第07讲几种温度传感器

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1、第七讲 几种温度传感器,辐射式温度传感器 石英晶体测温传感器 光纤传感器,辐射式温度传感器,辐射式温度传感器 radiation temperature transducer/sensor,德国物理学家，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学奖。 量子力学的发展被认为是20世纪最重要的科学发展，其重要性可以同爱因斯坦的相对论相媲美。,马克斯普朗克( 18581947) Max Karl Ernst Ludwig Planck,概述,辐射(非接触)式测温方法： 利用物体辐射能随温度变化的性质，通过测量物体的辐射

2、能或与辐射能有关的信号来实现温度测量。 用这种方法测温时，感受件不需与被测介质相接触。,优点： 1）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破坏被测介质的温度场； 2）从理论上讲仪表的测温上限不受限制，可达2000 以上 ； 3）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，反应快； 4）输出信号大、灵敏度和准确度高。,通常用来测量高于700的温度。 辐射式测温仪表分类： 普朗克定律 光学、光电、比色高温计 和红外测温仪 全辐射定律 全辐射高温计,红外热图,张XX 男 53岁 主诉：左侧胸部偶尔疼痛，闷胀不适1年余。既往体健，胸部X片、心电图均未提示明显异常。 查体：胸背部无明显压痛。 热图：红外线检查提

3、示左侧心前区低温改变,诊断：考虑心肌供血下降。 治疗：予以星状神经节阻滞治疗，自诉症状明显好转。 复查热图：红外热图提示双侧胸部温度对称改变,辐射测温过程： 热辐射源（被测介质） 传输通道（空气、真空、光纤） 热辐射接收和处理装置,一、辐射测温基本原理,辐射热 thermal radiation： 任何物体的温度高于绝对零度（0 K）时就有能量释出，其中以热能方式向外发射的那一部分电磁波称为热辐射。 黑体 能对落在它上面的辐射能量全部要吸收的物体。,全辐射体热辐射与温度的关系 （1）普朗克定律(1900年) ：全辐射体（黑体）的光谱辐射出射强度E0(,T)与其波长和温度T 的关系：,一种在任何

4、温度下对投射到其上的任何波长的热辐射均能全部吸收的物体,单位表面积、单位时间内所辐射的能量,(2.5.1),此处教材上有错！ P.49,普朗克函数曲线图：,当 T 3000K 时，可用维恩公式代替，误差在1%以内。 维恩公式：, 单色辐射（光学、光电）高温计 的理论依据,全辐射体辐射定律（斯忒藩-波尔兹曼定律）, 全色辐射高温计的理论依据,波长从0之间的全部光谱辐射出射度的总和E0,实际物体的热辐射特性,（同一 T、下）,（2）实际物体的发射率：,（同一 T 下）,（1）实际物体在波长下的光谱发射率 ：,实际物体的随波长而变化，但总小于1。 多数非金属 ； 而多数金属； 若某物体的不随波长而变

5、化灰体,二、单色辐射高温计,1、测温原理： 物体在高温状态下会发光，具有一定的亮度。 物体在波长下的亮度L和它的光谱辐射出射强度E成正比。,2、灯丝隐灭式光学高温计（亮度对比法）,1-物镜(接受热源); 2-吸收玻璃; 3-高温计标准灯; 4-目镜; 5-红色滤光片; 6-测量电表; 7-滑线电阻,WGG2型光学高温计,测量范围：700 2000 ,可用于冶金、化工和机械等工业生产过程中，测量冶炼、烧铸、轧钢、玻璃熔窖、锻打、热处理的温度。,全辐射体：,实际物体：,不同使得仪表无法统一分度； 故仪表按全辐射体亮度与温度的关系式来分度。,3、亮度温度,在波长为的单色辐射中，若物体在温度 T 时的

6、亮度 L和全辐射体在温度 Ts 时的亮度 L0相等，则把 Ts 称为被测物体在波长时的亮度温度。, 0 1， 测到的亮度温度总是低于物体真实温度的，即 Ts T 。,被测物体实际温度 T 和亮度温度 Ts 之间的关系：,4、使用注意事项： （1）非全辐射体（）的影响。 物体不是常数，它和波长、物体表面情况及温度高低有关，是最大误差源。为消除其影响，可人为创造全辐射体的条件。 （2）中间介质的影响。 （3）反射光的影响。,5、光电高温计 （1）既可使用可见光，又可使用红外光谱，有利于测低温。 （2）准确度高、灵敏度高。 （3）可以连续、自动测量和记录，信号可以远传。 ITS90规定：从961.7

7、8以上温度用光电代替光学高温计作为标准仪器。,三、比色高温计,1、测温原理： 当温度变化时，物体的最大单色辐射出射度将向波长增大或减小的方向移动。使两个固定波长1和2下的光谱辐射出射度比值变化。 因此，测出两者比值即可知被测温度。,若物体的温度为T，则,求得：,2、双通道比色高温计,1-物镜；2-反射镜；3-倒像镜；4-目镜； 5-人眼； 6-红外滤光片硅光电池E1； 7-分光镜； 8-可见光滤光片硅光电池E2 ；9-场镜；10-视场光栏;,若温度为T的实际物体在两个波长下的光谱辐射出射度的比值与温度为Tc的全辐射体在同样两波长下的光谱辐射出射度的比值相等，则把Tc称为实际物体的比色温度。,3

8、、比色温度,实际温度T和比色温度Tc的关系：,对于黑体和灰体， TTc； 对于一般物体 ， TTc。 （多数金属：TcT；非金属：TcT）,四、全辐射高温计,1、测温原理： 依据全辐射定律，,或,因为光学系统和探测元件对光谱辐射的响应有选择性，不可能完全接收全波长的辐射，因此全辐射温度计也可称为宽带辐射温度计。它是根据物体的全波长辐射能与温度之间的关系来测量温度的。 被测物体向传感器方向发射的辐射经过透镜聚焦到探测元件上，所产生的相应信号可由测量仪表显示或记录。,2、全辐射高温计的结构,若物体在温度为 T 时的总辐射出射度与全辐射体在温度为 Tp 时的总辐射出射度相等，则把 Tp称为实际物体的

9、辐射温度。,3、辐射温度,被测物体实际温度T和辐射温度Tp之间的关系 ：, 0 1， 测到的辐射温度总是低于物体真实温度的，即 Tp T 。,4、影响测量准确度的主要因素 ： （1）非全辐射体（）的影响。 （2）中间介质的影响。 （3）热电堆冷端温度的影响。,复习思考题,1、光学、辐射、比色高温计的测温原理（理论依据）？ 2、什么是亮度、辐射、比色温度？与物体真实温度的关系？ 3、各高温计使用注意事项？,光纤温度传感器,光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础

10、的传感器有本质区别。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。,因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量,一、光导纤维导光的基本原理,光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间，可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此，采用几何光学的方法来分析。,1、斯乃尔定理

11、（Snells Law）,当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。,可见，入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。,n1、n2、r、i之间的数学关系为,n1sini=n2sinr,式中：i0临界角,i0=arcsin(n2/n1),sini0=n2/n1,sinrsin901,(b)临界状态示意图,当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有,当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。,(c)光全反射示意图,2、光纤结构,分析光纤导

12、光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。,纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。,功能型光纤温度传感器,功能型光纤温度传感器,2 非功能性,石英温度传感器,利用石英振子具有优良的频率稳定性(10-10) 特性制成的高精度晶振，已广泛应用于通信、检测、控制仪器及微机等领域。石英振子根据需要可切割成各种石英板。 主要切割形式有：AT、AC、RS、LC、Y等，其中，AT切割都使用在相对温度频率误差小的切割中。,石英

13、振子的固有振动频率，可用下式表示：,式中：f 固有频率；n 谐波次数；t 振子厚度；水晶的密度；Cii弹性常数。,式中的t、Cii 均是温度的函数。石英温度传感器是利用石英振子的振动频率随温度变化的特性制成的。,在各种切割中，相对温度频率误差大的切割有Y、LC、RS、AC等。温度和石英振子频率的关系一般用：,fT T时的频率； fT0 T0时的频率； T 测量温度； T0 基准温度（任意）； A、B、C方程式的温度系数。,如果方程的2次、3次项的温度系数近似为0，就可以得到线性石英温度传感器。 注意：切割形式不同，温度系数也不同。,1. 石英温度传感器的特性,2.石英温度探测器 石英探测器是由传感器和振荡电路组装在一起制成的，适用于检测液体、固体或气体的温度。 3.石英温度传感器的应用 石英温度传感器可广泛用于空调、电子工业、食品加工等领域。由于可用数字显示，所以，可作为高稳定性和高分辨率的温度计使用。,