辐射温度计技术解析

在某些极端工况下，传统的接触式温度测量方法会遇到难以逾越的障碍。比如，如何测量一个高速旋转的涡轮叶片、一座炽热的熔炉，甚至是遥远恒星的温度？这些场景中，目标物体或距离遥远，或运动迅捷，或温度过高，或存在安全风险，使得直接接触变得不切实际甚至毫无可能。此时，辐射温度计（Radiation Thermometer）便成为一种卓越，甚至是唯一的解决方案。

辐射温度计的核心原理在于，它通过测量物体因自身温度而发出的热辐射来确定其表面温度。这是一种非接触式的遥感测量技术。

工作原理与计量溯源

辐射测温技术并非经验性的估测，而是建立在坚实的物理学基础之上，例如普朗克定律（Planck’s law）。这使得其工作过程可以被精确地、细致地建模。通过与水三相点或其他固定点温度下的基准进行直接比对，辐射温度计的测量结果能够直接溯源至1990年国际温标（ITS-90），保证了其量值的准确性与可比性。

然而，实际测量并非简单地接收辐射信号。测得的辐射率（Radiance）必须经过修正。两个主要的干扰因素是：样品表面的自身特性，即其光谱发射率（spectral emissivity）；以及来自周围环境、反射进入探测器的杂散光。精确修正这些因素是获得可靠数据的关键。

一个值得探讨的特性是，辐射温度计测量的是物体“表面”的温度，而非其内部“体温”。这可以被视为该方法的“传感元件”就是物体的表层。对于需要获取材料内部整体温度的场景，这无疑是一个局限。但反过来看，当表面温度本身就是研究的核心（例如在涂层、薄膜或表面处理工艺中），这个特性就转变成了无可比拟的优势。

仪器构造与核心组件

市面上最常见的辐射温度计是光谱波段型辐射温度计。其基本设计原理和实物照片如下图所示。

图1 辐射温度计原理设计与实物照片

它的主要构成部分包括：

1. 聚焦光学系统：包含一组两个光阑，用于精确界定被测目标区域和视场范围。
2. 带通滤波器：位于光路中，用以筛选出我们感兴趣的特定波长范围的光辐射。
3. 辐射探测器：将收集到的光通量转化为电流信号。
4. 信号处理与显示单元：对电流信号进行放大处理，并最终在显示器上呈现出温度读数。

标定方法：以黑体为基准

尽管万物皆有辐射，但只有在特定的几何构型下，其辐射度才可以被“从头计算”（ab initio），这类辐射源因此可用于校准电磁辐射探测器，尤其是辐射温度计。

这类可计算的辐射源主要是黑体（Blackbody）和电子储存环。黑体完全遵循普朗克定律进行辐射，而电子储存环则能在更高能量下产生遵循施温格公式（Schwinger formula）的同步辐射。在辐射测温技术常用的波长范围内，普朗克定律是主要依据，因此，在ITS-90固定点温度下工作的黑体辐射源，自然成为温度标定的首选标准装置。

对于高于200°C的样品，光谱波段型辐射温度计测得的光谱辐射率 L_meas 可由下式给出：

$$ L_{/mathrm{meas}} = /epsilon (/lambda)L_{/mathrm{bb}}(/lambda ,T_{/mathrm{s}}) $$

该公式表明，实际测量值是理想黑体在样品温度 T_s 下的光谱辐射率 L_bb(λ, T_s)，并经过样品表面发射率 ε(λ) 修正后的结果。在辐射测温常用的短于 λ_max 的波段，我们可以使用维恩辐射定律（Wien’s radiation law）作为普朗克定律的一个有效近似：

$$ L_{/mathrm{bb}}(/lambda ,T) = (c_1 / /lambda^5)/exp (-c_2 / /lambda T) $$

基于此，通过测量得到的辐射温度 T_meas，我们可以推算出样品表面的真实温度 T_s：

$$ 1 / T_{/mathrm{s}} = 1 / T_{/mathrm{meas}} + (/lambda /c_{2})/ln [/epsilon (/lambda)] $$

这里的 T_meas 是直接由测得的光谱辐射率 L_meas 根据维恩定律反推得到的温度。需要注意的是，如果样品温度低于200°C，则必须对探测器自身的辐射进行补偿。

辐射温度计的校准工作，本质上是与一个已知辐射率的标准源进行比较。这可以通过测量钨带灯的发射，或者更理想地，测量一个由经过标定的铂电阻温度计等设备精确控温的黑体来实现。在条件有限，只有一个未标定的光源时，也可以将被测温度计与一台参考级辐射温度计同时对准一个辐射稳定的光源进行比对校准。从发射率的精确评估到复杂环境下的杂散光修正，每一步都需要深厚的专业知识和严谨的操作流程。

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其他类型的辐射温度计

除了上述的光谱波段型，辐射测温领域还存在其他几种类型的仪器，例如消失灯丝温度计、比色温度计以及多光谱辐射温度计。

此外，基于另一物理定律——斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law，如表1所述）的全辐射温度计，其测量信号与温度的四次方（T⁴）成正比。这类仪器通常收集入射到半球面的目标辐射，因此要求测量距离非常短。

还有一些温度计利用光纤来传导光信号至探测器。在某些设计中，光纤的另一端覆盖着一个微型黑体，该黑体与目标物进行热接触后温度发生变化，仪器再通过测量这个微型黑体的光谱辐射来确定其温度，进而推知目标温度。