2.4 辐射测温法

纵观温度测量的研究 ^[97-106] ，在很长一段时间内，辐射测温法抗干扰性和可靠性都不太高，且辐射测温法的测量范围也只限于较高的温度，发展颇为缓慢。但是，随着计算机科学技术的飞速发展与广泛应用，半导体材料的快速进步以及电子技术的迅猛发展，近年来辐射测温技术得到了长足的发展与进步，使得辐射测温显得更加活跃。辐射测温法的优点与缺点如表2-2所示。

根据不同的测温原理和测温方法，目前的辐射测温法主要有全辐射测温法、亮度测温法、比色测温法和多光谱测温法。

2.4.1 全辐射测温法

基于斯特藩-玻尔兹曼定律的测温方法就是全辐射测温法，即通过测量物体辐射波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的温度，满足式（2-31）。

式中，σ是斯特藩-玻尔兹曼常量，其值为5.6703×10 ^-8 W /（m ² ·K ⁴ ）。

在整个光谱范围内，当温度为T的被测物体总辐射通量与温度为T _r 的绝对黑体相等时，黑体的温度T _r 就是被测物体的辐射温度T。被测物在温度为T时的总辐射出射度为

根据定义有 ，则只要测出全波长范围内的总辐射出射度就可以确定被测辐射源的温度。测量温度T _r 为黑体的温度，被测辐射源的真实温度为T，二者的关系为

式中，ε (T )为所有波长的实际物体的总发射率，即全辐射发射率。

由于ε (T )<1，故所测定的结果T _r < T，需要按物体的ε (T) 值进行修正。

由于全辐射高温计能够实现自动测量，使用起来操作方便，而且其结构简单，因此在工业应用中常常用来做固定目标温度的监控装置。对辐射测温仪的发射率修正不当与对被测对象的发射率估计不足，是使用全辐射测温法测量温度时产生测量误差的主要原因。另外，在测量距离内介质的发射率、透过率、吸收率以及周围背景的杂散辐射都会对测量精确度产生影响。

2.4.2 亮度测温法

亮度测温法的基本理论是普朗克定律或维恩公式。亮度测温仪的工作原理是通过测量目标辐射源发射在波长范围[λ，λ +Δλ]内的辐射功率来确定目标温度。在某一波段内，当一物体的单色辐射出射度等于绝对黑体单色辐射出射度时，此黑体的温度就是该物体的亮度温度，其表达式为

根据亮度温度的定义，可知物体的亮度温度T _l 和真温T的关系为

对于上式，若能准确知道被测辐射源的发射率ε ( λ，T)，就可以对其进行计算修正。

辐射测温法普遍存在的影响温度测量精确度的因素是发射率，要想减少发射率引起的实验误差，就要选择波长较短的波段，而且波长越短精确度往往越高。单色测温仪，一般在短波区工作，尤其是高温单色测温仪，大多数工作范围选择在小于3μm的波段。

此外，维恩位移定律表明，物体温度越高，其辐射的波长越短。若要对较低温物体进行温度测量，则需要选择较长的波长。另外需要指出：短波单色测温仪能测量的温度范围窄，且易受到外界干扰而导致测温性能不稳定，精确度不高；而长波单色测温仪，有较宽的温度测量范围，但其测量误差大。

亮度测温法是目前应用较为广泛的辐射测温方法，其灵敏度较高，只是对发射率ε ( λ，T) 的依赖性极强。而发射率ε ( λ，T) 决定于材料性质、物体表面形状和温度等，很难精确得到。亮度测温法中发射率ε ( λ，T) 的精确度又直接影响测温系统的性能和精度，因而，亮度测温法仍然存在诸多不足之处。

2.4.3 比色测温法

比色测温法也称颜色测温法，它是利用波长窄带比较技术对被测对象的光谱辐射进行温度测量的。比色测温原理根据辐射源在两个相邻狭窄波段内的光谱辐射出射度比值与温度之间的函数关系来测量并确定辐射源的温度。经过充分的科学实验验证，比色测温法具有测量精度高和抗干扰能力强的优点，因此比色测温法是目前被各国科学家深入研究的测温方法。

假定辐射源的发射率在 两波段范围内相等，那么红外探测器在这两波段范围内接收的辐射能量之比，就只是温度的函数，而与辐射源的发射率无关。目前应用的比色测温仪就是通过此原理来确定物体真实温度的，不过比较遗憾的是大多应用领域是针对高温物体的测量，目前还没有用于较低温物体的测量仪器。

比色测温的定义为：在两个波长λ ₁ 和λ ₂ 处，若目标辐射源的光谱辐射亮度之比等于黑体辐射的光谱辐射亮度之比，那么可以推断此目标辐射源的比色温度T 即为黑体的温度。波长λ ₁ 和λ ₂ 处辐射功率比值R (T )为

因为两波长波段很窄，可忽略不计，则有

假设两波长所对应的发射率存在相等关系，即ε(λ ₁ )=ε(λ ₂ )，实际温度T _r 就等于所测得的温度T，即有

由式（2-36）～式（2-38）可知，提高比色测温精度的关键是使两波长处的发射率相近，也就是必须选择合适的波长，使两个波长处发射率相近。

2.4.4 多光谱测温法

多光谱测温法的原理分析：此方法利用目标辐射源的多光谱辐射能量信息，通过数据处理得到目标真温和材料发射率。目前，多光谱测温仪对辐射源测得的还只是物体的假定温度而非真实温度，如亮度温度、色温及辐射温度等。多光谱测温法无法直接得到物体的真实温度，其原因在于此法测量的值是物体的热辐射通量，而辐射通量往往取决于材料发射率和物体等。材料发射率总是受到很多因素的影响，如被测辐射源的表面形状、温度和辐射波长等。

假设多波长温度计有n个通道，普朗克定律用维恩公式来代替，那么可得到第i个通道输出的信号V _i 表示为

其中i=1，2，……，n，则有n个方程，未知数ε ( λ _i ，T )和T共有 n+1个。根据数学知识可知，必须找到另一个方程才能求解。多光谱测温法应用起来不但结构复杂，而且计算也特别繁复，因而目前应用的并不广泛。

2.4.5 辐射测温方法的优缺点

经过上述对辐射测温多种方法的介绍，充分考虑各种辐射测温方法的优缺点，选择合适的辐射测温方法。各种辐射测温方法的优点和缺点如表2-3所示。由表中各种辐射测温方法的优点和缺点可知，全辐射测温法和亮度测温法的测量结果分别是辐射温度和亮度温度，要求出辐射源的真实温度必须知道其组成材料的发射率，而发射率的影响因素极多，如介质的波长、表面条件、发射角及偏振状态等。尽管多光谱测温法精确度很高，但是工艺太过复杂，成本太高，且计算量大，不易推广。比色测温法不但能克服上述方法的不足，且能获得不错的测量精度。