【正文】 速度慢、測溫時間長、影響物體的溫度場等缺點使其應(yīng)用范圍受到限制。非接觸式克服了以上的缺點。目前，非接觸式測溫方式主要以紅外測溫為主，紅外測溫主要有以下幾種方法:(1)全輻射測溫法它是根據(jù)測量波長從零到無限大整個光譜范圍物體的總輻射功率用黑體定標的儀器來確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是由斯蒂芬一波爾茲曼定律來描述的。此類測溫方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，容易實現(xiàn)。缺點是測量精度受物體發(fā)射率和外界環(huán)境因素影響較大，需要進行環(huán)境補償。(2)亮度測溫法它是根據(jù)測量給定波長凡附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標的儀器來確定物體的溫度，適用于高溫場合物體溫度測量。此類測溫方法的優(yōu)點是不需環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小，測量精度高。缺點是只能工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。(3)雙波段測溫法它是根據(jù)測量兩個給定波長和的輻射功率之比，用黑體定標儀器來確定物體的溫度，適合測量發(fā)射率變化或未知的物體，但只適合于測量輻射能量密度大的高溫物體。此類測溫方法的優(yōu)點是光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測量誤差小。缺點是必須選擇適當波段，使波段的發(fā)射率相差不大。(4)多波段測溫法依次取多個波段，通過計算這些波段的輻射功率之間的復(fù)雜關(guān)系來確定物體的溫度。此類測溫方法的優(yōu)點是測量結(jié)果與發(fā)射率無關(guān)，精度高。缺點是測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要選擇適當波段。(5)最大波長測溫法由維恩位移定律，黑體輻射峰值波長與絕對溫度之積為一常數(shù)，通過測量值波長來計算溫度。此法常用測量極高溫(大于2000℃)此測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單僅用于測量極高溫。課題研究的是非接觸常溫測量，此測溫方法適用于工業(yè)現(xiàn)場的常低溫非接觸動態(tài)測溫場合，即當溫度接近于常溫，且物體為動態(tài)的場合。比較以上各種紅外測溫法的優(yōu)缺點，本課題選擇全輻射測溫法。為了獲得調(diào)制的紅外輻射，達到測溫的目的，在全輻射測溫方法的基礎(chǔ)上，課題采用了致冷參比溫度測量方法，設(shè)計了自主采樣式熱釋電探測器，并采用數(shù)學(xué)算法的軟件設(shè)計對溫度進行補償。任何物質(zhì)(體)，其內(nèi)部的帶電粒子都是處于不斷的運動狀態(tài)的。當物體具有一定的溫度，即物體溫度高于熱力學(xué)溫度0時(攝氏溫度273℃時)，它就會不斷地向周圍進行電磁輻射。物體的自發(fā)輻射能與溫度有關(guān)，在常溫下主要是紅外輻射。紅外輻射俗稱紅外線或紅外光，它是人眼看不見的光線，具有強烈的熱作用，故又稱熱輻射。物體的熱輻射特性主要由物體的溫度決定，故又稱為溫度輻射。物體的溫度輻射特性是光學(xué)溫度傳感和光電傳感的基礎(chǔ)。物體在常溫下，發(fā)射紅外線。當溫度升高至500℃左右，便開始發(fā)射部分暗紅的可見光。當溫度繼續(xù)升高，物體會向外輻射可見光，且隨著溫度的升高其波長會變短。紅外線是位于可見光中紅色光外的一種光線，是一種人眼看不見的光線。但這種光和其他任何光一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。紅外線與可見光、紫外線、X射線、γ射線和微波等無線電磁波一起構(gòu)成了一個無限連續(xù)的電磁波譜。 電磁波譜在電磁波譜中，~100m的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū)。紅外線與可見光、無線電波一樣，在真空中傳播速度也是以光的速度 (、1010cm/s)傳播。在紅外技術(shù)中，為便于對不同波長的紅外光進行研究，一般將紅外輻射分為四個區(qū)域:近紅外(=~3m)，中紅外(=3~6m)，中遠紅外(=6~20m)，遠紅外(=20~1000m)。所謂遠或近，是指紅外輻射在電磁波譜中距離可見光的遠、近，靠近可見光的為近紅外區(qū)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。熱輻射的程度主要由物體的溫度所決定。溫度越高，輻射出的紅外線越多，紅外輻射的能量越強?？茖W(xué)研究表明，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光的熱效應(yīng)是逐漸增大的且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻譜范圍內(nèi)，因而，有人又將紅外輻射稱為熱輻射或者是熱射線。試驗表明，波長在(~1000) m范圍內(nèi)的電磁波被物體吸收時，可以顯著地將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。紅外輻射與其它輻射一樣，能在其射程范圍內(nèi)被物體吸收并轉(zhuǎn)換為熱能。即使在高度真空里，通過熱輻射也能進行能量的傳遞。紅外輻射和可見光、無線電磁波一樣，是以波的形式在空間(同一介質(zhì))進行直線傳播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中傳播的速度等于光在真空中的傳播速度。即 ,及 （）——紅外輻射的波長（cm）。——紅外輻射在真空中1cm的長度內(nèi)所包含的波長個數(shù)。——紅外輻射的頻率（）；——光在真空中的傳播速度。熱輻射的另一個特點是輻射光譜呈連續(xù)性，在電磁波譜中由于不同波譜的波長相差很大。紅外輻射和電磁波傳播一樣也存在被傳輸介質(zhì)吸收和散射等現(xiàn)象，使輻射能在傳輸過程中會逐漸衰減。絕對黑體是在任何情況下對一切波長的入射輻射吸收率都等于1的物體。由于實際物體的紅外輻射情況較為復(fù)雜，所以在研究其輻射規(guī)律時，以黑體這種簡單的模型入手。顯然，因為自然界中實際存在的任何物體對不同波長的入射輻射都有一定的反射，即吸收率不等于1。所以，黑體只是理論研究者抽象出來的一種理想化物體模型。在自然界中完全的黑體是不存在的，為了表示某一物體與黑體輻射的偏離，用發(fā)射率表征。它表示實際物體輻射功率與黑體輻射功率之比，=l，即為理想黑體。當=0，即為完全透明體。發(fā)射率是與物體的材料、表面幾何形狀以及溫度和表面加工程度有關(guān)的一個參數(shù)。黑體熱輻射的三個基本規(guī)律是紅外線研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關(guān)系。同樣，也是研究紅外測溫技術(shù)的基本出發(fā)點。三大定律是:(l)輻射的光譜分布規(guī)律—普朗克輻射定律。(2)輻射光譜的移動規(guī)律—維恩位移定律。(3)輻射功率隨溫度的變化規(guī)律—斯蒂芬一玻爾茲曼定律普朗克輻射定律:一個絕對溫度為的黑體的單位表面積，在波長附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射功率(簡稱光譜輻射度)，與波長、溫度滿足以下關(guān)系： （）——真空中的光速 ——普朗克常數(shù) ——波爾茨曼常數(shù)——第一輻射常數(shù)， ——第二輻射常數(shù)， 普朗克輻射定律給出了黑體在時的輻射光譜分布特征，以不同的溫度有公式（）. 不同溫度下的黑體光譜輻射度，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長幾處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大。由于每種波長的輻射都隨溫度升高而增加，所以黑體單位表面積發(fā)射所有波長的全部輻射功率曲線下包圍的面積，也隨著溫度升高而迅速增加。維恩位移定律:揭示了黑體光譜輻射度極大值相對應(yīng)的波長 (峰值輻射波長)隨溫度的變化關(guān)系。即 （）該關(guān)系式表明黑體輻射光譜分布的峰值波長禮隨其絕對溫度T成反比移動。由公式()可計算出在一般室溫27℃(300K)下的黑體。斯蒂芬—玻爾茲曼定律:描述的是黑體單位表面積向整個半球空間發(fā)射的所有波長的總輻射功率隨其溫度的變化規(guī)律，即 （）——斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，關(guān)系式()表明凡是溫度高于開氏零度的物體，都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，且黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與其開氏溫度的四次方成正比。因而，當溫度有小變化時，就會引起物體發(fā)射的輻射功率有很大的變化，因此紅外檢測是非常靈敏的。 各種發(fā)射率的引入由于發(fā)射率可能隨測量方向而變化，所以必須定義幾種不同的發(fā)射率。（1）半球發(fā)射率半球發(fā)射率是輻射體單位面積向半球空間的輻射通量(即輻射出射度)與同溫度下黑體的輻射出射度之比。它表征了輻射體在半球空間內(nèi)的發(fā)射接近黑體發(fā)射的程度。其中又可分為全量和光譜量兩種。a. 半球全發(fā)射率或半球積分發(fā)射率定義為式中——實際物體的全輻射出射度?！隗w在與物體相同溫度下的全輻射出射度?！肭蛉l(fā)射率。半球全發(fā)射率氣表征物體向半空間內(nèi)在0到的整個波長范圍內(nèi)的發(fā)射能力。式中——實際物體的光譜輻射出射度?！隗w在與物體相同溫度下的光譜輻射出射度?！肭蚬庾V發(fā)射率。是波長的函數(shù)，它表征物體在某一溫度下，波長兄處向半球空間的發(fā)射接近黑體發(fā)射的程度。(2)方向發(fā)射率方向發(fā)射率，也叫定向發(fā)射率或角比輻射率，它是在與輻射表面法線方向成角的小立體角內(nèi)測量的發(fā)射率。角為零時的發(fā)射率，稱為法向發(fā)射率。由于大多數(shù)紅外系統(tǒng)都是探測輻射源在規(guī)定方向上的一個小立體角內(nèi)的輻射通量，因而方向發(fā)射率和法向發(fā)射率是很重要的。方向發(fā)射率也有全量和光譜量之分。定義式為式中——實際物體在溫度時的輻射亮度?！隗w在與物體同溫度下的輻射亮度。—方向全發(fā)射率。因為一般與方向有關(guān)，所以以夕，初也與方向有關(guān)。它表征物體在與法線成口角方向上的輻射與黑體輻射接近的程度。定義式為因為物體的光譜輻射亮度既與方向有關(guān)，又與波長有關(guān)，所以，也是和波長的函數(shù)。它表征物體在特定波長處向給定方向上的輻射與黑體輻射的接近程度。從上述各種發(fā)射率的定義可以看出，對于黑體，各種發(fā)射率的數(shù)值均等于1。對于所有實際物體，各種發(fā)射率的數(shù)值均小于1。一般可把發(fā)射率分為全發(fā)射率和光譜發(fā)射率，通常所說的發(fā)射率是指全發(fā)射率，光譜發(fā)射率用表示。根據(jù)光譜發(fā)射率的變化規(guī)律，可將熱輻射體分為如下三類:（1）黑體或普朗克輻射體:黑體或普朗克輻射體的發(fā)射率、光譜發(fā)射率均等于1。（2）灰體:灰體的發(fā)射率、光譜發(fā)射率均為小于1的常數(shù)。（3）選擇性輻射體:選擇性輻射體的光譜發(fā)射率隨波長的變化而變化。物體對于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射和透射，而且吸收率、反射率和透射率之和必然等于1：而且，其反射和透射部分不變。因此，在熱平衡條件下，被物體吸收的輻射能量必然轉(zhuǎn)化為該物體向外發(fā)射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下，物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發(fā)射率:其實由基爾霍夫定律，我們也可以推斷出以上公式。則對于一個不透明的物體。不同物質(zhì)的，各不相同。