第六章温度检测详解ppt课件.ppt

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1、,第六章温度检测,温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、化学过程都要求在一定的温度条件下才能正常进行。温度的检查方法和仪表在科学研究和工农业生产中得到了广泛的应用。本章首先介绍温标的概念，然后分别介绍接触式测温传感器和非接触式测温仪表。在接触式测温传感器中介绍热电阻和热电偶；在非接触式测温中，介绍光学高温计、光电高温计、辐射温度计和比色温度计。,教学目的：了解：热电偶、热电阻的原理、种类、结构与应用；掌握半导体热敏电阻、半导体温度传感器的原理、种类与应用特点，应用电路设计。了解非接触式测温。,重点：热电偶冷端温度补偿方法，热电势计算方法,6.1 概述,6.2 热电阻式传感器,6.3 热电偶

2、传感器,6.4 非接触式测温,6.1 概述,6.1.1 温度的基本概念和测量方法6.1.2 温标,6.1.1 温度的基本概念和测量方法,反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的，温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。测量方法：接触式测温和非接触式测温,接触式测温,温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。常用的接触式测温仪表：(1) 膨胀式温度计。(2) 热电阻温度计。 (3) 热电偶温度计。(4) 其他原理的温度计。,特点：,优点：直观、可靠，

3、测量仪表也比较简单。缺点：由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。,非接触测温,温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。常用的非接触式测温仪表：(1) 辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射传感器，比色温度计。(2) 光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。优点：

4、不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物 体为运动物体时尤为适用。缺点：精度一般不高。,6.1.2 温标(温度标尺),建立温标必须具备三个条件：(1)固定的温度点（基准点） (2)测温仪器（确定测温质和测温量 ） (3)温标方程（内插公式）,温度标尺,(1) 经验温标(2) 热力学温标 (3) 国际温标(4) 1990年国际温标,(1)经验温标,由特定的测温质和测温量所确定的温标华氏温标1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)在沸点和冰点之间等分为180份，每份为华氏1度(10F) 。摄氏温标1742年瑞典人摄尔塞斯(Celsius)规定水的冰点沸点之间等分为100份，每份为1度

5、(10C) 。经验温标是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系，用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺，因此有局限性和任意性。,(2)热力学温标,1848年物理学家开尔文(Kelvin)首先提出 确定的温度数值：热力学温度，绝对温度，用符号T表示，单位为开尔文，用K表示。热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点是273.15K，沸点是373.15K。请注意水的冰点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。,(3)国际温标 1927年国际温标(ITS-27),1927年第七届国际计量大会决定采用具有3个基本特点： 尽可能接近热力学温标; 复显精度高并能确保量值的统一； 用以复现的

6、标准温度计使用方便，性能稳定。国际温标经过几次修改：1948年国际温标(ITS48)，1968年国际实用温标(IPTS68)，1990年国际温标(ITS90),(4)1990年国际温标(ITS90),根据第18届国际计量大会的决议，自1990年1月1日起开始在全世界实行我国：自1994年1月1日开始全面实施90国际温标主要有三方面内容：温度单位 定义固定温度点 复现固定温度点的方法,温度单位,符号：T，单位为开尔文(K)，K的定义为水的三相点温度的1/273.16。用与冰点273.15K的差值表示的热力学温度称为摄氏温度，符号为t，单位为度(0C)，即t=T-273.15，并有10C=1K。摄

7、氏度(0C)是由国际温标重新定义的，是以热力学温标为基础的。 90国际温标定义国际开尔文温度T90和国际摄氏度t90，其间关系如同T和t一样，即 t90=T90-273.15,定义固定温度点,90国际温标的定义固定温度点是利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的特征温度点。这些特征温度点的温度指定值是由国际上公认的最佳测量手段测定的。,复现固定温度点的方法,90国际温标把温度分为4个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：0.655.0K间为3He或4He蒸汽压温度计；3.024.5561K间为3He或4He定容气体温度计；13.8033K961.780C间为铂电阻温

8、度计；961.780C以上为光学或光电高温计。在水的冰点以上的温度使用摄氏度单位(0C)，在冰点以下的温度使用热力学温度单位(K)。,End the 6.1,6.2 热电阻式传感器,利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器,作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测,测温元件,金属热电阻,半导体热电阻,6.2 热电阻式传感器,6.2.1 金属热电阻6.2.2 半导体热敏电阻6.2.3 热电阻式传感器的应用,6.2.1 金属热电阻,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电

9、阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜,1. 常用热电阻,铂热电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。, 铂热电阻,长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925目前技术水平已达到W（100）1.

10、3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时：,当温度t在0 t 650时：,国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）, 铜热电阻,应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：50150优 点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复现性能好。缺 点：易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻

11、的体积较大。,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,关系是线性的,工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50和100两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。,2. 热电阻的结构,普通工业用热电阻式温度传感器,铜热电阻结构示意图,铂热电阻结构示意图,6.2.2 半导体热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,热敏电

12、阻分类：,正温度系数(PTC)负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR),热敏电阻典型特性,PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路,NTC热敏电阻,热敏电阻的结构热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要参数热敏电阻的线性化,热敏电阻的结构,

13、构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式,热敏电阻的结构形式,热敏电阻的主要特性, 温度特性 伏安特性, 温度特性,NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性,式中 RT , R0热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值()； T0, T 介质的起始温度和变化温度（K）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（）； B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。,若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。一般取20和100时的电阻R20 和R100计算B值，即将T=373K，T0=293

14、K代入上式，则,将B值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性:,B和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。,热敏电阻的电阻温度系数,热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量, 伏安特性,在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系,伏安特性,当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(

15、周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。,热敏电阻的主要参数, 标称电阻值RH 在环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。 耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J；, 能量灵敏度G （W）使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时

16、所需的时间。 额定功率PE 在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率,热敏电阻的线性化,可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。,6.2.3 热电阻式传感器的应用,1、金属热电阻传感器 200+500范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。2、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。,1、金属热电阻传感器,工业广泛使用，200+500范围温度测量。在

17、特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法,三线制,热电阻测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制,G检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻，R a零位调节电阻， R t 热电阻,四线制接法,热电阻测温电桥的四线制接法,精密测量中，采用四线制接法,铂测温电阻传感器,铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、 难于测定狭窄位置的温度。现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠装铂测温电阻，因

18、而使应用领域进一步扩大。主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽,金属丝热电阻作为气体传感器的应用,1连通玻璃管 2流通玻璃管 3铂丝,（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感， 实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化,2、半导体热敏电阻传感器, 温度测量 温度控制 温度补偿 流量测量, 温度测量,热敏电阻点温计, 温度控制,简易温度控制器, 温度补偿,仪表中的电阻温度补偿电路,金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热

19、敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差, 流量测量,利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等,热敏电阻流量计,End the 6.2,6.3 热电偶传感器,热电偶传感器,工业生产中应用最广泛的测温元件之一。,把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输,优点：,是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。,测温范围广,精度高,性能稳定,结构简单,动态性能好,6.3 热电偶传感器,6.3.1 热电偶测温原理6.3.2 热电偶的基本定律6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿6.3.4 标准化热电偶6.3.5 非标准化热电偶6.3.6 热电偶结构型式6.3.7 热电偶安装注意

20、事项,6.3.1 热电偶测温原理,热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T T0时，回路中会产生热电势,热电势,两种材料的接触电势,单一材料的温差电势,1. 接触电势,k 玻耳兹曼常数；T 接触面的绝对温度；e 单位电荷量；NA金属电极A的自由电子密度NB金属电极B的自由电子密度,接触电势帕尔帖电势,2. 温差电势,汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值， 它与材料的性质有关。,温差电势（汤姆逊电势）,3. 热电偶回路的总热电势,电子密度大,TT0,热电极A和B为同一种材料时 NA=NB, A=B，则EAB(T, T0)=0若热电偶两端处于同一温度下 T=T0 ，则EAB(

21、T, T0)=0热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同的金属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差。,热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0时，f (T0)=c则有：,E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T， 热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。,6.3.2 热电偶的基本定律,1. 匀质导体定律2. 中间导体定律3. 连接导体定律,1. 匀质导体定律,由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采

22、用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。,2. 中间导体定律,在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。,3. 连接导体定律,为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。,当A与A，B与B材料分别相同时,中间温度定律,例6.3.1 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30，测得的热电势E(T, Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。

23、,查分度表有E（30，0）= 0.173 mV,反查分度表有T=830，测量端实际温度为830.,6.3.3 热电偶的冷端处理和补偿,热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿: 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为。,几种冷端处理方法：,1. 补偿导线法2. 热电偶冷端温度恒温法3. 计算修正法4. 冷端补偿电桥法,1. 补偿导线法,组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其二是

24、降低了电路成本。补偿导线又分为延长型和补偿型两种 延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母“”附在热电偶分度号后表示， 补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示.,补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色,使用补偿导线时注意问题：,补偿导线只能用在规定的温度范围内（0-100）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。,2. 计算修正法,在实

25、际应用中，热电偶的参比端往往不是0C，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。,可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。,3. 热电偶冷端温度恒温法（冰浴法）,适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。,4. 冷端补偿电桥法,利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值,6.3.4 标准化热电偶,标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分

26、度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶,表6.3.2 标准化热电偶技术数据,1. 铂铑10-铂热电偶（S型）,贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm，正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金负极（SN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为1300，短期最高使用温度为1600。优点：准确度高，稳定性好，测温温区和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。,2. 铂

27、铑30-铂铑6（B型）,为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm，正极（BP）和负极（BN）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为1600，短期最高使用温度为1800。优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在050范围内热电势小于3V。缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。,3. 镍铬-镍硅热电偶（K型）,使用量最大的廉价金属热电偶，用量为其他热电偶的总和正极（KP）的名义化学

28、成分为：Ni:Cr=90:10，负极（KN）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。其使用温度为-2001300。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。,4. 镍铬-铜镍热电偶（E型）,称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属热电偶。其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有标准热电偶之最，宜制成热电偶堆来测量微

29、小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里，具有稳定性好，抗氧化性能高，价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。,标准化热电偶热电势和温度的关系,表6.3.3 标准化热电偶的特性,6.3.5 非标准化热电偶,6.3.6 热电偶结构型式,为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。1. 普通型装配式结构2. 柔性安装型铠装结构,1. 普通型装配式结构,（a）1接线柱 2接线座 3绝缘套管 4热电极（b）1测量端 2热电极 3绝缘套管 4保护管 5接线盒,2. 柔性安装型铠装结构,测量端的热容量小，

30、响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击,6.3.7 热电偶安装注意事项,1. 插入深度要求测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线510mm。2. 注意保温为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3. 防止变形应尽量垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。,End the 6.3,6.3.8 热电偶的应用,6.4 非接触式测温,高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一

31、定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。 非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计,6.4 非接触式测温,6.4.1 热辐射基本定理6.4.2 光学高温计6.4.3 光电高温计6.4.4 辐射温度计6.4.5 比色温度计,6.4.1 热辐射基本定理,辐射换热是三种基本的热交换形式之一(导热、对流)波长范围：10-3m10-8

32、m在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短波方向移动，在5000C左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000C时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度。,辐射能的分配,当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射,吸收率； 透射率； 反射率。,Q辐射能 单位为焦耳(J),物体分类：,黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。 透明体：照射到物体上的辐

33、射能全部透射过去，既无吸收又无反射。镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。,在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的值很小或等于零，而气体的值较大。对于一般工程材料来讲， 0而+ =1，称为灰体 从传热学角度看，可以人为制造黑体,热辐射的重要参数,辐射能Q 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)。辐射能通量 是辐射能随时间的变化率，又称辐射率： 其单位是瓦特(W)。 辐射强度I 在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源(或

34、辐射源面单元)的辐射功率除以该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/sr)。,热辐射的重要参数,辐射出射度M 离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即 (6.4.2)辐射出射度的单位为瓦/米2(W/m2)。辐射亮度L和光谱辐射亮度 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度L。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。,基尔霍夫定律,各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，和物体的性质无关，是物体的温度和发射

35、波长的函数,式中：M0(,T), M1(,T), M2(,T) 物体的单色()辐射出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物体的单色()吸收率。,若物体A0绝对黑体，那么0(,T)=1，根据基氏定律,物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下，相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。,设M(,T)为物体A在波长为 ，温度为T下的辐射出射度。,式中，称为物体A的单色辐射率，或称为单色黑度系数。它表明了在一定的温度和波长下，物体A的辐射出射度与相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。 基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的,在全波长内，任何物体的全辐

36、射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分,式中，A(T) 物体A在温度T下的全吸收率， M0(T) 黑体在温度T下的全辐射出射度。,基氏定律的积分形式为,表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的T1， T越接近1,表明它与黑体的辐射能力越接近。,黑体辐射定律, 普朗克定律(单色辐射强度定律) 维恩公式 斯蒂芬波尔兹曼定律 （全辐射强度定律，也称为四次方定律）,普朗克定律(单色辐射强度定律),温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为,式中，c光速； h普朗克常数，6.62617610-34Js； k波尔兹曼常数，

37、1.3806624410-23J/K； C1第一辐射常数，3.741810-16Wm2； C2第二辐射常数，1.438810-12mK； T绝对温度。,公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的,维恩公式,理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规律,公式简单，但是仅适用于不超过3000K的温度范围,黑体的辐射能力是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射能力（本领）就仅仅是温度的函数，即,上式就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据,斯蒂芬波尔兹曼定律,温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。,式中，斯蒂芬波尔兹曼常数，5.66

38、96110-3W/(m2K4),上式就是辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果,6.4.2 光学高温计,精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量80032000C的高温。由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度(TL)，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。,工业用光学高温计分类,隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温

39、度。恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。,隐丝式光学高温计应用广泛。,隐丝式光学高温计,光学系统红色滤波片，造成一个较窄的有效波长吸收玻璃，目的是扩展量程目镜和物镜是一套光学系统电测系统 包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学高温灯泡：标准辐射源电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路 原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。,WGG2-201型光学高温计,1物镜；2吸收玻璃；3灯泡；4红色滤波片；5目镜；6指示仪器；7滑线电阻；E电源；K开关；R1刻线调整电阻,亮

40、度温度,为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为 时的亮度温度。,左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度,根据维恩公式有,对上式两边取对数，并加以整理，得,式中，T被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数； T被测物体的真实温度； TL被测物体的亮度温度。,已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实温度。,6.4.3 光电高温计,光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温

41、度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。,主要特点：,采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察；采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度，当达到平衡时即可得到测量值；在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性；设计了手动值修

42、正环节，可显示物体的真实温度；采用新型光敏元件，测量范围宽，约为20016000C。,WDL-31型光电高温计的工作原理,1物镜；2同步信号发生器；3调制镜；4微电机；5反光镜；6聚光镜；7参比灯；8探测元件,(1)瞄准光路,由物镜对0.5m 处被测物体调焦成像在分划板上。通过目镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位,1调制镜；2微电机；3反光镜；4可变光阑；5聚光镜组； 6参比灯；7-目镜组8、9-保护窗；10物镜；11-入射光瞳；12-衰减玻璃；13探测元件；14-滤光片；15-保护光阑；16-分划板；17透镜玻璃；18-出射光阑；19-保护玻璃,(2)检测光路物镜将被测物体的辐射能量会聚，

43、经过衰减玻璃及与物镜光轴成450角的调制镜的反射，进入视场光阑孔中，由探测元件接收。(3)参比光路参比灯辐射的能量经聚光灯组会聚后，通过可变光阑，由反射镜反射 ，再穿过调制镜叶片的空间，进入视场光阑孔中，经滤波片也由探测元件接收。随电机高速转动的调制镜，对两路辐射通量作切换调制，使其交替被探测元件接收。 在参比光路中的可变光阑用作黑度系数的手动修正。,仪器的工作光谱范围由光学系统和探测元件决定。量程范围在4008000C及以下各量程，采用硫化铅光敏电阻作探测元件，并配合锗滤光片。光谱范围短限由锗滤光片确定，长限由光学玻璃材质的物镜确定，约在1.82.7。峰值由探测元件确定，约为2.5。量程范围

44、60010000C及以上各量程，采用硅光电池作探测元件，并配合HB850有色玻璃滤光片。光谱范围的短限也由滤光片确定，长限和峰值由探测元件确定。光谱范围约在0.81.1，峰值约为0.95，均在红外线波长范围内。仪器的量程范围用光学衰减的方式改变。各种量程都保持参比灯工作电流在某一固定范围内变化，即在量程上限时工作电流不超过250mA。 对于低温量程，将参比灯的辐射能量衰减； 对于高温量程，则将被测辐射能量进行衰减。探测元件为硫化铅光敏电阻时，衰减玻璃选用GRB1隔热玻璃。探测元件为硅光电池时，采用LB6绿色玻璃。,6.4.4 辐射温度计,根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体温度的四次方

45、成正比的关系来进行测量的。组成：辐射感温器和显示仪表两部分可用于测量40020000C的高温，多为现场安装式结构。为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温度称为辐射温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。,热电堆结构和补偿光阑,(a):1云母基片；2受热靶面；3热电耦丝；4引出线(b):1-补偿片；2-双金属片,WFT-202型辐射感温器结构,1物镜；2外壳；3补偿光阑；4座架；5热电堆；6接线柱；7穿线套；8盖；9目镜；10校正片；11小齿轴,辐射温度,对于辐射式温度计，它是以绝对黑体的辐射能为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为

46、辐射温度。辐射温度的定义：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度。根据全辐射强度定理，总辐射能相等，则有：,因为非黑体T 1，则TFT因此用辐射温度计测出的温度要比物体的真实温度低。,6.4.5 比色温度计,原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。特点：准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到2mm)。因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。,比色温度计原理结构,比色温度,定义：黑体辐射的两个波长1和2的光谱辐射亮度之比等于非黑体的相应的光谱辐射亮度之比时，则黑体的温度即为这个非黑体的比色温度TS。对于温度为的黑体，在波长为1和2时的光谱辐射亮度之比为,取对数后有,可以简化为,根据式(6.4.17)可以得到,可进一步求出物体的真实温度与比色温度的关系,对于灰体来说，由于1T 2T ，所以TTS，这就是比色温度计的最大优点,式中,End the 6.4,