比色测温的波长选择

The wavelength selection of colorimetric temperature measurementFENG Chi ，ZHANG Chongguan ，WANG Zhaofeng1.College oflnformion and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China2.General Manager Ofice，XiallAero-Engine Public Limited Company，Xian 710021，ChinaAbstract：This paper first introduces the basic principle of radiation thermometry，and then based on the principle ofcolorimetric temperature measurement，explores the method and principle of wavelength selection in radiation thermometry。

W ith the derivation ofthe energy flux density ofblackbody，the range ofratios ofthe output voltage and signal·-to-noise areanalysed in detail，drawing specific data to determine the requirement of wavelength according to temperature of the testedobject，and the rationality of the method using narowband filter to substitute single point wavelength is proved.The methodof wavelength selection presented in this paper is suitable for various temperature ranges in wavelength selection of radiationthermometry.Finally，the experimental data obtained by the temperature measurement system proves the correctness of thewavelength selection，which basically eliminates influence of emissivity to a certain degree。

Keywords：wavelength selection；colorimetric temperature measurement；narrowband filter；emi ssivity；signal-to-noise ratio温度是反应物质状态的基本参数之-，它的测量与控制在国防事业、工农业生产、医学等方面具有越来越重要的作用，特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要地位 .温度的测量方法大致可分为 2种：接触法和非接触法.在接触测温法中，热电偶和热电阻温度计应用最为广泛.该方法的优点是设备和操作简单，测得的是物体的真实温度等；其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体的温度分布有影响，且不能应用于甚高温收稿日期：2012.11.29. 网络出版日期：2013.05.23。

基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目 (P081512005)。

作者简介：冯驰 (1961-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：数字图像采集压缩和传输、计算机视觉、网络物理隔离及安全系统，E-mail：fengchi###hrbeu.edu.cn。

测量.目前非接触测温法仍以辐射测温法为主，在过去相当长的时间里，辐射测温法的可靠性和抗干扰性都不太高，且测量范围往往仅限于较高温度2 J.近年来，随着电子技术的快速发展、光电管精确性的提高、半导体材料的进步及计算机技术的发展与应用，辐射测温技术有了长足的发展与进步5].仪器的制造水平、性能指标已有了显著提高，辐射真温测量研究、标定技术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果，这为后继者的继续研究提供了有利条件j制。

1 辐射测温原理1.1 普朗克定律1)普朗克公式.能够不受温度的影响，全部吸收·46· 应 用 科 技 第 40卷投射到其表面上的任意波长辐射能的物体通常称之为绝对黑体.绝对黑体的光谱辐射亮度 ( ，T)与热力学温度 及波长 的关系遵循普朗克定律 ， ：/1；毒 .， ，1、式中：ct为第-辐射常数，C2为第二辐射常数，具体数值如下：C12nhc23.741 774 9× 10。l6W .m2，C2hc/k-1.438 769 10～m.K。

式中：h为普朗克常数，h6.626 075 5×10 J.S；C为电磁波在真空中的传播速度，C299 792 458 m/s；k为波尔兹曼常数，k1.380 658×10-23 J/K。

从理论上看，普朗克公式对任何温度都是适用的，但在实际应用时很不方便，因而在低温与短波长下通常采用维恩公式 ，刚。

2)维恩公式.在低温、短波长时，c2/ 1即hc/k>>2T时，普朗克公式简化为维恩公式口， ：- 厶( ，T) e 。

兀在温度 T<3 000K和波长2<0.8 grn条件下，能很好地满足 c2/( >>1，因此，完全可以用便于计算的维恩公式代替形式复杂的普朗克公式[ ， 。

1.2 维恩位移定律在某-温度下，黑体光谱辐射亮度最大值所对应的波长为2 与温度 的乘积为常数，这就是维恩位移定律：T2898gm ·K。

当黑体温度升高时，峰值波长向短波长方向移动；反之，则向长波长方向移动.通过对黑体光谱辐射亮度进行测量从而计算其温度的方法就是通常所说的亮度测温技术[6]。

1.3 比色测温法原理根据维恩公式，当 <<1时，黑体的近似表达式为0( ， )c ～exp(- )；几 黑体的辐射亮度表达式为( ，T)c ～exp(～ )；几 非黑体的辐射亮度表达式为：三( ，T) ( ，r)cl～exp(- )。

几 比色测温选择的2个波长 和 ，根据以上条件有如 F 2个等式成立 ：( ， ) ( ，r)cl&- exp(- )，/L( ，T)占( ，r)cl- exp(- )。

整坪可得To (去- 1)式中： 为比色温度；K为波长分别为A和 时辐射亮度的比直.式 (1)给出了比色测温法的理论依据，只需测量不同波长对应的辐射亮度，同时根据所选择的波长参数以及lf 恪 自的发刳璋荡舸 以计算出比色li岳唛闭。

2 波长选择2.1 波长选择存在的问题比色测温的重点和难点是发射率的确定.发射率受很多因素的影响，通过计算的方式获得的发射率误差比较大，而