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1、第第6章章 温度检测技术温度检测技术6.1 温度与标定6.2 测温方法分类及其特点6.3 热膨胀式测温方法6.4 热阻式测温方法6.5 热电式测温方法6.6 辐射法测温6.7 新型温度传感器及其测温技术前言温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数；从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志；温度与人们日常生活紧密相关。6.1 温标与标定温标与标定611 温标温标经验温标经验温标热力学温标热力学温标绝对气体温标绝对气体温标国际实用温标和国际温标国际实用温标和国际温标6. 1. 2 标定标定温标为了保证温度量值的准确和利
2、于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。经验温标华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。按照华氏温标，则水的冰点为32，沸点为212经验温标摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。摄氏温度和华氏温度的关系为T =t+32(6-1)式中T华氏温度值;t摄氏温度值。热力学温标热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Ca
3、rnotcycle)为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为27316份，每份为1K(Kelvin)。绝对气体温标从从理理想想气气体体状状态态方方程程入入手手，来来复复现现热热力力学学温温标标叫叫绝对气体温标。由绝对气体温标。由波义耳定律波义耳定律：PV=RT(6-2)PV=RT(6-2) 当当气气体体的的体体积积为为恒恒定定( (定定容容) )时时，其其压压强强就就是是温温度度的单值函数。这样就有：的单值函数。这样就有：T T2 2/T/T1 1=P=P2 2/P/P1 1国际实用
4、温标指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便；1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。ITSITS一一9090基本内容为：基本内容为：n n 重申国际实用温标单位仍为重申国际实用温标单位仍为K K；n n 国际摄氏温度国际摄氏温度和和国际实用温度国际实用温度关系为：关系为：n n 把把整整个个温温标标分分成成4 4个个温温区区，其其相相应应的的标标准准仪仪器器 如下：如下： 0.655.0K0.655.0K，用用3 3HeHe和和4 4HeHe蒸汽温度计；蒸汽温度计； 3.024.5561K3.024.5561K，用用
5、3 3HeHe和和4 4HeHe定容气体温度计；定容气体温度计； 13.803K961.7813.803K961.78，用铂电阻温度计；用铂电阻温度计；961.78961.78以上，用光学或光电高温计；以上，用光学或光电高温计；n n 新新确确认认和和规规定定1717个个固固定定点点温温度度值值以以及及借借助助依依据据这这些些固固定定点点和和规规定定的的内内插插公公式式分分度度的的标标准准仪仪器器来实现整个来实现整个热力学温标热力学温标。见表。见表6-16-1所示：所示：标定uu 对温度计的标定，有对温度计的标定，有标准值法和标准表法标准值法和标准表法两种方两种方法：法：标标准准值值法法就就是
6、是用用适适当当的的方方法法建建立立起起一一系系列列国国际际温温标标定定义义的的固固定定温温度度点点( (恒恒温温) )作作标标准准值值，把把被被标标定定温温度度计计( (或或传传感感器器) )依依次次置置于于这这些些标标准准温温度度值值之之下下，记记录录下下温温度度计计的的相相应应示示值值( (或或传传感感器器的的输输出出) )，并并根根据据国国际际温温标标规规定定的的内内插插公公式式对对温温度度计计( (传传感感器器) )的的分分度度进进行行对对比比记记录录，从从而而完完成成对对温温度度计计的的标标定定；被定后的温度计可作为标准温度计来测温度。被定后的温度计可作为标准温度计来测温度。标准表法
7、：把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。6.2 测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。l接触式温度测量l非接触式温度测量接触式温度测量测温精度测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；对较低；由于感温元件与被测介质由于
8、感温元件与被测介质直接接触直接接触，从而要影响，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高腐蚀性及温度太高亦将严重亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。影响感温元件性能和寿命等缺点。非接触式温度测量感温元件感温元件不与被测对象直接接触不与被测对象直接接触，而是通过接受，而是通过接受被测物体的被测物体的热辐射热辐射能实现热交换，据此测出被测能实现热交换，据此测出被测对象的温度对象的温度; ;非接触式测温非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可
9、设计得很高，便于测量运热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。动物体的温度和快速变化的温度等优点。接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000以下，测量误差大，能测运动物体和热容
10、小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为23秒钟其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围6.3 热膨胀式测温方法热膨胀式测温方法6.3.1.玻璃温度计6.3.2
11、压力温度计6.3.3双金属温度计根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀(包括液体和固体膨胀)式，热阻(包括金属热电阻和半导体热电阻)式、热电(包括热电偶和PN结)式等多种形式。膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。玻璃温度计玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9、测温上限为538。玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破
12、损，测温值难自动远传记录。玻璃温度计的分类：n n全浸式：测温准确度高，但读刻度困难，使用操作不便。n n局浸式：读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。n nV V形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计压力温度计压力温度计压力温度计是根据一是根据一定质量的液体、气体、定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈件下其压力与温度呈确定函数关系的原理确定函数关系的原理实现其测温功能的。实现其测温功能的。压力温度计的典型结压力温度计的典型结构示意图构示意图这类压力温度计其毛细管细这类压力温度计其毛细管细而长
13、而长( (规格为规格为160m)160m)它的作它的作用主要是传递压力，长度愈用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。耐腐蚀性较差等特点。n n电接点压力式温度电接点压力式温度电接点压力式温度电接点压力式温度计计计计n n电接点压力式温度计电接点压力式温度计WTQ288型号WTQ288公称直径（mm）100,150测量
14、范围（）-406020160尾长（m）3-20精度等级1.5连接螺纹M272材料胶木壳体，铜温包，铜毛细管双金属温度计固体长度随温度变化的情况可用下式表示：固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体基于固体受热膨胀原理受热膨胀原理，测量温度通常是把两片，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变生不同的膨胀和收缩，导致双金
15、属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：形。下图是双金属温度计原理图：双金属温度计原理图双金属温度计原理图双金属温度计双金属温度计的感温的感温双金属元件的形状有双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺平面螺旋型和直线螺旋型旋型两大类，其测温两大类，其测温范围大致为范围大致为-80-80600600，精度等级通，精度等级通常为常为1.51.5级左右。级左右。双双金金属属温温度度计计抗抗振振性性好好，读读数数方方便便，但但精精度度不不太太高高，只只能能用用做做一般的工业用仪表。一般的工业用仪表。6.4热阻式测温方法热阻式测温方法6.4.1铂电阻测温6.4.2铜电阻和热敏电阻测温基于热电阻原理测温是
16、根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。铂电阻测温概述概述n n铂电阻铂电阻(IEC)(IEC)的电阻率较大，电阻的电阻率较大，电阻温度关系呈温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提
17、纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。理、化学性质都很稳定。n n目前工业用铂电阻分度号为目前工业用铂电阻分度号为Pt100Pt100和和Pt10Pt10，其中其中Pt100Pt100更为常用。更为常用。当当 时时当当时时热电阻的结构热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件：电阻温度系数大、线性好、性能稳定；使用温度范围广、加工方便；固有电阻大，互换性好，复制性强。热电阻的引线形式n n内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测
18、量及控制装置相连接。n n热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图6-4所示。两线制两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥三线制四线制四线制热电阻测量电桥铜电阻和热敏电阻测温铜电阻铜电阻 铜电阻铜电阻(WZC)(WZC)的电阻值与温度的关系几乎的电阻值与温度的关系几乎呈线性呈线性，其材料其材料易提纯易提纯，价格低廉价格低廉；但因其电阻率较低；但因其电阻率较低（仅为铂的（仅为铂的1/21/2左右）而体积较大，热响应慢；左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在另因铜在250250以上温度本身以上温度本身易于氧化易于氧化，故通常，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为工业用铜热电阻（分度号分别为C
19、u50Cu50和和Cul00Cul00）一般其工作温度范围为一般其工作温度范围为-40-40120120。其电阻值。其电阻值与温度的关系为：与温度的关系为：当当时时铜电阻半导体热敏电阻 热敏电阻的优点：灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1 12 2个数个数量级；量级；很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；几乎无需考虑连线电阻的影响；体积小；体积小；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；测量场合；结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。结构简单坚固，能承受较大
20、的冲击、振动。热敏电阻的主要缺点：阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。热敏电阻图示：6.5热电式测温方法热电式测温方法6.5.1热电偶测温6.5.2集成温度传感器AD590热电偶测温热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多的器件，它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。测温原理热热电电偶偶的的测测温温原原理理基基于于热热电电效效应应。将将两两种种不不同同的的导导体体A A和和B B连连成成闭闭合合回
21、回路路，当当两两个个接接点点处处的的温温度度不不同同时时，回回路路中中将将产产生生热热电电势势，由由于于这这种种热热电电效效应应现现象象 是是 18211821年年 塞塞 贝贝 克克（SeebackSeeback）首首先先发发现现提提出出，故故又又称称塞塞贝贝克克效应效应（如图（如图6-96-9所示）。所示）。热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。热电偶两热
22、电极分别叫A（为正极）和B（为负极），两端温度分别为且；则热电偶回路总电势为：热电偶分类及特性为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能：(1)优良的热电特性；(2)良好的物理性能；(3)优良的化学性能；(4)优良的机械性能；(5)足够的机械强度和长的使用寿命；(6)制造成本低，价值比较便宜。工业用热电偶测温范围热电偶结构普通工业用热电偶热电偶通常主要由四部分组成(如图6-12所示)：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。铠装热电偶铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电偶。热电偶温度测量补偿导线n n补偿导线的优点：改善热电偶测温线路的机械与物理性能降
23、低测量线路的成本节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。补偿导线使用须注意事项如下：各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围；由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同；在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。参比端处理我们经常使用的我们经常使用的热电偶分度表热电偶分度表，都是以热电偶参，都是以热电偶参比端为比端为00条件下制作的。条件下制作的。在工业测温现场一般不能使参比端保持在工业测温现场一般不能使参比端保持00。现现在在由由于
24、于计计算算机机尤尤其其是是微微处处理理器器和和单单片片机机推推广广普普及及，因因而而，智智能能化化测测温温仪仪普普遍遍按按下下述述以以软软件件为为主主的补偿方式：的补偿方式：pp 当当热热电电偶偶的的测测量量端端和和参参比比端端温温度度分分别别为为t t、，假假定定，则热电动势，则热电动势例6.1：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t138；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38-1)29.90mV，试求实际炉温。解 由K型分度表查得E(38，0)1.53mV，由式(6-11)可得到：E(t，0)E(t,t1)+E(t1,0)29.90+1.53=31.43mV再查K型分度表，由31.4
25、3mV查得到实际炉温755。上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端间的热电动势E(t,32)29.90mV查K型分度表得对应的炉温718，与实际炉温755相差37，由此产生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。集成温度传感器AD590美美国国ADAD公公司司于于7070年年代代末末推推出出体体积积仅仅同同一一只只小小功功率率高高频频晶晶体体管管大大小小的的集集成成化化半半导导体体温温度传感器度传感器AD590AD590。半导体AD590特点外接线非常简单(仅两根)，使用十分方便；内有稳压和恒流电路，对外接电压要求非常低；非线
26、性误差较小；使用温度范围为一50150；它具有良好的互换性；采用图6.13所示的电路，可以把AD590输出的电流信号方便地转换成电压信号。6.6 辐射法测温辐射法测温6.6.1幅射测温的基本原理6.6.2光谱辐射温度计6.6.3比色高温计6.6.4红外测温6.6.5 红外成像测温仪任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。幅
27、射测温的基本原理辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.340m。相关概念：n n绝对黑体绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量上面的任何辐射能量n n选择吸收体选择吸收体：对辐射能的吸收：对辐射能的吸收( (或辐射或辐射) )除与温度有除与温度有关外，还与波长有关关外，还与波长有关n n灰体灰体：吸收：吸收( (或辐射或辐射) )本领与波长无关本领与波长无关如果波长与温度T满足C2(T)1，则可把普朗克公式简化为维恩(Wien)公式。在温度低于3000K，对于波长较短的
28、可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差1。图图6-146-14黑体的光谱辐射曲线黑体的光谱辐射曲线 从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长m和温度T均满足维恩位移定律。实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系满足斯蒂藩一玻耳兹曼定律：综上所述，任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量的基本原理。红外辐射测温仪红外辐射测温仪HY-303红外辐射测温仪HY-303n n详细信息采用红外技术，测量时无需接触被测物体，可以安全地检
29、测难以接触的物体的温度，如带电设备，运动物体等，对被测物体无污染和损坏。具有测量速度快，带激光瞄准，携带方便，操作简单等特点。测量范围：-15500发射率：0.31.0数字可调分辩率：1电源L一节6F22电池光谱辐射温度计依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。目前国内外使用的光谱辐射温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定物体的温度。分类：光学高温计光学高温计光电高温计光电高温计硅辐射温度计硅辐射温度计光学高温计特点：结构较简单，使用方便，适用于1000K3500K范围的温度测量，其精度通常为1.0级和l.5级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔
30、体、高温窑炉的温度测量。用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。亮度温度亮度温度：在波长为：在波长为 、温度为温度为T T时，某物体的辐时，某物体的辐射亮度射亮度L L与温度为与温度为T TL L的绝对黑体的亮度的绝对黑体的亮度L L00 相等，相等，则称则称T TL L为这个物体在波长为为这个物体在波长为 时的亮度温度。其数时的亮度温度。其数学表达式为学表达式为 在在常常用用温温度度和和波波长长范范围围内内，通通常常用用维维恩恩公公式式来来近似表示光谱辐射亮度，这时上式成为近似表示光谱辐射亮度，这时上式成
31、为 光光学学高高温温计计是是在在波波长长为为 的的单单色色波波长长下下获获得得的的亮度。这样，物体的真实温度为亮度。这样，物体的真实温度为 光学高温计通常采用0.66土0.01m的单一波长，将物体的光谱辐射亮度L和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。光学高温计有三种形式：灯丝隐灭式光学高温计恒定亮度式光学高温计光电亮度式光学高温计灯丝隐灭式光学高温计原理：由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。WGGZ型光学高温计的示意图如下图所示：光电高温计优点：结构相对较简单，灵敏度高，测量范围广，使用方
32、便。缺点：光学高温计在测量物体的温度时，由于要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察误差较大，也无法实现自动检测和记录。国产WDL型光电高温计的工作原理示意图光电高温计与光学高温计相比，主要优点有：灵敏度高精确度高使用波长范围不受限制光电探测器的响应时间短便于自动测量与控制辐射温度计辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。辐射温度计由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置等几大部分组成。辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射
33、温度。辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类n n光电型n n热敏型图6-17全辐射高温计的构造示意图1物镜；2光阑；3铜壳；4玻璃泡；5热电堆；6铂黑片；7吸收玻璃；8目镜；9小孔；10云母片辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平衡式、动圈式和数字式三类。辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。比色高温计比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长1和2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。绝对黑体
34、，对应于波长1与2的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示：根根据据比比色色温温度度的的定定义义，应应用用维维恩恩公公式式，可可导导出出物物体的真实温度和其比色温度的关系：体的真实温度和其比色温度的关系： 通通常常11和和22为为比比色色高高温温计计出出厂厂时时统统一一标标定定的的定定值值，由由制制造造厂厂家家选选定定。例例如如选选0 08 8mm的的红红光光和和lmlm的红外光。的红外光。与光谱辐射温度计相比，比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境下工作。国产WDSII光电比色高温计的原理示意图如图6-18所示。红外测温红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红
35、外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。红外测温的特点：接触测温反应速度快灵敏度高准确度较高范围广泛红外测温原理全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为 WW物物体体单单位位面面积积所所发发射射的的辐辐射射功功率率，数数值上等于物体的全波辐射出射度；值上等于物体的全波辐射出射度； 物体表面的法向比辐射率；物体表面的法向比辐射率；斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数； T T物体的绝对温度物体的绝对温度(K)(K)。红外辐射测温仪结构原理如图6-19所示红外成像测温仪红外成像原理红外
36、摄像管红外摄像管：将物体的：将物体的红外辐射红外辐射转换成转换成电信号电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。装置。图6-20是热释电摄像管的结构简图：红外变像管：把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，均安装在高度真空的密封玻璃壳内。固态图像变换器：由许多小单元（称为像元或像素）组成的受光面，各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。红外成像仪AGA750热像仪工作原理框图Ti30热像仪6.7 新型温度传感器及其测温技术新型温度传感器及其测温技术 6.7.1石英晶
37、体温度传感器及其测温技术6.7.2光纤测温6.7.3一线制数字温度传感器DS18B20及其应用石英晶体温度传感器及测温技术工作原理利用石英晶体固有频率随温度而变化的特性来测温的仪器，称为石英温度计。石英的固有振动频率可用下式表示：石英振子的频率还与温度具有下列近似关系：f f0 0在温度为在温度为t t0 0时的频率时的频率; ;fft t在温度为在温度为t t时的频率；时的频率； t t0 0基准参考温度基准参考温度; ;， ，一次、二次、三次幂的温度系数。一次、二次、三次幂的温度系数。石英晶体传感器结构石英温度计通常采用石英温度计通常采用石英振荡器石英振荡器，构成一个决定，构成一个决定频率
38、的谐振回路，而石英振子部分，通常采用易频率的谐振回路，而石英振子部分，通常采用易接受温度变化的结构。石英传感器的结构通常采接受温度变化的结构。石英传感器的结构通常采用如图用如图6-226-22所示。所示。图6-22石英温度传感器石英温度计主要性能高分辨率；高精确度；高稳定度；热滞后误差小；远距离温度计的标定温度计的测温范围为800；测温的不确定度为15mK；分辨率为20.2mK，标定时选用水三相点温度作为基准参比温度t0，以一等标准铂电阻温度计作标准，在恒温槽中与石英温度计作比较检定。最后用最小二乘法拟合频率温度关系式，求出、三个温度系数。标定后的石英温度计就可投入使用。光纤测温概述概述光导纤
39、维是一种利用光完全内反射原理而传输光的器件。一般光导纤维是用石英玻璃制成，通常有三层组成：最里面直径仅有几十微米的细芯称芯子，其折射率为n1 1；外面有一层外径为100200微米的包层，其折射率为n2 2，通常n22略小于n1 1；芯子和包层一起叫做心线；心线外面为保护层，其折射率为n3 3，与与温温度度测测量量有有关关的的光光导导纤纤维维的的特特征征参参数数主主要要是是数数值孔径值孔径NANA，其表达式为其表达式为 NANA大大，表表示示可可以以在在较较大大入入射射角角范范围围内内输输入入并并获获得得全全反反射射光光；它它与与心心线线直直径径无无关关，仅仅与与它它们们材材料料的的折折射射率率
40、有有关关。一一般般光光学学玻玻璃璃组组成成的的光光纤纤，其其NANA约约为为0.40.4左左右右；而而石石英英玻玻璃璃组组成成的的光光纤纤，其其NANA约为约为0.250.25左右。左右。光纤温度传感器光纤温度传感器是采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温传感器，它有接触式和非接触式等多种型式。光纤传感器由光源激励、光源、光纤(含敏感元件)、光检测器、光电转换及处理系统和各种连接件等部分构成。功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器是由光纤本身感受被测目标物体的温度变化，并引起传输光的相应变化，然后据此确定被测目标物体的温度高低与发生变化的位置。分类：u黑体辐射型u喇曼效应型黑体辐
41、射型工作原理是基于光纤芯线受热产生黑体辐射现象来测量被测物体内热点的温度。光纤温度传感器的热辐射能量取决于光纤温度、发射率与光谱范围。热物体在12波长范围内，传到光纤端部的辐射通量密度为：喇曼效应型喇喇曼曼(Raman)(Raman)效效应应是是一一种种利利用用光光纤纤材材料料内内分分子子相相互互作作用用调调制光线的非线性散射效应。制光线的非线性散射效应。这这种种散散射射光光的的波波长长会会在在两两个个方方向向上上变变化化，即即长长波波方方向向( (称称StockesStockes线线) )和和短短波波方方向向( (称称为为反反StockesStockes线线) )。StockesStocke
42、s辐辐射射强强度度与与反反StockesStockes辐辐射射强强度度之之比比为为热热力力学学温温度度的的函函数数，可可用用来来测测定定热热点点的的温温度度；再再测测量量光光波波传传输输的的时时间，就能确定其位置。间，就能确定其位置。非功能型光纤温度传感器液晶光纤温度传感器荧光光纤温度传感器半导体光纤温度传感器光纤辐射型温度传感装置液晶光纤温度传感器液晶光纤温度传感器利用液晶的“热色”效应而工作。例如在光纤端面上安装液晶片，在液晶片中按比例混入三种液晶，温度在1045范围变化，液晶颜色由绿变成深红，光的反射率也随之变化，测量光强变化可知相应温度，其精度约为0.1。不同型式的液晶光纤温度传感器的
43、测温范围可在-50250之间。荧光光纤温度传感器荧光光纤温度传感器的工作原理是利用荧光材料的荧光强度随温度而变化，或荧光强度的衰变速度随温度而变化的特性，前者称荧光强度型，后者称荧光余辉型。其结构是在光纤头部粘接荧光材料，用紫外光进行激励，荧光材料将会发出荧光，检测荧光强度就可以检测温度。荧光强度型传感器的测温范围为-50200；荧光余辉型温度传感器的测温范围为-50250。半导体光纤温度传感器半导体光纤温度传感器是利用半导体的光吸收响应随温度高低而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。温度变化时，半导体的透光率亦随之变化。当温度升高时，其透过光强将减弱，测出光强变化就可知对应的温度变
44、化。这类温度计的测温范围为-30300。光纤辐射型温度传感装置光纤辐射型温度传感装置的工作原理和普通的辐射测温仪表类似，它可以接近或接触目标进行测温。目前，因受光纤传输能力的限制，其工作波长一般为短波，采用亮度法或比色法测量。光纤测温技术及其应用对采用普通测温仪表可能造成较大测量误差，甚至无法正常工作的强电磁场范围内的目标物体进行温度测量。高压电器的温度测量。易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。高温介质的温度测量。功能型光纤温度测量系统框图非功能型光纤辐射温度计FR1系列双色光纤式测温仪一线制数字温度传感器DS18B20及其应用DS18B20的封装与外部引脚DS18B20的主要功能和特点采用独特的“一线制”通信方式，信号符合TTL电平逻辑;温度测量范围为-55oC125oC;可编程的温度转换分辨率，可根据应用需要在9Bit12Bit之间选取；在12bit温度转换分辨率下，温度转换时间最大为750ms;DS18B20采用节能设计，在等待状态下功耗近似为零。DS18B20的应用
