DOC《《红外辐射测温技术》讲义》

《红外辐射测温技术》讲义

0 绪论 使学生了解红外测温的基础知识和基本理论,辐射测温的基本工作原理,熟悉辐射测温仪表的基本构成,为辐射测温仪表的研制奠定基础.

1.课程内容、地位与应用 红外辐射: 红外技术是研究红外波段内电磁波的规律并使其应用的一门现代技术. 众所周知,从波长很长的无线电波到波长很短的宇宙射线都是不同波长的电磁波,或称为电磁辐射.波长的单位在行业内习惯用微米(?m) .频率ν和波长λ的关系为λν= c (光速);

也有用波数σ表示波长的 σ=1/λ(cm-1) . 电磁波谱上的每一段都具有其独特的规律,每一段都是一个研究领域,都有其特性和规律,研究并使其应用,造福与人类,是每个学科的宗旨.红外技术就是研究红外区域内电磁波的规律的一门学问.包括可见光直到紫外部分. * 需要记住和理解的几点内容: ( 红外辐射是人眼看不见的光线 ;

( 红外辐射就是热辐射 ( 对红外线的研究也属于光学范畴. 红外技术的应用 : ①军事上: 军事目标的侦察、监视、预警与跟踪 红外制导是一种重要的制导方式. 红外通信. 军用夜视仪. 是探测隐身飞行器的一种手段. 对威胁进行红外告警. ②在民用方面:红外测温,红外遥控,红外遥感,红外医疗,红外加热,红外光谱技术. 总之,红外技术的应用及其广泛,它已涉及到军事战术或战略的情报搜集、目标的侦察监视、武器制导等各个领域,对未来战争产生重大的影响.在工业、医学和科研等许多方面也广为使用,例如热源探测,医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光谱分析、红外加热、红外遥感、红外天文学等. 测温技术 温度测量的方法可分两大类: 辐射测温特点: 优点:响应速度快、分辨率高,适用于旋转物体、移动物体、热容量小的物体、腐蚀性场合,以及接触式测温无法使用的条件下,辐射测温被广泛应用. 如:电力、冶金、化工橡胶等领域 焊接、炉窑、焦化、电力(变压器) 感应加热、塑料、玻璃 金属挤压成型 热处理和退火 缺陷:①一般辐射温度计都只能测得亮度温度或辐射温度,由于一般被测物体发射率都小于l,所以不能测得真温度.欲求得真温度必须在线测得被测对象的发射率,对测量值进行修正. ②现场测量中经常存在有外来光的干扰(外部热源)和光路中的干扰(水蒸汽、尘埃等),必须消除这些干扰,才能实现正确的测量. ③被测表面发射率往往在一定范围内变化,这是辐射测温中需要解决的一个难题. ④辐射温度计应适时用黑体炉检定或校验以维持足够的测量精度. 2.教学计划(32学时,9周) 3.考试形式:大作业 4.内容简介: (1)红外辐射基本理论 (2)工业黑体辐射源 (3)黑体空腔有效发射率 (4)黑体空腔积分发射率和有效温度 (5)辐射测温仪表 (6)辐射测温技术 5.相关知识 (1)红外物理 (2)红外光学 (3)红外探测器 (4)信号处理技术 6.辐射测温仪器的一般设计步骤 (1)明确需求与工作条件 ① 被测物体:材料发射率 ② 测温范围: 100~1200℃ ③ 环境温度: 100~200℃ ④ 测温环境: CO2和H2O蒸汽 ⑤ 目标距离与尺寸: ⑥ 测温精度: ⑦ 安全等级: 具有防爆(煤气)功能 (2)测温仪元件的选择与参数设计 ① 工作波段的选择 ② 探测器的选择 ③ 透镜材料选择 ④ 透镜的参数设计 (3)能量与系统输出计算 (4)信号处理与显示 (5)标定

第一章 红外辐射基本理论 1.1红外辐射的一般概念 波长0.38~0.76(m范围内的电磁波属于可见光线,波长比0.38(m短的电磁波分别为紫外线、x射线和(射线等.波长在0.76~1000(m之间的电磁波称为红外线,波长更长的电磁波称为微波和无线电波.波长在0.1~40(m范围内的电磁波(包括可见光和红外线的短波部分)热效应最显著,所以把这部分波长的电磁波称为热射线或热辐射.红外线范围内的电磁波还可按波长的不同划分为近红外、中红外和远红外三部分. 辐射的吸收、反射、透过及绝对黑体 当辐射能投射到物体表面上时,在一般情况下,其中一部分被物体吸收,一部分被反射,另一部分可以透过物体.假设外界投射到物体表面上的总能量为Q0,被吸收了Q(,反射了Q(,透过了Q(. 根据能量守恒有: Q0=Q(+Q(+Q(

1 (―吸收率,(―反射率,(―透过率 (=1,绝对黑体 (=1,全反射 反射有一定规律的为镜体 反射无一定规律的为绝对白体 (=1,绝对透明体,或透热体. 自然界中并不存在绝对黑体、绝对白体或绝对透明体. 1.2热辐射的基本定律 概念:为了从数量上表示物体的辐射能力,引入一个物理量―辐射功率. 辐射功率E― 单位时间内从单位表面积上向半球空间各方向发射的全部波长的总辐射能量,单位W/m2,用E表示. 单色辐射功率E(―就是在单位时间内从单位表面积上向半球空间所有方向发射的某特定波长的单位波长宽度内的能量. 如果把在波长(+((范围内的辐射功率用(E表示,则可用下式给出E(的定义, W/(m2.(m) 辐射功率和单色辐射功率关系: W/m2 对于黑体,其辐射功率和单色辐射功率用符号Eb 和Eb(表示. 1.2.1普朗克定律 1900年,普朗克根据量子统计理论导出了黑体在不同温度下单色辐射功率Eb(随波长(的分布规律, 式中, (―波长, m T―黑体的热力学温度,K C1―普朗克第一辐射常数,C1=2(hc2=3.741832(0.0000201(1016W.m2 C2―普朗克第二辐射常数,m.K h―普朗克常数,6.626176(10-34J.s k―玻耳兹曼常数,1.380662(10-23J/K c―电磁波在真空中的传播速度,3(108m/s. 规律: (1)在某一固定温度下,黑体单色辐射功率Eb(随波长(而变化,并且存在最大值;

其最大值,随温度的增高向短波方向移动. *为红外光学系统选择合适的波段提供参考. (2)温度越高,单色辐射功率越强. 1.2.2维恩公式 早在普朗克定律建立之前,1894年维恩就提出了黑体单色辐射功率公式, 与普朗克公式相比,当 (T 较小时,则有 维恩位移定律: 由普朗克定律可知,在任意温度下,黑体光谱辐射通量都有一个最大值,最大值对应的波长称为峰值波长(m,将维恩公式对(求导,令其等于0,则可得 ((m.K) ∴温度越高,则峰值波长(m越小. 如:钢坯表面颜色对温度的变化;

若测量温度为1600℃左右的物体表面温度,根据维恩公式计算可得:((m) ∴在选择辐射测温仪器的工作波段时最好在该波段附近. 在一般工业温度范围内,单色辐射功率最大值所对应的波长(m都处于红外波段内. 1.2.3斯蒂芬-玻耳兹曼定律(全辐射定律) 从零到无穷大波长范围内积分普朗克公式, 式中,(―斯蒂芬-玻耳兹曼常数 (W/m2.K4) 1.2.4定向辐射强度(兰贝特定律-余弦辐射定律) 上面讨论的黑体辐射功率Eb是指从发射体的单位面积上在单位时间内向半球空间发射的包括各波长在内的总能量,而没有指明在半球空间各个方向上的能量分布.这种分布 是研究黑体空腔内各壁面间的相互辐射以及物体间辐射换热计算必然要涉及的重要问题. 为了描述辐射能在空间不同方向上的分布规律,下面引出定向辐射强度的概念. 在单位时间内发射出的单位可见辐射面积对应的单位立体角内所包围的辐射能称为定向辐射强度,可表示为: W/(m2.Sr) 式中:Ip―与辐射面法线成(角的p方向上的定向辐射强度. dQp―dA在与其法线成(角的p方向上, 在单位时间内微元立体角d(内 发射出的辐射能. 兰贝特定律 在半球空间,各个方向上的定向辐射强度都相等,即Ip=Im=In=……=I 这种定向辐射强度与方向无关的规律称为兰贝特定律. 黑体是完全符合兰贝特定律的辐射体. 将前面式子改写,有: 该式表明,黑体单位面积向空间不同方向发射的辐射能在各单位立体角中所包含的能量并不相等,而是与该方向和法线的夹角(的余弦成正比.因此兰贝特定律又称为余弦定律. 定向辐射强度与辐射功率的关系: 即对定向辐射强度,在半球范围内进行积分, 对于半球面上所截微元面积df,可看成是微矩形面积,则其边长可表示为rd( 和rsin(d(,所以df=r2sin(d(d(,则有,代入上式可得, ∴对于遵守兰贝特定律的辐射体,它的辐射功率是任何方向上定向辐射强度的(倍. 1.3实际辐射表面和基尔霍夫定律 实际辐射表面单色辐射功率按波长分布是不规则的,而且在同一温度下实际辐射表面单色辐射功率总是小于对应波长下黑体单色辐射功率. 引入发射率(黑体系数)(: 相同温度下,实际物体的半球总辐射能与黑体半球总辐射能之比. 单色发射率(黑体系数) ( ( : 黑体: 灰体: 实际物体:其随波长而变化. 说明: 发射率与物质种类、表面状态(粗糙度、氧化度等)、温度等因素有关. 基尔霍夫定律: 若T1=T2,则两表面处于动平衡: ∴ (=( 说明: 善于发射的物体也一定善于吸收. 同理,基尔霍定律也适用于单色辐射,即((=(( 实际物体空间辐射特性: 为要表明一些实际物体在空间各不同方向的辐射特性,引进定向发射率((的概念: 式中,― 物体的定向发射率,(表示辐射方向与表面法线之间的夹角;

― 物体在该方向的定向辐射强度;

― 同温度下黑体在该方向的定向辐射强度. 前面已经述及,黑体完全遵守兰贝特定律,其定向辐射强度在半球空间所有方向是常量.而实际表面只是近似地服从兰贝特定律,就是说实际表面的定向辐射强度或定向发射率与方向有关. 从图中可以看出,对于金属导体材料,从表面的法线开始在一定角度范围内,定向发射率不变化,然后随着角度的增加而增大,在(角接近90(时,值急剧减小. 对于非导体材料表面法线方向上的定向发射率最大.在离开法线相当大的角度(范围内变化不大,只有当角度(大约超过60(以后值才明显减小;

当(=90(时,值变为零. 物体发射率的一般变化规律如下: (1)对于兰贝特辐射体,三种发射率εn(法向发射率),和εh(半球发射率)彼此相等. 对于电绝缘体,εh/εn在0.95~1.05之间,其平均值为0.98,对这种材料,在θ角不超过65°或70°时,与εn仍然相等. 对于导电体,εh/εn在1.05~1.33之间,对大多数磨光金属,其平均值为1.20,即半球发射率比法向发射率约大20%,当θ角超过45°时,与εn差别明显. (2)金属的发射率是较低的,但它随温度的升高而增高,并且当表面形成氧化层时,可以成10倍或更大倍数地增高. (3)非金属的发射率要高些,一般大于0.8,并随温度的增加而降低. (4)金属及其他非透明材料的辐射,发生在表面几微米内,因此发射率是表面状态的函数,而与尺寸无关.据此,涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性,而不是基层表面的特性.对于同一种材料,由于样品表面条件的不同,因此测得的发射率值会有差别. (5)介质的光谱发射率随波长变化而变化.在红外区域,大多数介质的光谱发射率随波长的增加而降低.在解释一些现象时,要注意此特点.例如,白漆和涂料TiO2等在可见光区有较低的发射率,但当波长超过3μm时,几乎相当于黑体.用它们覆盖的物体在太阳光下温度相对较低,这是因为它不仅反射了部分太阳光,而且几乎像黑体一样的重新辐射所吸收的能量.而铝板在直接太阳光照射下,相对温度较高,这是由于它在10μm附近有相当低的发射率,因此不能有效地辐射所吸收的能量. 1.4组成封闭空间两物体的辐射换热 先假定组成封闭空间的两个物体是灰体,其间被透明介质隔开.灰体表面之间的辐射换热比黑体间辐射换热问题要复杂些,这是因为黑体能一次吸收全部投来的辐射能,而灰体表面对外界的投入辐射一次只吸收其中一部分,其余部分则反射出去,这样在灰体表面上存在着辐射能的多次吸收和反射过程.引进有效辐射的概念以使问题简化. 1.4.1有效辐射 固有辐射: 投射辐射:G 吸收辐射: 反射辐射: 有效辐射(J)=固有辐射+反射辐射 W/m2 物体表面能量收支差额q: (从物体内部角度看: (从物体外部角度看: 整理上两式,消去G,可得: 根据基尔霍夫定律,则上式可写为: 1.4.2封闭空间内两物体间的辐射换热 模型: 灰体Ⅰ: 表面积、温度和发射率 A1,T1,(1 平或凸表面 灰体Ⅱ: 表面积、温度和发射率 A2,T2,(2 Ⅱ包围Ⅰ ∴①Ⅰ表面的有效辐射A1J1可全部到达Ⅱ表面上;

②Ⅱ表面的有效辐射A2J2只有一部分投射到Ⅰ表面上, 设其所占的百分数为F21(称为Ⅱ对Ⅰ的角系数),其余部分投射在自己的表面上, 两个表面间的换热量可表示为: (a) 根据有效辐射公式,可以分别写出表面Ⅰ、Ⅱ的有效辐射能量: 式中Q1和Q2分别表示表面Ⅰ和Ⅱ损失的能量, ∵换热只在两个面之间进行, ∴在稳定的情况下,有 将上面几个式子代入(a)中,整理可得: (适用于任何温度) 为确定角系数F21,设T1=T2,则此时有Q1-2=0,可以求出: 代入上式可得: 说明: (1)当A2>

>

A1时,即A1/A2(0,则,用于计算小物体在大包壳内的能量损失,如:热电偶测量管道内的温度. (2)当A2(A1时,则,相当于两个平行表面间的辐射换热量. 1.5气体辐射和吸收 1.5.1气体辐射的特点 从红外辐射计算的角度来说,氧、氮、氢、等分子结构是对称型双原子气体,实际上并无辐射与吸收的能力,它们是不参与辐射换热的透明体.作为各种燃烧产物主要成分的三原子气体――二氧化碳和水蒸汽,则具有较强烈的吸收与辐射能力.与固体、液体的辐射相比,气体辐射具有下面两个显著特点: (1)气体辐射对波长有选择性 气体不象一般固体那样具有连续的辐射光谱,而只是在某些波段范围内才具有辐射与吸收能力,这些波段称为光滞.在光带之外,气体的辐射与吸收能力等于零.这就是说气体的辐射与吸收对波长有强烈的选择性. (2)气体的辐射与吸收是在整个容积中进行 固、液体内部的物质同样在不停地发出辐射能,但在辐射能到达表面之前早就被内部物质吸收了.只有很接近表面的薄层中所发出的辐射能才能穿过界面进入空间中去. 气体的情况则与此截然不同.对于工业中所能遇到的气层来说,气体容积内任何地方发出的辐射能总有一部分可以到达气体的界面上;

同样,投到气体界面上的外来辐射能可以传播到气体客积内的一切地方.由于这一原因,气体的辐射及吸收能力就与气体所处容积的形状及容积尺寸有关. 1.5.2气体的吸收定律 布尔定律: 一束具有强度为I(x的单色辐射穿过厚度为dx的气体层时,有一部分辐射能沿途被气体所吸收,因而射线强度被减弱.所减弱的单色辐射强度dI(x与微元气体........