辐射式温度传感器原理及应用

辐射式温度传感器，是利用从物体表面散发出来的热辐射进行非接触式温度测量的传感器。热辐射在本质上是波长λ在0.4～40μm波谱段内的电磁波，辐射的主要特征是热效应，在高温时热效应更加显著。利用辐射测量温度是一种非接触式的测温方法，特别是在高温测量方面具有很大的现实意义。

从绝对黑体散发出来的热辐射辉度L（λ，T）可以用下列普朗克辐射定律来表示

式中 C1、C2——普朗克第一、第二常数；

　　 T——绝对温度；

　　 λ——波长。

在热辐射分布的所有波长上对上式进行积分，根据斯特潘-玻而兹曼定律可得

式中 σ——斯特潘-玻而兹曼常数，σ＝5.66961×10－3Wm－2K－4。

利用此关系式，通过对物体辐射能的测量，可以求出物体的温度。实际的物体并不是一个全辐射体，物体实际散发出来的辐射能为

式中 ε——辐射系数，ε不易求出，它随着物体的不同而不同，也受波长和温度的影响。

辐射式温度传感器有全辐射温度传感器、红外辐射温度传感器、光电亮度温度传感器、光电比色温度传感器等。

1.全辐射温度传感器

全辐射温度传感器是利用物体的温度与其总辐射出射度（全光谱范围积分辐射能量）的关系来测量温度的。测量时可用测温元件测出辐射功率的大小，就可以测出被测对象的温度。由于辐射系数ε的存在，测出的温度要低于物体的实际温度。黑体的总辐射出射度等于非黑体的总辐射出射度时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度，两者的关系为

式中 T——物体的真实温度；

　　 TF——物体的辐射温度。

由上式可得

上式表示了物体辐射温度与真实温度之间的关系。当辐射系数ε和物体辐射温度已知时，可以求出物体的实际温度来。表8.2-1为部分常用材料的辐射系数ε。

表8.2-1　常用材料的辐射系数

2.红外辐射温度传感器

红外辐射是一种电磁波，其波长范围在0.76～420μm之间。根据电磁波谱，红外辐射是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光，与所有电磁波一样，红外辐射也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

不论任何物体，只要其本身温度高于绝对零度（－273.16℃），就会不断辐射红外线。物体的温度越高，辐射功率越大。因此，可以利用红外辐射来测量物体的温度。实际应用中，随着应用场合的不同，所用红外辐射的波长也不同。

红外辐射在温度测量方面的应用依据的是斯特潘-玻而兹曼定律。只要测得物体在温度T时，单位时间、单位面积的红外辐射总能量E，就可以确定物体的热力学温度T。(www.xing528.com)

红外辐射传感器能够把红外辐射量的变化转化为电量的变化。根据其所依据的物理效应，有热敏和光敏两大类型。

红外辐射温度传感器不但可以制成红外测温装置，而且可以用于红外无损探伤。红外无损探伤的原理是当内部存在缺陷的工件均匀受热而温度升高时，由于缺陷的存在，将使热流的流动受到阻碍，从而在工件的相应部位上出现温度异常现象。据此可以探测金属、陶瓷、塑料、橡胶等各种材料中的裂缝、异物、气泡、孔洞等各种缺陷。

3.光电亮度温度传感器

光电亮度温度传感器的简单测量方案如图8.2-1所示。

图8.2-1　光电亮度温度传感器简单测量方案

1-被测对象；2-透镜；3-滤光片；4-光敏元件；5-放大电路；6-显示仪表

被测辐射经简单光学系统直接聚焦在光敏元件上，输出信号经放大后由显示仪表显示。光敏元件较灵敏时，可不必放大，直接用毫伏表显示。

4.光电比色温度传感器

当物体温度升高时，绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化。辐射峰值向波长短的方向移动，光谱分布曲线的斜率也明显增加。由于斜率的增加使两个波长对应的光谱能量也将产生明显的变化。光电比色温度传感器就是通过测量两个光谱能量比的方法来检测温度的。测量非黑体温度时得到的温度称作比色温度，当绝对黑体辐射的两个波长λ1、λ2的亮度比等于非黑体的响应亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的比色温度。

根据比色温度的定义有

式中 L0λ1TS、L0λ2TS——绝对黑体温度为TS时，波长为λ1和λ2的单色辐射亮度；Lλ1T、Lλ2T——非黑体相应的辐射亮度。

由上式可得

式中 TS——被测物体的比色温度；

　　 ελ1、ελ2——被测物体在波长λ1和λ2的单色辐射系数。

如果某些非黑体在波长λ1和λ2的单色辐射系数相等，则物体的比色温度就等于其真实温度。由于很多金属或合金随波长的增加其单色辐射系数是减小的，所以这些物质的比色温度一般高于实际温度。又由于很多金属的ελ1和ελ2近似相等，所以这些物质的比色温度一般近似相等于实际温度。另外，由于难于测出辐射系数的绝对值，而应用两个波长的辐射系数比值较容易测定。在使用环境方面，选择了两个波长的亮度比，中间介质的影响大大变小。

比色温度的测量可以应用两个波长亮度温度换算成比色温度，其方法是把单色温度代入式（8.2-4），化简得

式中 TL1、TL2——两波长对应的亮度温度。

光电比色温度传感器测量方案如图8.2-2所示。

被测对象1辐射来的射线经光学系统聚焦在光敏元件上，在光敏元件之前放开孔的旋转调制盘。圆盘由电机5带动，把光线调制成交变的，在圆盘的开孔上附有两种颜色滤光片3，一般多选红、蓝色。红、蓝色光交替地照在光敏元件上，使光敏元件输出相应的红光和蓝光电信号，两个信号放大并经运算后送到显示装置。

图8.2-2　光电比色温度传感器测量方案

1-被测对象；2-透镜；3-滤光片；4-调制盘；5-电机；6-光敏元件；7-放大电路；8-显示仪表