紫外辐射测温理论分析

D0I:10.13374/j.issnl001053x.1994.04.015 第16卷第4期 北京科技大学学报 Vol.16 No.4 1994年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.1994 紫外辐射测温理论分析 张建勇程瑞雪王绍纯 北京科技大学自动化系，北京100083 摘要本文依据光学高温测量技术的基本原理，分析了测温误差与发射率及波长的关系和提高测 温灵敏度的方法，指出了在紫外波段测温的优点及可行性， 关键词发射率，波长，温度测量，灵敏度，紫外辐射 中图分类号0434.2.0551.2 A Research on Temperature Measurement in Ultraviolet Range Zhang Jianyong Cheng Ruixue Wang Shaochun Department of Automation,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT According to the basic principles of optical pyrometry,the relation between temperature-error and wavelength,emissivity is analyzed.The possibility of sensitivity improvement is presented.And the advantages and possibility of temperature-measuring in Ul- tra-Violet range are pointed out. KYE WORDS emissivity,wavelength,temperature mensurement,sensitivity,ultraviolet radiation 在不能实现接触法测温的情况下，红外辐射测温技术得到广泛应用·但是，实际物体的 单色辐射强度依赖于物体表面单色发射率而：与物体材质、表面状态等多种因素有 关，是工作在红外区的光学高温仪表温度误差的主要来源1习 国内外虽经长期努力，尚未找出消除发射率对测温影响的满意方法，若采用紫外辐射测 温方法，能有效地降低被测温物体发射率对测温精度的影响，本文着重从辐射理论来论证 在紫外波段测温的特点· 1辐射测温误差与波长的关系 辐射测温技术基于普朗克定律，普朗克定律从理论上阐明了黑体单色辐射强度E。:与波 长及温度的关系，并表示为： 1993-10-06收稿 第一作者34岁讲师硕士

第 16 卷 第 4 期 1 9 9 4 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u m a l o f U n i v e sr i t y o f S d en ce a n d T ce h n o l o g y B e ij i n g V o l . 16 N 0 . 4 A gu . 1 9 9 4 紫外 辐射测 温理论分析 张建 勇 程瑞 雪 王 绍 纯 北 京科 技 大学 自动化系 , 北 京 1仪幻8 3 摘要 本文 依据光学高 温测 量技术的 基本原理 , 分析 了测 温 误差 与发射率及 波长的 关 系和 提高测 温 灵 敏度 的方法 , 指 出 了 在紫外波段测 温的 优点及 可 行性 . 关键词 发射率 , 波长 , 温 度测量 , 灵敏度 , 紫外辐射 中图 分类号 0 4 34 . 2 , 0 5 5 1 . 2 A R es e a r c h o n T e m P e r a t ur e M e a s ur e me n t i n U lt r a v i o l e t R a n g e Z h a n g iJ a ny 训9 C h en g R u i x u e If a n g hS a o e h u n D e P a r t m e n t o f A u t o m a t l o n , U S T B , B e i j i n g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T A co rd i n g t o t h e b a s i c P ir n c iP les o f o P t ica l Py ro me try , t h e er l a t i o n b e t t wen em P e ar t u er 一 e mr r a n d aw v e len g th , e n l ` s i v it y 15 a n a l y衣沮 . hT e P o s s ib l it y o f s ens it i v ity lm Por v emn t 15 P esr en t de . nA d t h e a d v a n at g es a n d P o s s ib il it y o f t em P e ar t u er 一 n l e a s u ir n g i n U I - 比 一 iV o l e t r a n g e a er P o l n t de o u t . K Y E W O R I〕5 e ln 巧 s i v i ty , wa v e l e n g t h , te m P e ar t u er mens u er men t , s ens it i v it y , ul alt v i o l e t aI d i a t i o n 在不 能实 现接 触法 测温 的 情况 下 , 红外 辐射 测温 技 术得 到广泛 应 用 . 但 是 , 实 际物体 的 单 色 辐 射 强 度 依 赖 于 物 体表 面 单 色 发 射 率气 . 而 气 与 物 体 材 质 、 表 面 状 态 等 多 种 因 素有 关 , 是工 作在 红外 区 的光学 高 温仪 表温 度误 差 的主 要来源 [ ’ , 2 .] 国 内外虽 经 长期努 力 , 尚未找 出消 除发 射 率对测温 影 响的满意 方 法 , 若采 用紫 外辐 射 测 温方 法 , 能有 效地 降低 被测 温 物体发射 率 对测 温 精度 的影 响 . 本 文着 重 从 辐 射 理 论 来 论 证 在紫 外波 段测 温 的特 点 . 1 辐射测温 误差 与 波长 的关 系 辐 射测 温技 术基 于普 朗 克定律 . 普 朗克定 律从理论上 阐 明了黑 体单色辐 射强 度 E b * 与波 长及 温度 的关系 , 并 表示 为 : 19 3 一 10 一 06 收稿 第一 作 者 男 34 岁 讲 师 硕 士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 04. 015

Vol.16 No.4 张建勇等：紫外辐射测温理论分析 375, E=力en可 (1) 式中：Eb:一黑体单色辐射强度，单位W/m·m;T一黑体的热力学温度，单位K; 入一波长，单位um;G1一普朗克第一常数，c,=3.743×103W·m/m;c2一普朗克第二 常数，c2=1.4380×10m/K. 在AT≤3000um·K时，可用维恩公式近似普朗克定律： E=分。 (2) 式中各符号与普朗克公式相同. 对于实际物体，在温度T时，单色辐射强度E,随波长的分布为： E=e,E=c:第e7 (W/m2.um) (3) 式中，ε：为实际物体的单色发射率（即单色黑度，e:在0~1之间），其他符号与普朗克公式 相同· 根据公式(3)，可以求出由于单色发射率变化引起的测温误差： T=T4c=imT2△e T C2 E C2 Am Bx 式中，称为峰值波长，即在温度T时，黑体单色辐射强度为极大值所对应的波长· 根据维恩位移定律，峰值波长与温度的乘积为常数： 1mT-2898(um·K) (4) 将(4)式结果代人△T/T表达式，得到： -02015÷尝 T (5) 根据公式(5)知，由于发射率变化所引起 的测温误差与波长1有关，对于相同的△e:/e, 25m /入越小，测温误差越小·紫外波段波长较红 02 03 外区短，所以工作在紫外波段的辐射高温计 20 04 将具有较小的误差，为了讨论方便，以单色高 615 40.5- 温计为例，不进行发射率修正，以同样辐射强度 0.6 对应的黑体温度作为指示温度，指示温度（即 10 -07 亮度温度)与真实温度之差作为测温误差·设 08 实际物体的单色发射率为ε：，则公式(S)可写 ,09 成： 0.00.2 0.40.60.81.0 =02015元n6(6) /1。 T 图1测温误差与波长及发射率的关系 按(6)式，可以得到图1.当条件八m·ln: Fig.1 Variation of the error of temperature <120成立时，按上述误差定义，其误差值 versus wavelenght and emissivity 约为1%.在这种情况下，即使对发射率不加

V b l . 16 N b . 4 张建 勇等: 紫外辐射测温理 沦分析 E b * C - ( e c , /几 丁一 l ) ( l ) 式 中: E b *一 黑 体单 色 辐射 强度 , 单位 w / m Z · # m ; T 一 黑 体 的 热 力 学 温 度 , 单位 K ; 又 一 波 长 , 单 位娜 ; c l 一 普 朗克第 一 常数 , c l 二 .3 7 43 x 10 8 w · #耐m/ 2 ; 。 2 一 普 朗 克第二 常数 , e Z = l . 4 3 8 o x 1o ` 声皿 / K . 在 又T 簇 3 0 0 拜m · K 时 , 可 用维 恩公 式 近似 普 朗克定 律 : _ C , . , ` b “ 一 及二 ` ( 2 ) 式 中各符 号 与普 朗克公 式 相 同 . 对于 实 际物体 , 在 温 度 T 时 , 单 色辐 射强 度 E * 随波 长 的分 布 为 : _ 一 c l “ - 一 五 “ 一 “ “ 石 b * 一 “ * 示 “ 一 “ ’ “ ( W / -m ’ “ m ) ( 3 ) 式 中 , 。 * 为 实 际物体的单色 发射 率 ( 即单色 黑度 , 。、 在 O 一 1 之间 ) , 其他符号与普 朗 克公式 相 同 . 根据公 式 ( 3) , 可以 求 出由于 单色 发射 率 变化 引起 的测 温误 差 : 、 一奴。 一六口L 一弋 . 式一 一阮 一 。 △ T 汗一。 T 式 中 , 侃 称为峰值波 长 , 即在 温度 T 时 , 黑体单色辐 射强 度为极 大 值所 对应 的波 长 . 根 据维 恩位移定 律 , 峰值 波 长 与温 度的乘积为 常数 : 只m T = 2 8 9 8 扭m · K ) ( 4 ) 将 (4) 式结 果代人 △T / T 表 达式 , 得 到 : △ T T 一 0 . 2 0 2 5 二 只m 些￡, ( 5 ) 根据公式 ( 5) 知 , 由于发射率 变化 所 引起 的 测 温 误差 与 波 长 又有 关 , 对于 相 同的△: ; / : 、 , 刀弋越小 , 测 温 误 差 越小 . 紫外 波 段波 长较 红 外 区 短 , 所 以 工 作 在 紫 外 波 段 的 辐 射 高 温 计 将具 有较小 的误差 . 为 了讨论 方便 , 以 单 色 高 温计 为例 , 不进行 发射率修正 , 以 同样 辐射 强度 对应 的黑体 温度作 为指 示温 度 , 指 示 温度 ( 即 亮 度温 度 ) 与真 实温度 之差 作 为测 温误 差 . 设 实际 物体 的单 色发 射率 为 ￡* , 则公 式 ( 5) 可 写 成 : 岁、卜V 等 一 0 2 0 , 5会 ,一 按 ( 6) 式 , < l 2/ 0 成 立 时 , 可 以 得 到 图 1 . 当条件又/弋 ( 6 ) · I n ￡、 按 上 述 误 差 定 义 , 其 误差 值 叼 又。 图 1 测 温误差 与波长及发 射率的 关 系 瑰J Va iar it 以】 of 胶 e n 习 r of t印l pe 份 t” er v e 眨亚石 们v公狱蜘t a l记 曰成茄 访yt 约 为 1 % . 在 这 种情 况 下 , 即使 对 发射 率不 加

.376 北京科技大学学报 1994年No.4 修正，其精度已高于目前红外测温仪表，由于工作波长选择在紫外区，1/几。较小，而且对 于多数材料来说，其单色发射率随波长减小而增加，所以，波长越短，公式(6)中le也 越小·由于上述原因，条件/2m·e,<1/20在紫外波段是较易满足的，对于工作在红外 区的高温计来说，实现上述条件是困难的· 2紫外测温灵敏度分析 忽略发射率随温度的变化，根据维恩公式可以导出单色辐射测温的灵敏度表达式为： s=dE:lEs=↓ 元 (7) dT 从(7)）式可知，对于相同的温度变化，波长越短，单色辐射强度相对变化量越大·在 红外辐射测温中，由于顾及辐射强度，测温波段往往选择在峰值波长附近，在那里，单色 辐射测温灵敏度S是低的·而在紫外区，尽管其单色辐射强度较低，但其随温度的相对变化 量却较高，根据公式(7)，可以看出工作在尽可能低的波长对提高灵敏度是有利的，当然， 必须注意，在短波段，辐射强度较弱，波长的选择，必须考虑辐射能量是可被探测到的， 此外，由于紫外波段不在可见光区，所以紫外辐射测温能避免可见光干扰· 3结论 (1)紫外测温技术可消除发射率对测温精度的影响· (2)在紫外区，由于单色辐射强度较低，对该波段信号的检测具有一定难度· (3)如果利用高灵敏度的光电转换器和相应的微弱信号处理技术，可以实现利用紫外波 段测温· 参考文献 1高魁明，谢植，红外射测温理论与技术，沈阳：东北工学院出版社，1989 2 Siegel Howel.Thermal Radiation Heat Transfer.Washington D C:Hemisphere Publishing Corp,1981

· 3 7 6 · 北 京 科 技 大 学 学 报 l 卯4 年 N b . 4 修正 , 其精度 已 高于 目前红外 测温 仪表 . 由于 工作波 长 选 择在 紫 外 区 , 又/又m 较 小 , 而 且 对 于多 数材料 来说 , 其单色 发射 率随 波 长 减 小 而 增 加 , 所 以 , 波 长 越 短 , 公 式 ( 6) 中 in 几也 越小 . 由于 上 述 原 因 , 条件 刀凡 · nI 几 < 1/20 在 紫 外 波 段 是 较 易 满 足 的 , 对 于 工 作 在 红 外 区 的高温计来说 , 实现上 述条件是 困难 的 . 2 紫外测温灵敏度 分析 忽 略发 射率 随温度 的变 化 , 根 据 维恩 公式 可 以 导 出单 色辐 射测 温 的灵敏 度 表达 式为 : _ d E 、 / E 、 _ c : l d T T Z 又 ( 7 ) 从 ( 7) 式 可知 , 对于相 同 的温度 变化 , 波 长越 短 , 单 色 辐 射 强 度 相 对变 化 量 越 大 . 在 红 外 辐射测 温 中 , 由于顾及 辐射 强度 , 测 温 波 段 往 往 选 择 在 峰值 波 长 附近 , 在 那 里 , 单色 辐 射测温灵敏度 S 是 低 的 . 而 在紫 外 区 , 尽 管 其单 色辐 射 强度 较低 , 但其 随温 度 的相 对变化 量 却 较高 . 根 据公式 ( 7) , 可 以 看 出工作 在 尽可 能低 的 波长 对提 高灵 敏 度 是 有 利 的 . 当然 , 必 须注意 , 在 短波 段 , 辐射 强度 较弱 , 波 长 的选 择 , 必 须考 虑辐 射能 量是 可被 探测 到 的 . 此外 , 由于 紫外波 段不 在可 见光 区 , 所 以 紫外辐 射 测温 能避 免可 见光 干扰 . 3 结 论 ( l) 紫外 测温 技术 可消 除 发射率 对测 温 精度 的影 响 . ( 2) 在紫外 区 , 由于单色 辐射 强度 较低 , 对该 波段 信号 的检 测具 有 一定难 度 . ( 3) 如果利 用高灵 敏度 的 光 电转换器和 相 应 的微弱 信 号处理 技 术 , 可 以 实现利 用紫 外 波 段 测 温 . 参 考 文 献 高魁明 , 谢植 S岭罗 I H 。侧 · . 红外射测 温理 论与 技术 , 沈 阳 : 东北工 学院出版社 , 1989 旧阮 m 司 R 出土a iot n H雌t T n u 拐 fe r . W as ihl 尊o n D :C H e ln 巧 phe re P u bljs l l i n g bC 甲 , 198 1