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1、1.温度测量温度是确定物质状态的最重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科 学实验及工农业生产中具有十分重要的作用。特别是高温测量在航天、材料、能 源、冶金等领域中占有极重要地位。温度的测量方法大致可分为两种：接触法和非接触法。在接触测温法中，热 电偶和热电阻温度计应用最为广泛，该方法的优点是设备和操作简单，测得的是 物体的真实温度等，其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体 的温度分布有影响，且不能应用于甚高温测量。目前非接触测温法仍以辐射测温 法为主，在过去相当长的时间里，辐射测温法的可靠性和抗干扰性都不太高，且 测量范围往往仅限于较高温度。但近二十多年，由于电子技术的飞快
2、发展，半导 体材料的进步及计算机技术的发展与应用，又由于辐射温度计具有无测量上限， 响应速度快及不接触被测对象，因而不影响被测温场等特点，辐射测温技术得到 长足的进步和发展。仪器的制造水平、性能指标已有了显著提高，辐射真温测量 研究、标定技术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果。2.辐射测温简介2.1 辐射测温技术的原理在自然界中，物体处于绝对零度以上时，因为其内部带电粒子的运动，以不 同波长的电磁波形式向外辐射能量，波长涉及紫外、可见、红外光区，但主要处 于（0.815） 口 m的红外区内。物体的红外辐射能量的大小按其波长的分布与它 表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红
3、外能量的测量， 便能准确地测定它的表面温度。2.2 辐射测温技术的发展历史及现状在仪器制造方面,辐射温度计的发展经历了以下几个阶段：隐丝式光学高温计 阶段；用光电倍增管作为检测器的光电高温计阶段；以及用硅光电二极管、碲镉 汞等作为检测器的光学测量和光电精密测温阶段。隐丝式光学高温计出现在本世纪初，直到现在仍在高温（800C以上）测量领域 中被使用。 1927 年国际温标采用此种高温计作为金点以上的温度复现及传递标准 器。它的工作原理是在峰值为 650nm 并在尽可能小的带宽内，使目标与钨灯灯丝 的亮度平衡，灯丝消隐在目标中。由于要人眼比较亮度平衡，手动调节灯丝电流， 因此，人为误差大，不适于自
4、动控制系统。60 年代中期，出现了用光电倍增管作为检测器的光电高温计。它是以光电倍 增管替代隐丝式光学高温计中的人眼来作亮度比较，具有较高的灵敏度和精度， 且不需要人参与，因而被美国标准局 NBS 等国家实验室用来复现国际实用温标。 我国也曾采用此种检测元件研制成比较式的基准光电比较仪及高温计式的标准光 电高温计，用以复现金点以上的国标温标及传递8002000C的高温实用温标。在 70 年代初 ,Witherell 和 Faulhaber 指出：硅光电探测器稳定性、线性度及灵 敏度优良、结构牢固、寿命长、且价格适中，适合于精密光度测量，同时 Ruffino 在噪声和检测数据方面证明了硅光电二级
5、管应用到高分辨率温度计的可能性。不 久，在意大利国家计量院 IMGC 制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光 电高温计。辐射测温法测量真实温度的最大障碍是受到被测对象发射率的影响。为减少 这个影响,多年来研究过许多办法。例如发射率修正法、逼近黑体法、测量反射率 法、偏振光法、反射信息法等，这些方法在实际应用中都存在着各自局限性，均 不能从根本上解决消除发射率的影响。比色法在一定程度上解决了发射率的影响。只要两个波长选择适当，许多物 体的比色温度接近真实温度。为了进一步减少发射率影响，人们又发展了三波长 甚至更多波长的测温仪。当物体的发射率与波长成线性关系时，三波长法可测得 物体的真实温度。
6、380 年代以来，各国科学家对多波长温度计进行了大量的研究。分别针对不同 的测量对象,研制开发了三波长、四波长、六波长辐射温度计，多波长测温理论与 技术取得了发展。这些发展在一定程度上解决了真温测量以及热物性测量的问题, 而且较好地解决了动态快速的测量问题。多波长辐射温度计的出现是辐射测温技术的一个重要研究、发展方向，因此 得到了国外同行的高度重视。90 年代初，哈尔滨工业大学与罗马大学合作研制成 功国际首创的棱镜分光式 35 波长高温辐射温度计，已经成功地用于烧蚀材料真温 及发射率的测量。多波长辐射测温理论是基于测量多个波长的辐射信号，辅以对象发射率的背 景知识，计算出目标的温度值,针对特定
7、的对象可以减小或消除发射率的影响，但 从理论上也没能根本上解决消除发射率的影响问题。实际应用中，在一些情况下 仍会产生较大误差。2.3 辐射测温的方法在辐射测温学中，表观温度包括亮度温度、辐射温度和颜色温度。由这三种 表观温度可以引申出三种基本测温方法，即亮度测温法、全辐射测温法和颜色测 温法，用这三种方法可分别测出物体的亮度温度、辐射温度和颜色温度。基于这 三种测温方法的温度计分别称为亮度辐射温度计（或单色辐射温度计）、全辐射辐射 温度计、比色辐射温度计，还有介于亮度法和全辐射法之间的红外温度计。亮度法是辐射测温中最重要的方法。该方法历史最长，测温灵敏度高，亮度 温度与真实温度偏差小，发射率
8、误差影响也小。在辐射测温领域，目前和今后一 段时间内，基于亮度法原理的光电测温仪表，在温度量值的传递和工业应用方面 仍起主导作用。辐射感温器也是应用较广泛的测温仪表。其特点是结构简单，价格便宜，使 用方便，可以连续测量、记录和实现自动控制，因而广泛用于工业中。但由于波 段较宽，不可避免地受水蒸气、二氧化碳、烟雾等中间介质吸收影响。随着红外 辐射温度计的普及，辐射感温器将会逐渐被取代。比色测温法有许多优点：（1）大多数物体的颜色温度比亮度温度和辐射温度更 接近真实温度。特别当实际物体接近灰体时，则可以认为实际物体的颜色温度等 于它的真实温度；（2）比色法测温受被测物体光谱发射率影响小，针对被测物
9、体的 辐射特性,以及中间吸收介质的光谱吸收特性,合理选择两个工作波段；可以大大减 小因被测体光谱发射率变化以及中间介质吸收的影响而引起的误差； （3）与光电高 温计和辐射感温器一样，其输出信号可以实现温度记录、控制。比色温度计尤其 适用于测量发射率较低的表面光亮的物体温度,或者在光路上存在着尘埃、烟雾等 中性吸收介质的场所。但是，在比色温度计的应用中，如果对于光路上存在选择 吸收比色温度计所选用的两个波段之一者，则反而会带来较大误差。随着比色温 度计价格的下降，其应用越来越广泛。2.4 辐射测温的应用（1）红外热像仪红外热像仪是一种利用红外探测器将看不见的红外辐射转换成可见图像的被 动成像仪器
10、是目前发展较快、性能最高的现代化多层次多方面应用中不可缺少的 重要的红外辐射测温系统，也是一个国家军事力量的一个重要技术指标。红外测 温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体 都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表 面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。（2）红外成像跟踪技术由成像跟踪器利用目标图像的形状及其亮度分布情况等作为跟踪信息，然后 利用匹配技术挖取跟踪目标。3 辐射测温技术存在的问题目前人们经常使用的单波长光学（电）高温计、比色温度计及全波长（或带宽）辐 射温度计等，测得的不是物体的真实温度,
11、只是分别为亮度温度，颜色温度及辐射 温度等。必须知道物体的另一参数材料发射率（黑度系数），才可求得物体真 实温度。众所周知，物体的材料发射率不仅与物体的组份，其表面状态及考察波 长有关,还与它所处的温度有关。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，其研究 状况亦成了表征辐射测温技术发展的一重要方面。辐射法测量物体真温是各国学者一直关心的问题，从辐射温度计诞生时就开 始，至今还在大力开展研究。目前比较成功的方法有以下 6 种：（1）发射率修正法（2）减小发射率影响法（或称逼近黑体法）（3）辅助源法（或称测量反射率法）（4）偏振光法（5）反射信息法（6）多光谱辐射测温法4 总结各种测温技术都有各自的应用范围和使用特点，如亮度测温法的灵敏度高， 亮度温度与真实温度偏差小，引入有效波长概念后定义严格，适用于高准确度的 测量和量值的传递。比色法测温受发射率变化影响小，适合于低发射率物体的测 温，适用于工业现场辐射传递通路介质变化的场合，尤其适合测量“灰体”的真 实温度。全辐射法价格便宜，在测量高温时有优越性。
