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輻射式溫度計的感溫元件通常工作在屬于可見光和紅外光的波長區域�？梢姽獾墓庾V很窄，其波長僅為0.3～0.72μm；紅外光譜分布相對較廣，其波長范圍為0.72～1000μm。輻射式溫度計的感溫元件使用的波長范圍為0.3～40／μm。 自然界中所有物體對輻射都有吸收、透射或反射的能力，如果某一物體在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量，則稱此物體為絕對黑體。 根據基爾霍夫定律得知，具有最大吸收本領的物體，在其受熱后，也將具有最大的輻射本領。人們稱那些對輻射能的吸收（或輻射）除與溫度有關外，還與波長有關的物體為選擇吸收體；稱那些吸收（或輻射）本領與波長無關的物體為灰體。 絕對黑體的吸收系數L0＝1，反射系數β0＝0，理想的絕對黑體在自然界中是不存在的，人們為科學研究和實驗所需已研制出吸收系數為0.99±0.01的近似黑體。 絕對黑體在任何溫度下都能全部吸收輻射到其表面的全部輻射能；同時它在任意溫度向外輻射的輻射出射度（簡稱輻出度）亦最大；其他物體的輻出度總小于絕對黑體的。在同一溫度r，某一物體在全波長范圍的積分輻出度M（T） 與絕對黑體在全波長范圍的積分幅出度M0（T）之比，稱該物體的全輻射率（或稱全輻射系數）ε（T），其值在0～1之間。 在任一溫度r和某個波長A下，物體在此波長的光譜輻出度M（λ，T）與黑體在此波長的光譜輻出度M0 （λ，T）之比稱為光譜（單色）發射率或稱光譜發射系數。用ε（λ，T）表示，簡寫成ελ。 物體光譜發射率的大小，不僅與溫度、波長有關，而且取決于物體的材料、尺寸、形狀、表面粗糙度等，一個真實物體的輻射系數可表示成
式中，β為物體的反射系數；γ為物體的透射系數。凡β、γ不全為零的物體統稱為非黑體。 輻射測溫的物理基礎是普朗克（Planck）熱輻射定律和斯忒藩一玻耳茲曼（Stefan—Boltzman）定律。絕對黑體的光譜輻射亮度L（λ，T）與其波長λ、熱力學溫度的關系由普朗克定律確定：
式中，λ為物體發出的輻射波長；T為熱力學溫度；c1＝2πc2h為普朗克第一輻射常量，c1＝3.7418×10-16 W·m2；c2＝hc／k為普朗克第二輻射常量，c2＝1．438 786×10-2m·K。（其中，h為普朗克常數，k為玻耳茲曼常數，c為電磁波在真空中的速度。）如果波長λ與溫度T滿足c2／（λT）≥1，則可把普朗克公式簡化為維恩（Wien）公式。在溫度低于3 000 K，對于波長較短的可見光，用維恩公式替代普朗克公式產生的誤差小于1％。
圖1 是根據普朗克公式制成的絕對黑體在不同溫度下的光譜輻射曲線，每條曲線代表一個固定的溫度。 從圖中可以看到如下一些規律：每條曲線均有一個極大值，而且這個極值是隨著溫度升高而向波長短的方向移動；不同溫度下的曲線，其曲線峰值點的波長和溫度T均滿足維恩位移定律：
圖1 黑體的光譜輻射曲線 λm·T＝2898（μm·K） �。�3） 從上式可得：當T＝3 000 K時，λm＝0.966μm，處于紅外光區，T＝5 000 K 時，λm＝0.58 μm，處于黃光區；T＝7200K時，λm＝0.4μm，處于紫光區。 上述計算與實際觀察是完全吻合的。由維恩位移定律可知，若能測出黑體光譜輻射亮度最大時的對應波長λm，便可方便地得到黑體的溫度。工程中，常用的比色溫度計就是基于這一原理，通過對黑體光譜輻射亮度的測量實現非接觸測溫的。 實驗和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關系如下式所示： M0（T）＝σT4 （4） 即在單位時間內，由絕對黑體單位面積上輻射出的總能量M0（T）與絕對溫度T的四次方成正比。式（4）被稱作斯忒藩一玻耳茲曼定律。 式中 σ為斯忒藩一玻耳茲曼常數
k為玻耳茲曼常數；h為普朗克常數；c為電磁波在真空中的速度。 如果將式（4）用輻射亮度表示，則成為
斯忒藩一玻耳茲曼定律表明：絕對黑體總的輻出度或亮度與其熱力學溫度的四次方成正比。此定律不僅適用于絕對黑體，而且適用于所有非黑體的實際物體。由于實際物體的發射率低于絕對黑體，所以實際物體的輻射亮度公式為
式中，ε（T）為實際物體的全發射率。 綜上所述，任何實際物體的總輻射亮度與溫度的四次方成正比；通過測量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度，這就是輻射測量的基本原理。 |
典型測控系統組成
標度變換
數字濾波方法
測量數據預處理技術
計算機控制系統組成
氣體流量標準裝置電工學習網 ( )
GMT+8, 2021-12-6 20:43
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