1 1 Q1 1 A E T F21 A2 Eb T2 Q1 2 1 b 1 1 1 可求得两种形式表达的表面Ⅰ的有效发射率： F21 1 1 2
②半球反射器的反射率趋近于1
A1 1 A2 1 eff 1 A1 A2 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。
由折射定律，有：
sin 2 cos 1 sin1 cos 2 sin 2 1 rs sin 2 cos 1 sin1 cos 2 sin 2 1 2 sin 2 cos 1 2 sin 2 cos 1 ts sin 2 cos 1 sin1 cos 2 sin 2 1
（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。
③冷包壳内表面发黑时，即2=1
A1 1 1 1 A2 2 eff 1 A1 1 1 1 A2 2
可得， eff 表明： 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。
第六章 真实温度测定
6.1 概述
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。 常用方法有： 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
源自文库
eff
表面的有效辐射 该 表 面 在 同 温 度 下 的体 黑辐 射
A1 1 1 1 A2 2 eff 1 A1 1 1 1 A2 2
A1 1 A2 1 eff 1 A1 A2 1
式中，为表面Ⅰ的材料发射率；为表面Ⅱ的反射率； 1和2分别为表面Ⅰ、Ⅱ的吸收率。
A1 1 1 1 A2 2 eff 1 A1 1 1 1 A2 2
A1 1 A2 1 eff 1 A1 A2 1
② 光波振动面 — 电场矢量与入射光线组成的平面；
③ 方位角α — 振动面与入射面的交角；
④ 光矢量的分量： ∥入射面——p分量 记：Ep ⊥入射面——s分量 记：Es
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： 入射面内的 s 波 E s、 H s 的正向沿 y 轴方向； Ep 、 H p 的正向由右手螺旋关系给出。
① s波 由边界条件式，有： （E分量在切面上连续）
' E1s E1 s E2 s
（ 1）
（H分量在切面上连续）
' ' H1 p cos1 H1 cos p 1 H2 p cos 2 （2）
1 B k0 E k0 E 1 1 k0 E H p E s （ 3） v H ∵ v v B H 1 1 1 ' ' E cos E cos E2 s cos 2 （4） ∴ 由（2）（3）得： 1s 1 1s 1 1v1 1v1 2v2
将（1）代入（5）式，有
E1s E E2 s （ 1 ）
' 1s


1
n1
n1
E
' E 1s 1 s cos1

2
n2
E
' E 1s 1 s cos 2


E 1 E1 s n1
' 1s
cos 1 cos 1
2 2
n2
n2
cos 2 cos 2
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： ①封闭腔体由两个无穷大平行平壁组成，即A1/A2=1
eff
1 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Ⅱ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。
∵换热只在两个面之间进行，∴在稳定的情况下，有： Q1 2 Q1 Q2 因此，
Q1 2 A1 Eb T1 F21 A2 Eb T2 1 1 F21 1 1 2
F21 A1 A2
若设T1=T2，则此时有Q1-2=0，可以求出： 通常仪表在使用中， T14 T24
6.3.1菲涅耳公式
光波的复数形式：
i k E Ae r t
电磁场边界条件：
D1n D2 n E1t E2 t
B1n B2 n H 1t H 2 t
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
名词与约定：
① 光波入射面 — 法线与入射光线组成的面；
A1 1 1 1 A2 2 eff 1 A1 1 1 1 A2 2
A1 1 A2 1 eff 1 A1 A2 1
（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。
Ip In 1 sn
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，ρns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。
④包壳很大，即A1/A20 可得， eff 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。 该方法是基于菲涅耳公式。
A1 1 1 1 A2 2 eff 1 A1 1 1 1 A2 2
A1 1 A2 1 eff 1 A1 A2 1
1
则，s 波的振幅反射系数 rs 和振幅透射 ts 系数可写为： n1 n1 n2 2 cos 1 cos cos 1 2 ' ' A2 s E 2 s A1 s E1 s 1 1 2 t rs s n n2 A1 s E1 s n1 A1 s E1 s n1 cos 1 2 cos 2 cos 1 cos 2
（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。