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1、第三章 各种物理量的测试计量,第1节 时间频率计量测试 第2节 电磁学计量测试 第3节 电子计量测试 第4节 温度计量测试 第5节 光学计量测试 第6节 其他计量测试 （几何、力学、声学、电离辐射、物质的量）,3.4 温度计量测试,一、温度的概念 温度是表征热平衡系统冷热程度的物理量，一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。,热力学第零定律（温度存在定律）：两个热力学系统分别与第三个热力学系统处于平衡态，则两个热力学系统彼此必定处于热平衡。 热力学第零定律的重要性在于它给出了温度定义的基础（宏观的特性）和温度的测量方法（热平衡）。,二、温标,温标（即温度的“标尺”、“标准”）是温度量值的表示法。
2、 首先用纯物质的三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温度计量的固定点(基准点)，并赋予一个确定的温度；然后选择随温度呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。 温标三要素：固定点、测温物质、内插公式,华氏温标: 水的冰点为32，水的沸点212，中间180等分(德国，华林海特，1714年) 列氏温标: 水的冰点为0R，水的沸点为80R，中间80等分（法国，列奥谬尔，1730年） 摄氏温标: 水的冰点为0，水的沸点为100，中间100等分（瑞典，摄尔萨斯，1742年）,经验温标,国际温标（ITS-90） ITS-90就是热力学温标。,Tk=273.15 + tc TF =1.8tc +
3、32 TR =0.8tc,Tk:热力学温度 Tc:摄氏温度 TR:列氏温度,热力学温标: 英国开尔文提出以热力学第二定律为基础。与特定的物质性质无关，以水的三相点为基准(273.16K)，具有稳定性、唯一性、复现性和客观性。 热力学温标以卡诺循环为基础：一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，假设从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则Q1/Q2=T1/T2。（绝对温度，单位K） 选用水的三相点作为基本固定点，得到热力学温标:,理论温标,热学计量器具： 热电偶、热电阻、温度计、高温计、辐射感温器、体温计、温度计检定装置、电子电位差计、电子平衡电桥、高温毫伏计
4、、比率计、温度指示调节仪、温度变送器、温度自动控制仪、温度巡回检测仪、测温电桥、热量计、比热装置、热物性测定装置、热流计、热象仪。,三、常用温度计与温度计量方法,玻璃液体温度计 储液泡、毛细管、刻度标尺 测温介质：水银或其合金、酒精等 -30-300 压力式温度计 密闭温度测量系统 + 指示仪表 气体压力式（氮气）、液体压力式（甲醇、水银等）、蒸汽压力式（苯、丙酮等低沸点液体）。 -100-600,电阻温度计（热电阻测温）,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而
5、使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加(正温度系数)。,热电阻温度计的组成： 热电阻（电阻体、绝缘管和保护套管） 连接导线 显示仪表,测温原理 金属导体或半导体: 电阻值R = f (温度t) 电阻温度系数（） 温度变化1时，导体电阻值的相对变化量，单位为1/。, 灵敏度。 金属导体: tRt ，为正值（正温度系数）； 而半导体: tRt ，为负值（负温度系数）。 金属纯度。有些合金材料，如锰铜 0。,分类（根据材料类型）： 金属电阻（正温度系数） 铂电阻（ 13.8K1234.94K ） 、铑铁电阻（低温0.1K273K）、铂钴电阻 （4K292K，
6、低温段比铂、铑铁稳定、准确， ） 铂电阻 半导体电阻（正、负温度系数） 广泛用于低温计量 锗电阻：0.01 K100 K 热敏电阻：-50-300，,金属电阻,薄膜型铂热电阻,防爆型铂热电阻,铂电阻温度显示、变送器,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,计量标准,工作计量器具,工作计量器具,半导体电阻温度计,热敏热电阻温度特性,负温度系数(NTC)热敏电阻（阻值随温度升高而显著减少） 采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造； 正温度系数(PTC)热敏电阻。采用NiO2等化合物制造； 临界温度(CTR)热敏电阻 当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。,材料常数,
7、绝对温度,常数,MF12型 NTC热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,热敏电阻,热敏电阻体温计,电热水器,热电阻测温电路,电桥设计在仪表内，而热电阻Rt安装在被测对象中，距仪表有一定的距离。,由于Rt温度T，故移动RD的电阻值不断平衡，可通过RD电阻刻度或温度刻度读取温度变化。,二线制连接法（惠斯登电桥）,工业上在测低温时通常采用热电阻温度计，其测温范围为200500。 用热电偶测量500以下温度时，热电势小，测量精度低；因此在高温段，一般采用热电偶测温方式。,热电偶温度计,A,B,A,B,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触
8、点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转。 如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小。,赛贝克实验,将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应。,冷端 （自由端） （参考端）,热端 （工作端） （测量端）,热电流,热电极A/B,塞贝克效应原理图,热电偶的热电势（赛贝克电势）,k波尔兹曼常数 e电子电荷 nA、nB金属A、B的电子密度,指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入国家或行业标准文件中的热电偶。特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可
9、供使用，十分方便。 国际电工委员会(IEC)在1975年推荐7种标准化热电偶，在1986年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶。,标准化热电偶,标准化热电偶： （1）铂铑10-铂（S） 01600,长温最高1300，短温最高1600 ； （2）铂铑30-铂铑6 （B）长温1600，短温1800； （3）铂铑13-铂 （R）0-1500 ； （4）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝) （K） 2001300 ； （5）铜-铜镍(康铜) （T） 300以下； （6）镍铬-康铜（E） 200900 ； （7）铁-康铜 （J）-2001200 ； （8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。,辐射温度计 通过被测
10、物体在全波长或某一波段的辐射能量确定温度。 非接触法测温：不破坏被侧物体的热平衡，对感温元件结构要求不高，可计量热容量小的物体，可计量高温，对动态温度响应较好，但精度低。,1、任何物体温度高于绝对零度（-273.15C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。 2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。 3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,波长,能量,任何波段都有能量的分布，而呈不间断的连续分布,波长,强度,在某些特殊的波段有能量分布的辐射现
11、象产生，而呈有间断性的辐射谱线分布。,一个低压的气体位于一高温连续光源前，某些特殊的波段有能量被吸收的现象产生， 而呈有间断性的吸收谱线分布。,波长,能量,人眼可观测到的光谱类型,亮度法： 检测某一特定波长下的光谱辐射能量800- 4000 光学高温计、光电高温计、红外高温计,灯丝隐灭式光学温度计 光电亮度温度计：用光敏元件代替人眼，实现自动测量 。,根据普朗克定律：,发射率：在同一温度下一表面发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比例,亮度温度定义：当物体在辐射波长为 ，温度为T时，其光谱辐射亮度 和全辐射体在辐射波长为 ，温度为 时的光谱辐射亮度 相等，则把 称为这个物体在波长为 时的亮度温度
12、。物体和全辐射体的亮度公式，分别为：,亮度温度,优点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。 缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速 测量和自动记录，且测量结果带有主观性。,将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温灯泡灯丝亮度比较。利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度温度与被测物体的亮度温度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。（亮度一样时）,灯丝隐灭式光学温度计,比色法： 被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量交替或同时地投影到检出元件上，根据它们的比值与被测对象之间的温度关系实现测温。,颜色温度计：通过两个光谱能量比的方
13、法测量温度，也称为比色温度计。,比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计。由维恩偏移定律可知，当温度变化时物体的辐射出射度向波长增加或减小的方向移动，使在波长 下的光谱辐射亮度比发生变化，测量光谱辐射亮度比的变化即可测得相应的温度。对于全辐射体，由维恩公式可得：,上式中的 是预先规定的值，只要知道在此二波长下的亮度比，就可求得被测全辐射体的温度,当温度T的实际物体在两个波长下的光谱辐射亮度比值，与温度为 的全辐射体的上述两波长下的光谱辐射比值相等时，把 称为实际物体的比色温度。 根据上述定义，应用维恩公式，可导出下列公式：,式中： 分别为实际物体在 时的光谱发射率。已知 ，就可由上式求得T。,
14、优点：准确度高（精度为0.5），反应速度快，测量范围宽（量程为8002000）,光路系统,测量电路图,全辐射法： 全波长范围的辐射能量，受周围环境影响大，准确度不如前两种（前两种准确度高，但只能吸收部分波段能量）。 基本原理：黑体全辐射定律。实际物体吸收能力小于绝对黑体，全辐射法测温低于实际温度。,被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：L/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比） 进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会产生误差。,应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实
15、际温度。这个温度被称为 “辐射温度”。,T和Tp分别为物体的真实温度和辐射计指示温度；T为温度T时物体全辐射的发射率。因为非黑体T1，则TPT,温度计量方法,超高温、超低温计量 原子能和宇航事业 耐高温合金冶炼、热核控制、太阳能利用超高温 氟利昂冷冻机、空气液化机、氢液化机超低温 超高温：工程上 3000，太阳炉温度计 超低温：氧的露点（90.188K）以下，磁性温度计（常磁性物质磁化率在低温时随温度变化很大）。,常用计量方法 接触法、非接触法,辐射测温技术近30年取得的主要成果有：在测温范围方面，最高可达500万摄氏度，如地下核爆炸火球温度，最低可达-170摄氏度；灵敏度方面已达到0.000
16、1K，工业仪表可达0.1K；反应时间方面最快可达微秒级；最小可测目标直径为 0.5mm。,3.5 光学计量,光是一种电磁波，波长介于微波与X射线之间。 1nm 紫外线380nm可见光 780nm红外线 1mm,光学计量：各光学分支中有关计量知识的领域。 -辐射度计量 -光度计量 -激光计量 -色度计量 -光材料的光参数计量 -成像系统及光学元件的质量评价等。,与辐射相关的量： 辐射能量辐射功率（辐射通量） 辐射度计量,两种量值,与人眼相关的量： 光能量光功率（光通量） 光度计量,3.5.1 光度计量,一、光度量及单位,1、光通量(luminous flux) 单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流明（lm）。或：光源发射并被
