[发明专利]非接触式测温方法、点温仪及其应用

说明书

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，尤其涉及一种非接触式测温方法、一种采用上述方法的点温仪及其应用，用以替换市场上已有的非接触式测温仪和非接触式温度传感器系统，提高测量精度。

背景技术

在接触式测温方法中，国际上已经公认铂电阻(-200℃～+900℃)和铂-铑热电偶(300℃～1450℃)其测量的温度是准确的，并可作为接触式计量温度的标准具，因为它具有测量一个点的温度，并且与接触该点的表面材料无关的特性，在温度缓慢变化或者静态的条件下具有很高的精度。但是由于铂电阻和热电偶在高温状态下不能胜任、动态目标不能应用、与现代计算机高速响应不能配套等原因，未来的发展还是非接触式测温方法趋于主导地位。由于被测目标表面受对流、传导、热辐射的影响，其表面温度不可能均匀，即使是一个保温箱，把对流、传导、热辐射全部隔绝，箱内放置的物体表面温度仍然是不均匀分布，只是隔绝状态下是稳定的温度梯度与不隔绝状态下是随机变化的温度梯度的差别。所以测定一个点的温度才能表示温度是一个精确的概念，测定一个面的温度是一个模糊的、大约的概念。并且温度是度量物体冷热的物理量，其度量时对任何材料应该一视同仁。可是现在市场上已经在广泛应用的非接触式测温仪，如许多国家在生产的非接触式红外测温仪，光学高温计，精密辐射高温计等，都不能测量点温，都与被测表面的材料有关，与非接触测量的距离变化有关。这些测温仪的理论依据是黑体辐射定律，德国物理学家普朗克在1900年做这个实验的出发点是想修正维恩提出的最大辐射功率的波长随着温度升高向短波方向移动的位移定律。但这个实验的最大贡献却是为量子光学的建立提供了依据，因为他用数学推导方法得到了电磁波的量子化假说，普朗克与1905年提出光子理论第一人的爱因斯坦的光子假说都成为量子力学的基石。他们的实验与理论确认了光的波粒二象性，结束了三百多年的争论。普朗克发现黑体辐射定律的时候还没有半导体光电二极管、红外探测器，更没有光纤。他用一个空心球体作为黑体，将热电偶的端点置于球心，加热球体外表面，由于内表面的积分效应，使辐射热聚集到球心处的热电偶端点，得到了任意温度下，黑体辐射功率与辐射波频率或者波长之间的关系，称为普朗克黑体辐射定律。我们通过多年的实践与研究表明该定律存在两个问题：其一，热电偶端点是两根不同材料的金属丝结点受热，产生电动势，我们称为热电效应，不是光电效应，但根据黑体辐射定律，黑体辐射波是一种光波，加热了热电偶，实际上光波转换成电流，必须具有光电效应的转换元件才能发挥最大的效率；问题之二：众所周知，热电偶只有接触被测物才有正确的温度值，像普朗克的实验装置那样，既不是接触式，又不是埋入式，将热电偶置于热场空间的球心能量不可能准确代表内球面的能量。实践证明普朗克定律应用于测温技术中，只是一个近似温度或者相对温度，不是真实温度。即使后人采用了先进的传感器光纤、先进的光电转换元件，只要以黑体辐射为标准，非黑体采用调整辐射系数补偿温度的方法，同样得到的是一个稳定的、不正确的温度，因为其信号接收与处理方法，无法满足真实温度的要求，尤其辐射系数与同类材料组分差别、材料表面粗糙度差别、颜色差别有关，采用双波长比较法，可以补偿距离变化给温度带来的误差，但距离又与辐射系数、提供信息的目标面积等因素搅拌在一起，没有一种固定的关系式。因此市场上已经存在的以普朗克黑体辐射定律为基础的非接触式测温仪，实际上均不能真正正确地测量温度。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种非接触式测温方法以及采用上述方法的点温仪，以及该点温仪作为标准具的应用，达到了光学点温的测量，并且具有与材料无关、与辐射波无关、与发热体面积无关、与非接触有限距离变化无关的特性。

我们确认，以波动光学成像理论为基础，结合20世纪50年代末已经诞生的传感器光纤以及在量子光学引导下在20世纪60年代问世的半导体激光器、光电二极管等器件，完全可以把非接触式测温仪彻底改正。波动光学成像理论告诉我们，一个单球面透镜像差大，好比单透镜的玩具照相机，在准确调焦下，虽然像面边缘不清楚，但像面中心始终是清楚地呈现在我们面前，证明目标表面与透镜同心的那一部分波能不失真地到达了像面，用光栏可以进一步缩小中心像面，然后再用光纤端面与像面中心耦合，实现点目标测量目的。

从波动光学经典理论可知，光波的频率(γ)，是真空中的光速(C)除以该光波的波长(λ)，即；γ＝C/λ，C＝30万公里/秒。则γ＝C·Ln′λ，因为1/λ是lnλ的微分。现定义波数(m)是波长的倒数，即：

m＝1/λ＝Ln′λ                         (1)