比色温度计的波长选择

　　辐射测温广泛应用于远距离及运动目标的非接触测温。比色温度计可用于较恶劣场合,具有较强的抗干扰能力。波长选择直接影响到测温范围、测温精度。本文讨论被测物体辐射率、被测温度范围和辐射饱和以及测量通路介质对波长选择的影响。

　　1　比色示值

　　根据描述黑体辐射亮度的普朗克定律:

　　式中,L(λ,T)为黑体单色光谱辐射亮度;C1=2πhc2为第一辐射常数,c为电磁波在真空中的传播速度,h为普朗克常数;λ为黑体辐射波长;C2=hc/k为第二辐射常数,k为玻耳兹曼常数;T为黑体温度。

　　选定两波长二单色辐射亮度之比R[1]:

　　可见R为黑体温度T的单值函数,将R按T分度即为比色温度计的示值温度TR。

　　2　辐射率

　　实际物体的辐射率与材质、波长、温度、表面状况及方向有关,难以精确补偿与修正,但只要在两波长λ1、λ2上的辐射率相等或接近,就可以抵消辐射率变化的影响或将其影响减小到最低限度。

　　2.1　单色辐射率与波长

　　金属的单色辐射率在红外区随波长的增大而呈近似指数规律减小,但在可见光及近红外区其随波长增大的变化不规则[2]。材料表面状况如氧化层会强烈影响单色辐射率[3],可使法向单色辐射率变化达数倍。这就要求λ1、λ2的选择:

　　a)相距较近;

　　b)处于单色辐射率恒定或变化平缓的波段,如严重氧化的不锈钢,1 200 K时在λ=0.6μm附近单色辐射率均为0.8,若将λ1、λ2选择在此波段,则可在比色运算中将辐射率抵消。

　　2.2　辐射率与观测角度

　　这实际上是辐射源向半球空间的辐射亮度与法向辐射亮度之间的关系[2,4]。黑体遵循兰伯特余弦定律。对于金属,在与法线夹角的45°以内辐射率几乎与夹角无关,之后由于偏振辐射率随夹角增大,当夹角接近90°时减小为零。非导电体一般具有较高的辐射率,在与法线夹角的60°内几乎无变化,之后随夹角的增大而减小。比色温度计两波长的观测角度相同而使辐射率的变化相抵消,故对观测角度不敏感,但也不能接近90°。

　　3　分辨率与饱和

　　3.1　峰值波长

　　为得到较大辐射亮度,所选波长应接近被测温度辐射亮度最大值所对应的波长,其值由下式确定[1]:

　　λ_mT=2 898 (3)

　　式中,λm为黑体单色光谱辐射峰值波长;T为被测目标热力学温度。

　　3.2　饱和问题

　　对于任一选定波长λe,黑体单色辐射亮度的分辨率随温度升高而降低,即当