红外测温新技术
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in troduced. A nd the app lica tion of b lack body rad ia tion’s law is described. Key W ords infra red rad ia tion; b lack body; g ray body
在现代工程技术、科学研究和军事领域中, 红外 测温新技术正在得到越来越广泛的应用. 与一般测温 技术相比, 红外测温技术的突出优点是, 无需与被测 物体接触, 不会破坏被测物体的温度分布; 反应速度 快, 可在几毫微秒内测出目标温度; 灵敏度高, 可分辨 0101℃的温度差; 测温范围广, 从- 170℃到 3200℃ 以上; 操作简便, 安全可靠, 可实现实时观测和自动控 制; 检测距离可近可远, 近者几毫米, 远者可在飞机或 卫星上测量地表温度, 也可在地球上测量月表温度, 这是遥感技术的一个方面; 还可在夜间作业, 进行“夜 视”.
(1)
式中 Ρ= 51670×10- 8W (m 2·K4) 称为斯特藩常量.
在相同温度下, 实际物体在同一波长范围内辐射的功
率总是小于黑体辐射的功率. 也就是说, 实际物体的
单 色辐出度 , (Κ, T ) 小于黑体的单色辐出度 , b (Κ,
T ). 我们把 , wk.baidu.comΚ, T ) 与 , b (Κ, T ) 的比值称为物体的单
工科物理 V o l. 10 N o. 2 2000
63
图 5
图 6
温度值立刻在显示屏上出现. 用于检测冷冻食品温度的红外测温仪已经问世.
冷冻食品发出的红外辐射经红外测温仪显示出温度. 如果温度过高, 红外测温仪立即发出指令报警, 或自 动将温度调低, 以使食品在运输或储存期间始终保持 适宜的低温.
黑体辐射的基本规律是红外辐射理论研究和技 术应用的基础.
斯特藩—玻耳兹曼定律指出, 黑体的辐出度, 即
图 1 黑体辐射频谱 黑体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射功
62
工科物理 V o l. 10 N o. 2 2000
率 , b (T ) 与其热力学温度 T 的四次方成正比:
, b (T ) = ΡT 4
峰. 这种方法还可探测机器部件或固体材料中的裂
图 3 红外探测器的光谱响应曲线 纹、空洞、夹杂等缺陷, 被称为无损探伤术.
图 4 利用红外测温技术可检测火车轴箱 (轴承座) 的 温度. 如果轮轴出现裂缝, 或润滑油不足, 将迅速升温 而过热. 为防止事故发生, 在铁轨两侧的指定地点安 装红外测温仪. 车辆行进中轴承座发出的红外辐射入 射到测温仪的接收器, 聚焦于红外探测器上, 轴箱的
参考文献
[ 1 ] 陈 衡. 红外物理学. 国防工业出版社, 1985. [ 2 ] 由富恩等. 辐射测温原理及检定. 中国计量出版社,
1990. [ 3 ] 张维力, 宋广礼. 热成像. 新时代出版社, 1988. [ 4 ] F. P. Incropera, D. P. D ew iff. Fundam en tals of H eat
据.
2 红外测温技术
红外测温技术的基本装置是红外测温仪, 如图 2 所示. 其中的核心设备是红外探测器. 它是把入射红 外辐射能转变成其它形式能量的能量转换器, 或把红 外辐射能转换成另一种可测物理量的传感器. 按物理 原理分, 红外探测器有两大类: 热探测器和光探测器. 热探测器利用热敏电阻、热电偶或热释电效应装置; 光探测器利用红外光电效应、光电导效应或光生伏打 效应装置. 图 3 是热探 测器和光探测器的理想光谱 响应曲线, 它给出了单位波长间隔内单位辐射通量的 相对电信号与波长的关系.
阻, 用来对基准电流进行调节, 以校正输出频 率. V F 变换器的脚 3 输出的脉冲信号直接 输入到 8031 计数器 T 0 进行累积积分.
图 4 为单片机用于冲击法测磁场的测量 过程的流程图.
图 4
THE NEW TECHNOLO GY O F INFRARED RAD IAT IO N THERM OM ETRY
Guo Chengx iang (B engfu Co llege, B engfu A nhu i, 233030, Ch ina) Abstract T he na tu re of infra red rad ia tion and new techno logy of infra red rad ia tion therm om etry a re
即 Ε(Κ) = Ε, 则称此类物体为灰体. 结合关系式
∫∞
, (T ) = , (Κ, T ) dΚ o
和
∫∞
, b (T ) = , b (Κ, T ) dΚ
o
可得
, (T ) = Ε, b (T )
所以
, (T ) = ΕΡT 4
(3)
实际物体的热辐射在红外波长范围内, 可以近似
地看成灰体辐射. 式 (3) 正是红外测温技术的理论依
T ran sfer. John W iley & Son s, 1981. [ 5 ] А. Г. Блох. ОсновыТеплообменаизлучением. Г. Э. И.
1992.
(上接第 29 页)
出, 由计数器记录脉冲频率. 为了提高测量精 度, 还应选择积分电阻作为调整刻度系数环 节, 以满足 V F 的标称传递关系. 图 3 是由 LM 331 组成的测量电路, 从图中可以看出 CL 和 RL 通过 22k8 电阻接到 100k8 的可调电
工科物理 V o l. 10 N o. 2 2000
61
红外测温新技术
郭呈祥 (蚌埠高等专科学校, 安徽蚌埠 233030)
(收稿日期: 1999203205; 修回日期: 2000203202)
摘 要 通过介绍红外辐射的一般性质和红外测温新技术说明黑体辐射定律的具体应用. 关键词 红外辐射; 黑体; 灰体; 测温技术
近年来, 我国一些部门正在开发和应用红外光学 机械扫描型热像仪. 它通过热图像技术, 在极短时间 内给出热辐射体温度分布的数值并转换成热图像. 新 一代的热像仪可以分辨 0101℃的温差.
热像仪主要由扫描器和显示单元等部分组成, 如 图 5 所示. 热辐射体的红外辐射进入扫描器中的光 学系统, 投射到用液氮致冷的锑化铟红外探测器的表 面, 所接收到的辐射体的辐射功率由式 (3) 决定. 红外 探测器把输入的辐射信号转换为电信号, 经前置放大 器放大后, 进入显示单元. 在显示单元内, 热辐射体的
1 红外辐射
红外辐射, 又称红外线, 是物质分子在其振动状 态发生改变时辐射出的电磁波, 波长在 0176Λm 到 1000Λm 之间. 从黑体单色辐出度 , b (Κ, T ) 随波长 Κ 分布曲线 (图 1) 看出, 辐射体温度在 2000K 以下的热 辐射, 主要表现为红外辐射. 红外辐射是不可见光, 有 较强的热效应, 某几个特定波长范围对大气有较好的 穿透性, 称为“大气窗口”.
图 2 红外测温仪结构简图
测温时, 辐射体发出的红外辐射 (图 2) , 进入光 学系统, 经调制器把红外辐射调制成交变辐射, 由探 测器接收并转换成电信号, 经电子放大器放大, 最后 由显示器显示出温度数值. 由式 (3) 可得, 辐射体的温 度为
T=
4 , (T ) ΕΡ
利用红外测温仪可对加工部件进行非接触检测.
如图 4 所示, A 和 B 两块材料胶接或焊接在一起. 对
工件表面 A 加热使热流均匀地进入内部, 其速度由
内部性质决定. 若工件内部有缺陷 (如脱粘) , 则热流
就会被缺陷阻挡 (热阻大) , 在缺陷部位发生热量聚
积, 其表面产生过热点. 用红外测温仪扫描工件表面
B , 当探测到过热点时, 记录纸上表现为一个正值尖
色黑度 Ε(Κ) , 它表示实际物体的辐射接近黑体的程度,
Ε(Κ) =
, (Κ, T ) , b (Κ, T )
即
, (Κ, T ) = Ε(Κ) , b (Κ, T )
(2)
将式 (2) 两端积分
∫ ∫ ∞
∞
, (Κ, T ) dΚ= Ε(Κ) , b (Κ, T ) dΚ
o
o
如果物体的单色黑度 Ε(Κ) 是不随波长 Κ变化的常数,
温度分布信号变成阴极射线管荧光屏上的亮度信号. 所显示的黑白温度图像与辐射体的温度分布相对应, 观测者可从图像中获得带有位置坐标的温度值. 黑白 图像通过数字或红外转换系统转换成 10 种颜色的图 像; 红外连接组件将模拟量转换成数字量送计算机处 理, 由监视器显示出彩色图像.
利用现代红外热像仪可观测高炉和转炉中耐火 材料的磨损情况; 可测量石油化工设备和管道中沉淀 形成、流动阻塞、漏热、隔热材料变质等数据; 可在空 中或地面扫描高压输电配电线路的绝缘子、变压器的 热故障; 可检测不透明的金属、橡胶、塑料等制品的内 部缺陷 (图 6) ; 可检查半导体器件、集成电路、印刷电 路板、分立元件的焊接质量和电路热分布特性. 在军 事领域, 现代红外热像仪用于夜视、全天候侦察和兵 器的现代化. 红外热像仪的应用前景十分广阔.
在现代工程技术、科学研究和军事领域中, 红外 测温新技术正在得到越来越广泛的应用. 与一般测温 技术相比, 红外测温技术的突出优点是, 无需与被测 物体接触, 不会破坏被测物体的温度分布; 反应速度 快, 可在几毫微秒内测出目标温度; 灵敏度高, 可分辨 0101℃的温度差; 测温范围广, 从- 170℃到 3200℃ 以上; 操作简便, 安全可靠, 可实现实时观测和自动控 制; 检测距离可近可远, 近者几毫米, 远者可在飞机或 卫星上测量地表温度, 也可在地球上测量月表温度, 这是遥感技术的一个方面; 还可在夜间作业, 进行“夜 视”.
(1)
式中 Ρ= 51670×10- 8W (m 2·K4) 称为斯特藩常量.
在相同温度下, 实际物体在同一波长范围内辐射的功
率总是小于黑体辐射的功率. 也就是说, 实际物体的
单 色辐出度 , (Κ, T ) 小于黑体的单色辐出度 , b (Κ,
T ). 我们把 , wk.baidu.comΚ, T ) 与 , b (Κ, T ) 的比值称为物体的单
工科物理 V o l. 10 N o. 2 2000
63
图 5
图 6
温度值立刻在显示屏上出现. 用于检测冷冻食品温度的红外测温仪已经问世.
冷冻食品发出的红外辐射经红外测温仪显示出温度. 如果温度过高, 红外测温仪立即发出指令报警, 或自 动将温度调低, 以使食品在运输或储存期间始终保持 适宜的低温.
黑体辐射的基本规律是红外辐射理论研究和技 术应用的基础.
斯特藩—玻耳兹曼定律指出, 黑体的辐出度, 即
图 1 黑体辐射频谱 黑体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射功
62
工科物理 V o l. 10 N o. 2 2000
率 , b (T ) 与其热力学温度 T 的四次方成正比:
, b (T ) = ΡT 4
峰. 这种方法还可探测机器部件或固体材料中的裂
图 3 红外探测器的光谱响应曲线 纹、空洞、夹杂等缺陷, 被称为无损探伤术.
图 4 利用红外测温技术可检测火车轴箱 (轴承座) 的 温度. 如果轮轴出现裂缝, 或润滑油不足, 将迅速升温 而过热. 为防止事故发生, 在铁轨两侧的指定地点安 装红外测温仪. 车辆行进中轴承座发出的红外辐射入 射到测温仪的接收器, 聚焦于红外探测器上, 轴箱的
参考文献
[ 1 ] 陈 衡. 红外物理学. 国防工业出版社, 1985. [ 2 ] 由富恩等. 辐射测温原理及检定. 中国计量出版社,
1990. [ 3 ] 张维力, 宋广礼. 热成像. 新时代出版社, 1988. [ 4 ] F. P. Incropera, D. P. D ew iff. Fundam en tals of H eat
据.
2 红外测温技术
红外测温技术的基本装置是红外测温仪, 如图 2 所示. 其中的核心设备是红外探测器. 它是把入射红 外辐射能转变成其它形式能量的能量转换器, 或把红 外辐射能转换成另一种可测物理量的传感器. 按物理 原理分, 红外探测器有两大类: 热探测器和光探测器. 热探测器利用热敏电阻、热电偶或热释电效应装置; 光探测器利用红外光电效应、光电导效应或光生伏打 效应装置. 图 3 是热探 测器和光探测器的理想光谱 响应曲线, 它给出了单位波长间隔内单位辐射通量的 相对电信号与波长的关系.
阻, 用来对基准电流进行调节, 以校正输出频 率. V F 变换器的脚 3 输出的脉冲信号直接 输入到 8031 计数器 T 0 进行累积积分.
图 4 为单片机用于冲击法测磁场的测量 过程的流程图.
图 4
THE NEW TECHNOLO GY O F INFRARED RAD IAT IO N THERM OM ETRY
Guo Chengx iang (B engfu Co llege, B engfu A nhu i, 233030, Ch ina) Abstract T he na tu re of infra red rad ia tion and new techno logy of infra red rad ia tion therm om etry a re
即 Ε(Κ) = Ε, 则称此类物体为灰体. 结合关系式
∫∞
, (T ) = , (Κ, T ) dΚ o
和
∫∞
, b (T ) = , b (Κ, T ) dΚ
o
可得
, (T ) = Ε, b (T )
所以
, (T ) = ΕΡT 4
(3)
实际物体的热辐射在红外波长范围内, 可以近似
地看成灰体辐射. 式 (3) 正是红外测温技术的理论依
T ran sfer. John W iley & Son s, 1981. [ 5 ] А. Г. Блох. ОсновыТеплообменаизлучением. Г. Э. И.
1992.
(上接第 29 页)
出, 由计数器记录脉冲频率. 为了提高测量精 度, 还应选择积分电阻作为调整刻度系数环 节, 以满足 V F 的标称传递关系. 图 3 是由 LM 331 组成的测量电路, 从图中可以看出 CL 和 RL 通过 22k8 电阻接到 100k8 的可调电
工科物理 V o l. 10 N o. 2 2000
61
红外测温新技术
郭呈祥 (蚌埠高等专科学校, 安徽蚌埠 233030)
(收稿日期: 1999203205; 修回日期: 2000203202)
摘 要 通过介绍红外辐射的一般性质和红外测温新技术说明黑体辐射定律的具体应用. 关键词 红外辐射; 黑体; 灰体; 测温技术
近年来, 我国一些部门正在开发和应用红外光学 机械扫描型热像仪. 它通过热图像技术, 在极短时间 内给出热辐射体温度分布的数值并转换成热图像. 新 一代的热像仪可以分辨 0101℃的温差.
热像仪主要由扫描器和显示单元等部分组成, 如 图 5 所示. 热辐射体的红外辐射进入扫描器中的光 学系统, 投射到用液氮致冷的锑化铟红外探测器的表 面, 所接收到的辐射体的辐射功率由式 (3) 决定. 红外 探测器把输入的辐射信号转换为电信号, 经前置放大 器放大后, 进入显示单元. 在显示单元内, 热辐射体的
1 红外辐射
红外辐射, 又称红外线, 是物质分子在其振动状 态发生改变时辐射出的电磁波, 波长在 0176Λm 到 1000Λm 之间. 从黑体单色辐出度 , b (Κ, T ) 随波长 Κ 分布曲线 (图 1) 看出, 辐射体温度在 2000K 以下的热 辐射, 主要表现为红外辐射. 红外辐射是不可见光, 有 较强的热效应, 某几个特定波长范围对大气有较好的 穿透性, 称为“大气窗口”.
图 2 红外测温仪结构简图
测温时, 辐射体发出的红外辐射 (图 2) , 进入光 学系统, 经调制器把红外辐射调制成交变辐射, 由探 测器接收并转换成电信号, 经电子放大器放大, 最后 由显示器显示出温度数值. 由式 (3) 可得, 辐射体的温 度为
T=
4 , (T ) ΕΡ
利用红外测温仪可对加工部件进行非接触检测.
如图 4 所示, A 和 B 两块材料胶接或焊接在一起. 对
工件表面 A 加热使热流均匀地进入内部, 其速度由
内部性质决定. 若工件内部有缺陷 (如脱粘) , 则热流
就会被缺陷阻挡 (热阻大) , 在缺陷部位发生热量聚
积, 其表面产生过热点. 用红外测温仪扫描工件表面
B , 当探测到过热点时, 记录纸上表现为一个正值尖
色黑度 Ε(Κ) , 它表示实际物体的辐射接近黑体的程度,
Ε(Κ) =
, (Κ, T ) , b (Κ, T )
即
, (Κ, T ) = Ε(Κ) , b (Κ, T )
(2)
将式 (2) 两端积分
∫ ∫ ∞
∞
, (Κ, T ) dΚ= Ε(Κ) , b (Κ, T ) dΚ
o
o
如果物体的单色黑度 Ε(Κ) 是不随波长 Κ变化的常数,
温度分布信号变成阴极射线管荧光屏上的亮度信号. 所显示的黑白温度图像与辐射体的温度分布相对应, 观测者可从图像中获得带有位置坐标的温度值. 黑白 图像通过数字或红外转换系统转换成 10 种颜色的图 像; 红外连接组件将模拟量转换成数字量送计算机处 理, 由监视器显示出彩色图像.
利用现代红外热像仪可观测高炉和转炉中耐火 材料的磨损情况; 可测量石油化工设备和管道中沉淀 形成、流动阻塞、漏热、隔热材料变质等数据; 可在空 中或地面扫描高压输电配电线路的绝缘子、变压器的 热故障; 可检测不透明的金属、橡胶、塑料等制品的内 部缺陷 (图 6) ; 可检查半导体器件、集成电路、印刷电 路板、分立元件的焊接质量和电路热分布特性. 在军 事领域, 现代红外热像仪用于夜视、全天候侦察和兵 器的现代化. 红外热像仪的应用前景十分广阔.