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红外测温仪玻璃温度测量

2022/2/24 16:33:11      点击:

基本背景

理想的黑体

黑体会从其表面发出连续的热辐射流。这种辐射形成了一个连续光谱,辐射强度在整个光谱范围内发生变化。整个光谱范围内每个波长下的辐射量(或亮度)仅取决于黑体温度。每个波长下的辐射量随黑体温度的升高而增加。这些关系在普朗克黑体辐射定律中进行了定量表述。

红外温度计

红外温度计是一种可定量测量黑体或其他辐射物体辐射量的光学装置。有各种各样的温度计,每种温度计都对光谱中的不同波长带产生响应。普朗克关系表明,每种红外温度计都可用于测定黑体辐射体的实际温度。

实际物体和发射率

测量实际物体时,使用红外温度计测量黑体的辐射量(温度)中所涉及的简单关系会变得有些复杂。实际物体(如玻璃瓶)通常不是黑体,其特点是,在同样温度下,它的辐射量可能要低于黑体的辐射量。我们将这两个辐射量的比值定义为实际物体的发射率(ε) 。由于(ε)可随波长发生变化,我们使用光谱发射率λ):

ελ= Radiance of real object at wavelength λ

                                                                 Radiance of blackbody at wavelength λ

其中,两者均处于相同温度。

并且,0 ≤ ε ≤ 1

很清楚,对于在波长(λ)下产生响应的红外温度计,只有在它的校正值λ)已知的情况下,才可测量实际物体的真实温度。

对于由很多材料组成的物体, (ελ)必须用实验方法通过直接温度测量来确定。一些其他材料的ελ值很容易通过较为简单的间接方法来确定。玻璃就是这种材料的一个例子。

基尔霍夫定律

这个基本定律将某个物体的ελ与它的光谱透射率(tλ)和它的光谱反射率(rλ)关联在一起:

(公式1)  ελ = 1 – tλ – rλ

玻璃适合用分光光度计来直接测定(tλ)(rλ)。下面将介绍对钠钙硅玻璃进行这种测量的结果。

钠钙硅玻璃的光学性质

光谱透射率与波长的关系

1显示了几个钠钙硅玻璃厚度的光谱透射率(tλ)与波长λ的关系。这曲线系列清楚地显示了(tλ)与厚度的相关性。请注意各种系列红外温度计的光谱响应区域的位置。



光谱透射率与厚度的关系

2是表示光谱透射率(tλ)与厚度(x)关系的一个半对数曲线图,分别代表工作波长为7.92 um4.8-5.3 um 3.43um的红外温度计的光谱区域。后两个系列温度计的数据是直接从图1获得的,使用了光谱响应的中心波长。注意:7.92 um系列的曲线是从其他实验数据(不是这里提供的数据)估算的。

此曲线图上的所有三条曲线都是直线,符合下面比尔定律的预测:

(公式2) tλ = ε kλx

其中,(kλ)是光谱吸光系数。很清楚,对于玻璃来说,(kλ)将随λ显著变化。

光谱反射率与波长的关系

3是光谱反射率(rλ)与波长(λ)的关系曲线。此数据是在垂直入射光下获得的光滑玻璃表面的数据。这里只有一条曲线,因为(rλ)与玻璃厚度无关。

曲线具有所有石英玻璃的典型形状。反射率在开始的2.5um时较低,并在8 um 附近缓慢下降到o,然后急剧上升,在大约9.5 um处达到峰值。这个反射率峰值是由玻璃中的二氧化硅引起的,与此区域内非常强的二氧化硅吸收带有关。