第五章温度检测技术PPT课件

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1、检测技术与控制工程基础检测技术与控制工程基础第五章第五章 温度检测技术温度检测技术材料成型及控制工程专业（必修）材料成型及控制工程专业（必修）1温度检测技术温度检测技术l温度和测温方法分类温度和测温方法分类l接触式测温方法接触式测温方法l非接触式测温方法非接触式测温方法25.1 温度和测温方法分类温度和测温方法分类l前言前言l温度与标定温度与标定l测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点3前言前言l温度是反映物体冷热状态的参数。从热平衡的温度是反映物体冷热状态的参数。从热平衡的观点来看，观点来看， 温度是物体内部分子无规则热运温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，动剧烈程度的标志， 温

2、度高的物体，温度高的物体， 其内部其内部分子平均动能大；分子平均动能大； 温度低的物体，温度低的物体， 其内部分其内部分子的平均动能小。子的平均动能小。 l两个物体处于同一热平衡状态就具有一个共同两个物体处于同一热平衡状态就具有一个共同的物理性质，表征这一性质的量就是温度，即的物理性质，表征这一性质的量就是温度，即两物体温度相等。如果两物体温度不同，它们两物体温度相等。如果两物体温度不同，它们之间不会平衡，会有热交换，热量由高温物体之间不会平衡，会有热交换，热量由高温物体传输到低温物体。传输到低温物体。4前言前言l热平衡是温度测量的基本出发点，只有通过测热平衡是温度测量的基本出发点，只有通过测

3、定某一物质的某方面物理特性（诸如定某一物质的某方面物理特性（诸如尺寸、密尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度度、硬度、弹性模量、辐射强度等）随温度而等）随温度而变化的情况，才能判断温度的变化，这种物质变化的情况，才能判断温度的变化，这种物质称为测温物质。称为测温物质。l用来判断温度变化的物理特性，应当与温度成用来判断温度变化的物理特性，应当与温度成连续的单值线性函数关系，基本上能满足要求连续的单值线性函数关系，基本上能满足要求的物质种类较多，但常用的只有几种。的物质种类较多，但常用的只有几种。5温度与标定温度与标定l温标的基本概念温标的基本概念l为了保证温度量值的准确和便于传递，需要建为了保证

4、温度量值的准确和便于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标温标用来用来衡量物体温度的标尺衡量物体温度的标尺。l建立一个温标包括建立一个温标包括2个方面：采用什么个方面：采用什么测量物测量物质质，利用哪一，利用哪一物理特性物理特性；如何；如何分度分度。6温度与标定温度与标定l温标有下面几种：温标有下面几种：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71)1) 经验温标经验温标l借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标，

5、称为经验用实验方法或经验公式所确定的温标，称为经验温标，有华氏、摄氏、兰氏、列氏温标等。温标，有华氏、摄氏、兰氏、列氏温标等。 （1 1） 华氏温标华氏温标 1714 1714年德国人法勒海特年德国人法勒海特(Fahrenheit)(Fahrenheit)以水银以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。为测温介质，制成玻璃水银温度计。它规定水的它规定水的沸腾温度为沸腾温度为212212度，度， 氯化铵和冰的混合物为氯化铵和冰的混合物为0 0度，度， 这两个固定点中间等分为这两个固定点中间等分为212212份，份， 每一份为每一份为1 1度，度，记为记为。按照华氏温标，则水的冰点为按照华氏温标，则水

6、的冰点为3232。 81)1)经验温标经验温标（2 2）摄氏温标）摄氏温标 1740 1740年瑞典人摄氏年瑞典人摄氏(Celsius)(Celsius)提出在标准提出在标准大气压下，把水的冰点规定为大气压下，把水的冰点规定为0 0度，水的沸点度，水的沸点规定为规定为100100度。将两个固定点之间的距离等分度。将两个固定点之间的距离等分为为100100份，每一份为份，每一份为1 1度，记为度，记为。 摄氏温度和华氏温度的关系为摄氏温度和华氏温度的关系为 T T = t + 32= t + 32 式中式中 T T华氏温度值华氏温度值; ; t t摄氏温度值。摄氏温度值。91)1)经验温标经验温

7、标 经验温标的缺点在于其局限性和随意性。经验温标的缺点在于其局限性和随意性。例如，若选用水银温度计作为温标规定的温度例如，若选用水银温度计作为温标规定的温度计，计， 那么别的物质（例如酒精）就不能用了，那么别的物质（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范围也不能超过上下限（如而且使用温度范围也不能超过上下限（如00， 100 100），超过了就不能标定温度了。），超过了就不能标定温度了。 102)2)热力学温标热力学温标热力学温标是由开尔文热力学温标是由开尔文( (KetvinKetvin) )在在18481848年提出年提出的，以卡诺循环的，以卡诺循环(Carnot cycle)(Carnot

8、 cycle)为基础。为基础。热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。之一。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，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把理想气体压力为零时对应的温度绝对零绝对零度与水的三相点温度分为度与水的三相点温度分为2732731616份，每份为份，每份为1 1 K (Kelvin) K (Kelvin) 。113)3)绝对气体温标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绝对气体温标。叫绝对气体温标。由由波义耳定律波义耳定律： PV=RT P

9、V=RT 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温度的单值函数。这样就有：是温度的单值函数。这样就有： T T2 2/T/T1 1=P=P2 2/P/P1 1124)4)国际实用温标国际实用温标l第一个国际温标是第一个国际温标是19271927年第七届国际计量大会决定采年第七届国际计量大会决定采用的温标用的温标, ,称为称为“1927“1927年国际温标年国际温标”，记为，记为ITS-27ITS-27。此后大约每隔此后大约每隔2020年进行一次重大修改，相继有年进行一次重大修改，相继有ITS-48ITS-48、IPTS-68IPTS-68和和EPT-7

10、6EPT-76、ITS-90ITS-90。 l国际温标做重大修改的原因，主要是由于温标国际温标做重大修改的原因，主要是由于温标“三要三要素素”发生变化。发生变化。ITS-90ITS-90是是19891989年年7 7月第月第7777届国际计量届国际计量委员会批准的、国际温度咨询委员会制定的新温标。委员会批准的、国际温度咨询委员会制定的新温标。 l从从19941994年年1 1月月1 1日起全面实行新温标。日起全面实行新温标。指导思想指导思想：尽可：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，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。性能稳定，使用方便。134)4)

11、国际实用温标国际实用温标ITSITS一一9090基本内容为：基本内容为： 1 1）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； 2 2）ITS-90ITS-90的的热热力力学学温温度度仍仍记记作作T T，为为了了区区别别于于以以前前的的温温标标，用用T90T90代代表表新新温温标标的的热热力力学学温温度度，其其单单位位仍仍是是K K。与与此此并并用用的的摄摄氏氏温温度度记记为为t90t90，单位是单位是。T90T90与与t90t90的关系仍是的关系仍是144)4)国际实用温标国际实用温标3 3）把整个）把整个温标温标分成分成4 4个温区，其相应的标准仪器个温区，其相应的标准仪器如

12、下：如下： 0.655.0K 0.655.0K，用，用3 3HeHe和和4 4HeHe蒸汽温度计；蒸汽温度计； 3.024.5561K 3.024.5561K，用，用3 3HeHe和和4 4HeHe定容气体温度计；定容气体温度计； 13.803K961.78 13.803K961.78，用铂电阻温度计；，用铂电阻温度计； 961.78 961.78以上，用光学或光电高温计；以上，用光学或光电高温计；4 4）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来实现整个器来实现整个热力学

13、温标热力学温标。1516各温标间的换算关系各温标间的换算关系17温度计的标定温度计的标定对温度计的标定，有对温度计的标定，有标准值法标准值法和和标准表法标准表法两种方法。两种方法。标准值法标准值法 就就是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

14、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；标标定定后后的的温温度度计计可作为标准温度计来测温度。可作为标准温度计来测温度。18温度计的标定温度计的标定标准表法：标准表法： 把被标定温度计把被标定温度计(传感器传感器)与已被标定好的与已被标定好的更高一级精度的温度计更高一级精度的温度计(传感器传感器)，紧靠在一起，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节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

15、、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。被标定温度计的标定。19测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l按照测温原理和所用的感温元件的不同，测温方法按照测温原理和所用的感温元件的不同，测温方法可以分为可以分为膨胀式膨胀式、压力式压力式、电阻式电阻式、热电式热电式和和辐射辐射式式5 5大类。大类。l膨胀式温度计膨胀式温度计有玻璃温度计和双金属温度计。玻璃有玻璃温度计和双金属温度计。玻璃温度计利用玻璃感温包内的测温

16、物质（水银、酒精、温度计利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）热胀冷缩的原理来测量的。温度值甲苯、煤油等）热胀冷缩的原理来测量的。温度值用刻度显示，测量范围为用刻度显示，测量范围为200200600 600 。双金属温。双金属温度计是采用膨胀系数不同的两种金属片牢固地黏合度计是采用膨胀系数不同的两种金属片牢固地黏合在一起作为感温元件，温度变化时，通过双金属片在一起作为感温元件，温度变化时，通过双金属片的弯曲变形带动指针来指示相应的温度，其温度测的弯曲变形带动指针来指示相应的温度，其温度测量范围一般为量范围一般为8080600 600 。20测温方法分类及其特点测温方法分类及其特

17、点l压力温度计压力温度计由温包、毛细管和弹簧管组成的一由温包、毛细管和弹簧管组成的一个密闭系统，里面充满感温物质。温包放入被个密闭系统，里面充满感温物质。温包放入被测介质中，当温度发生变化时，封闭系统中的测介质中，当温度发生变化时，封闭系统中的压力会随之变化，通过弹簧管的变形带动指针压力会随之变化，通过弹簧管的变形带动指针指示相应的温度。测温范围为指示相应的温度。测温范围为8080500 500 。l电阻式温度计电阻式温度计是利用金属或半导体的电阻随温度是利用金属或半导体的电阻随温度的变化情况来测量温度值，其输出信号是电阻值，的变化情况来测量温度值，其输出信号是电阻值，测温范围一般在测温范围一

18、般在200200600 600 。21测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l热电式温度计热电式温度计是利用金属导体的热效应，将温度是利用金属导体的热效应，将温度转换为热电势输出。热电势的大小反映被测温度转换为热电势输出。热电势的大小反映被测温度的高低，其测量范围可达的高低，其测量范围可达2712711800 1800 。l辐射式测温方法辐射式测温方法是通过被测物体的热辐射强度来是通过被测物体的热辐射强度来确定其温度的。辐射式测温方法的测温范围宽，确定其温度的。辐射式测温方法的测温范围宽，响应速度块，特别适合于高温测量。响应速度块，特别适合于高温测量。l近年来，一些新技术也用到了测温领域，如

19、光纤近年来，一些新技术也用到了测温领域，如光纤温度传感器等。温度传感器等。22测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点l根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成常可分成接触式接触式和和非接触式非接触式两大类。两大类。1 1）接触式测温方法）接触式测温方法测温精度测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；相对较低；由于感温元件与被测介质由于感温元件与被测介质直接接触直接接触，从而要影，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有测温误差；被测介

20、质具有腐蚀性及温度太高腐蚀性及温度太高亦亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。23测温方法分类及其特点测温方法分类及其特点2 2）非接触式测温方法）非接触式测温方法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能热辐射能实现热交换，据此测出被测实现热交换，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

21、的温度和快速变化的温度等优点。24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方 式式 接接 触触 式式 非非 接接 触触 式式 测量测量 条件条件 感感温温元元件件要要与与被被测测对对象象良良好好接接触触；感感温温元元件件的的加加入入几几乎乎不不改改变变对对象象的的温温度度；被被测测温温度度不不超超过过感感温温元元件件能能承承受受的的上上限限温温度度; ;被被测测对对象象不不对对感感温温元件产生腐蚀元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对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象的辐射能

22、充分照射到检测元件上 测量测量 范围范围 特别适合特别适合12001200以下、热容大、无腐蚀性以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于对象的连续在线测温，对高于l 300l 300以上以上 的温度测量较困难的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，原理上测量范围可以从超低温到极高温，但但10001000以下，测量误差大，能测运动物以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度体和热容小的物体温度 精精 度度 工业用表通常为工业用表通常为1.01.0、0.50.5、0.20.2及及0.10.1级，级，实验室用表可达实验室用表可达0.010.01级级 通常为通常为1.0

23、1.0、1.51.5、2.52.5级级 响应响应 速度速度慢，通常为几十秒到几分钟慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为快，通常为2 23 3秒钟秒钟 其它其它 特点特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维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物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻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烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度物体表现温度( (

24、需进一步转换需进一步转换) )；不易组成；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置测温、控温一体化的温度控制装置 25各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表大体测温范围265.2 接触式测温方法接触式测温方法l热膨胀式测温方法l热阻式测温方法l热电式测温方法275.2.1热膨胀式测温方法热膨胀式测温方法膨膨胀胀式式测测温温是是基基于于物物体体受受热热时时产产生生膨膨胀胀的的原原理理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨膨胀胀式式温温度度计计种种类类很

25、很多多，按按膨膨胀胀基基体体可可分分成成液液体体膨膨胀胀式式玻玻璃璃温温度度计计、液液体体或或气气体体膨膨胀胀式式压压力力温度计及固体膨胀式双金属温度计。温度计及固体膨胀式双金属温度计。本本节节简简单单介介绍绍3种种热热膨膨胀胀式式测测温温方方法法：玻玻璃璃温温度计、压力温度计和双金属温度计。度计、压力温度计和双金属温度计。28玻璃温度计玻璃温度计玻璃液体温度计玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。式仪表。水银水银是玻璃温度计最常用的液体，其是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为凝固点为-38.9-38.9、测温上限为、测温上限为538538。玻玻璃璃温温度度

26、计计特特点点：结结构构简简单单，制制作作容容易易，价价格格低低廉廉，测测温温范范围围较较广广，安安装装使使用用方方便便，现现场场直直接接读读数数，一一般般无无需需能能源源，易易破破损损，测测温温值值难难自自动远传记录。动远传记录。29玻璃温度计玻璃温度计玻璃温度计玻璃温度计的分类：的分类：l全浸式全浸式：测温准确度高，：测温准确度高，但读刻度困难，使用操作但读刻度困难，使用操作不便。不便。l局局浸浸式式：读读数数容容易易，但但测测量量误误差差较较大大，即即使使采采取取修修正正措措施施其其误误差差比比全全浸浸式式仍仍要大好几倍或更多。要大好几倍或更多。V V V V形工业玻璃温度计形工业玻璃温度

27、计形工业玻璃温度计形工业玻璃温度计30压力温度计压力温度计压力温度计压力温度计是根据一定是根据一定质量的液体、气体、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构压力温度计的典型结构示意图如右图。示意图如右图。31压力温度计压力温度计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

28、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。电接点压力式温度计电接点压力式温度计电接点压力式温度计电接点压力式温度计32双金属温度计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，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片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

29、当温度变化时，因起，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双金属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，导致双金属片很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。产生弯曲变形。33双金属温度计双金属温度计下图是双金属温度计原理图：下图是双金属温度计原理图：34双金属温度计双金属温度计双金属温度计双金属温度计的感温双的感温双金属元件的形状有金属元件的形状有平面平面螺旋型和直线螺旋型螺旋型和直线螺旋型两两大类，其测温范围大致大类，其测温范围大致为为-80600-80600，精度，精度等级通常为等级通常为1.51.5级左右。级左右。

30、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，只只能能用用做做一一般般的的工工业用仪表。业用仪表。355.2.2热阻式测温方法热阻式测温方法l几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化化-热电阻效应。热电阻效应。l根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。量。l利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。l热电阻材料可分为热电阻材料可分为金属热

31、电阻金属热电阻和和半导体热电阻半导体热电阻。36金属热电阻式温度传感器金属热电阻式温度传感器l纯金属具有正的温度系数，纯金属具有正的温度系数， 可以作为测温元可以作为测温元件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：1.电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；2.电阻率高，电阻率高， 元件尺寸可以小；元件尺寸可以小； 3.电阻值随温度变化尽量是线性关系；电阻值随温度变化尽量是线性关系；4.在测温范围内，物理、化学性能稳定；在测温范围内，物理、化学性能稳定；5.材料质纯、加工方便和价格便宜等。材料质纯、加工方便和价格便宜等。l铂、铜

32、、铁和镍是常用的热电阻材料，铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料， 其中其中铂铂和和铜铜最常用。最常用。37铂热电阻铂热电阻l铂热电阻的统一型号为铂热电阻的统一型号为WZPWZP，其物理、化学性能，其物理、化学性能非常稳定，长期复现性最好，非常稳定，长期复现性最好， 测量精度高。铂热测量精度高。铂热电阻主要用作标准电阻温度计。电阻主要用作标准电阻温度计。l国际标准有国际标准有Pt100Pt100， 测温范围为测温范围为-200-200960960， 电阻温度系数为电阻温度系数为3.9103.910-3-3/，00时电阻值为时电阻值为100 100 。但铂在高温下，易受还原性介质污染，。但铂在高温下

33、，易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系， 因因此使用时应装在保护套管中。此使用时应装在保护套管中。38铂热电阻铂热电阻39铜热电阻铜热电阻l铜热电阻的统一型号为铜热电阻的统一型号为WZCWZC，其优点是价格便，其优点是价格便宜、纯度高、宜、纯度高、 复制性好，电阻温度系数为复制性好，电阻温度系数为（4.254.254.284.28）1010-3-3/， 线性特性仅次于线性特性仅次于铂和银，铂和银， 但比铂电阻有较高的灵敏度，常用但比铂电阻有较高的灵敏度，常用来做来做-50-50150150范围内的工业用电阻温度计；范围内的工业用电阻

34、温度计；其缺点是电阻率较低，容易氧化，为此只能用其缺点是电阻率较低，容易氧化，为此只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质中。在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质中。l目前国标规定的铜热电阻有目前国标规定的铜热电阻有Cu50Cu50和和Cu100Cu100两种。两种。40铜热电阻铜热电阻41热电阻的引线形式热电阻的引线形式l内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功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量及控制装置相连能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。接。l热电阻的外引线有热电阻的外引线有两线制、三线制两线制、三线制及及四线制四线制三三种，如图所示。种，如图所示

35、。42热电阻的引线形式热电阻的引线形式两线制两线制两线制两线制两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥两线制热电阻测量电桥 当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一当用两线制接法时，引出线电阻被接于电桥的一臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时，将产生附加电阻，引起测量误差。将产生附加电阻，引起测量误差。将产生附加电阻，引起测量误差。将产生附加电阻

36、，引起测量误差。43热电阻的引线形式热电阻的引线形式三线制三线制三线制三线制三线制热电阻测量电桥三线制热电阻测量电桥三线制热电阻测量电桥三线制热电阻测量电桥 当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线当用三线制接法时，具有相同温度特性的引出线电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电电阻被接于电桥的相邻两臂上，当环境温度或通过电流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。流引起

37、导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。流引起导线电阻变化时产生附加电阻自行平衡。44热电阻的引线形式热电阻的引线形式四线制四线制四线制四线制四线式测温电路需要采用线性好的恒流源电路，恒流源输出四线式测温电路需要采用线性好的恒流源电路，恒流源输出2mA2mA的电流。的电流。R RT T两端电压通过两端电压通过R Rw2w2和和R Rw3w3直接输入由直接输入由A A1 1A A3 3构成构成的仪表放大器的输入端。的仪表放大器的输入端。45热电阻的引线形式热电阻的引线形式 从从A A2 2和和B B1 1两两点点来来看看，放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗非非常常高高，因因此此，流经两导线的电流近似为

38、流经两导线的电流近似为0 0，其电阻，其电阻R Rw2w2和和R Rw3w3可忽略不计。可忽略不计。 R R1 1和和C C1 1及及R R2 2和和C C2 2构构成成低低通通滤滤波波器器, ,R Rw1w1和和R Rw4w4串串联联在在恒恒流流源源电电路路中中，除除作作为为电电流流的的通通路路以以外外，还还用用于于限限制制恒恒流流电电路路和和放放大大器器的的工工作作电电压压范范围围，与与A A2 2和和B B1 1端端子子间间电电位位差差无无关关，对对测测量量精度影响不大。精度影响不大。 测测量量精精度度依依赖赖于于恒恒流流电电路路输输出出电电流流的的调调整整，调调整整时时若若无无实际使用

39、的传感器与电缆，用适当的电阻进行调整即可。实际使用的传感器与电缆，用适当的电阻进行调整即可。 46热敏电阻热敏电阻1. 1. 热敏电阻的类型热敏电阻的类型热敏电阻可按电阻的温度特性、热敏电阻可按电阻的温度特性、 结构、结构、 形形状、状、 用途、用途、 材料及测量温度范围等进行分类材料及测量温度范围等进行分类1 1） 按温度特性分类按温度特性分类 热敏电阻按温度特性可分为三类：热敏电阻按温度特性可分为三类：负温度系负温度系数热敏电阻（数热敏电阻（NTCNTC）、正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻（PTCPTC）和和临界负温度系数热敏电阻（临界负温度系数热敏电阻（CTRCTR）， 其电阻温度特

40、性如下页图所示。其电阻温度特性如下页图所示。 47热敏电阻热敏电阻48热敏电阻热敏电阻（1 1）负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻 简称简称NTCNTC，型号用，型号用MFMF表示。在工作温度范围内，电阻表示。在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，温度系数为随温度上升而非线性下降，温度系数为-(1-(16)%/6)%/，如上页图曲线，如上页图曲线1 1所示。所示。（2 2）临界负温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻 简称简称CTRCTR。CTRCTR是一种开关型是一种开关型NTCNTC，在临界温度附近，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小，如上图曲线阻值随温度上升而急剧减小，如

41、上图曲线4 4所示。所示。 （3 3）正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻 简称简称PTCPTC，型号用，型号用MZMZ表示。在工作温度范围内，其电表示。在工作温度范围内，其电阻值随温度上升而非线性增大。曲线阻值随温度上升而非线性增大。曲线2 2为缓变型，其为缓变型，其温度系数为温度系数为0.5%/0.5%/8%/8%/，曲线，曲线3 3为开关型，在居为开关型，在居里点附近的温度系数可达里点附近的温度系数可达10%/10%/60%/60%/。 49热敏电阻热敏电阻2 2） 按材料分类按材料分类 热敏电阻按材料一般分为陶瓷、塑料、金刚石、单热敏电阻按材料一般分为陶瓷、塑料、金刚石、单晶、非晶热敏

42、电阻等。晶、非晶热敏电阻等。 3 3） 按工作温度范围分类按工作温度范围分类 （1 1）低温热敏电阻：工作温度低于）低温热敏电阻：工作温度低于-55-55。 （2 2）常温热敏电阻：工作温度范围为）常温热敏电阻：工作温度范围为-55-55315315。 （3 3）高温热敏电阻：工作温度高于）高温热敏电阻：工作温度高于315315。 50热敏电阻热敏电阻51热敏电阻热敏电阻热敏电阻的热敏电阻的优点优点：灵敏度高灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大，其灵敏度比热电阻要大1 12 2个数量个数量级；级；很好地与各种电路很好地与各种电路匹配匹配，而且远距离测量时，而且远距离测量时几几乎无需考虑连线电阻的影响

43、乎无需考虑连线电阻的影响；体积小体积小；热惯性小，响应速度快热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测，适用于快速变化的测量场合；量场合；结构简单坚固结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。，能承受较大的冲击、振动。52热敏电阻热敏电阻热敏电阻的热敏电阻的主要缺点主要缺点： 阻值与温度的关系阻值与温度的关系非线性严重非线性严重； 元件的元件的一致性差一致性差，互换性差互换性差； 元件元件易老化易老化，稳定性较差稳定性较差； 除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合阻仅适合0150范围范围，使用时必须注意。，使用时必须注意。535.2.3 热电式测温方法热电式

44、测温方法、热电效应、热电效应、热电偶基本定律、热电偶基本定律、热电偶冷端温度误差及其补偿、热电偶冷端温度误差及其补偿、热电偶实用测量电路、热电偶实用测量电路54热电效应热电效应l热电效应于热电效应于18211821年由年由SeebackSeeback发现的，故又称为赛贝发现的，故又称为赛贝克效应。如图所示：克效应。如图所示：lA A、B B两种导体称为热电偶的热电极。一端为工作端或两种导体称为热电偶的热电极。一端为工作端或热端（热端（T T），测温时置于被测温度场中；另一端为参），测温时置于被测温度场中；另一端为参考端或冷端（考端或冷端（T T0 0），恒定在某一温度。），恒定在某一温度。l热

45、电偶的热电势由热电偶的热电势由接触电势接触电势和和温差电势温差电势两部分组成。两部分组成。55热电效应热电效应56热电效应热电效应57热电效应热电效应结论：结论：如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度如何，如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度如何，总电势为零；总电势为零；58热电效应热电效应如果两接点处的温度相同，尽管如果两接点处的温度相同，尽管A A、B B材料不同，总热电材料不同，总热电势为零；势为零；热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有关，而热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；与材料的尺寸、几何形状无关；若若A A、B B材料确定，热电

46、势材料确定，热电势E EABAB(T,T(T,T0 0) )是两接点温度是两接点温度T T和和T T0 0的的函数差函数差, ,即即 如果如果T T0 0保持恒定保持恒定, ,则则f(Tf(T0 0)=C()=C(常数常数) )热电势热电势E EABAB(T,T(T,T0 0) )只是工作端温度只是工作端温度T T的单值函数。的单值函数。59(1)(1)热电偶的热电偶的中间导体定律中间导体定律60(2)(2)连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律61(2)(2)连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律62(2)(2)连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律

47、63(3)(3)标准电极定律标准电极定律64热电偶的温度误差及补偿热电偶的温度误差及补偿一、温度误差一、温度误差 输出的热电势是被测温度的单值函数，一般将输出的热电势是被测温度的单值函数，一般将T T作为被测温度端作为被测温度端,T,T0 0作为固定冷端（或参考温度端），作为固定冷端（或参考温度端），通常要求通常要求T T0 000。 参考端的温度变化参考端的温度变化, ,必然引起温度测量的误差必然引起温度测量的误差, ,因因此需要进行补偿。此需要进行补偿。65热电偶的温度误差及补偿热电偶的温度误差及补偿66热电偶的温度误差及补偿热电偶的温度误差及补偿67热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路6

48、8热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路69热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路70热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路715.3 非接触式测温方法非接触式测温方法 非接触式测温方法非接触式测温方法以物体的热辐射原理为依据以物体的热辐射原理为依据, ,因因此又称为此又称为热辐射测温法热辐射测温法. . 1 1、任任何何物物体体温温度度高高于于绝绝对对零零度度（-273.16-273.16 C C）时时，都都将将有有热热辐辐射射，温温度度越越高高，则则发发射射到到周周围围空空间间的的能能量量就就越多。越多。 2 2、辐辐射射能能以以波波动动形形式式表表现现出出来来，其其波波长长的的范范围围极极广广

49、，从从短短波波、x x光光、紫紫外外光光、可可见见光光、红红外外光光一一直直到到电电磁波。磁波。 3 3、温温度度测测量量中中主主要要是是可可见见光光和和红红外外光光，因因为为此此类类能能量量被被接接收收以以后后，多多转转变变为为热热能能，使使物物体体的的温温度度升升高高，所以一般就称为所以一般就称为热辐射热辐射。72辐射测温特点辐射测温特点l非接触测量非接触测量 - - 不影响被测温度分布不影响被测温度分布l响应速度快：对高速运动物体测温。响应速度快：对高速运动物体测温。l灵敏度高，能分辨微小的温度变化；灵敏度高，能分辨微小的温度变化；l测量范围广测量范围广(-10(-1013001300

50、C)C)；l抗干扰能力强，无需修正。抗干扰能力强，无需修正。73一、热辐射基本定律一、热辐射基本定律( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律( (二二) ) 斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律( (三三) ) 普朗克定律普朗克定律( (四四) ) 维恩位移定律维恩位移定律74( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1 1、出射辐射能与吸收辐射能的一致性、出射辐射能与吸收辐射能的一致性辐通量辐通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，称辐射功率，SI单位为瓦。单位为瓦。光谱吸收率光谱吸收率 ：-表示物体对辐射到其上的表示物体对辐射到其上的辐通量

51、可吸收的比例。辐通量可吸收的比例。式式中中 为为被被物物体体吸吸收收的的辐辐通通量量； 为为照射到物体单位面积上的辐通量。照射到物体单位面积上的辐通量。75( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律l当当 时称为黑体，能全部吸收辐射到其时称为黑体，能全部吸收辐射到其上能量的物体（理想）。上能量的物体（理想）。l当当 时称为非黑体，只能部分吸收辐射时称为非黑体，只能部分吸收辐射到其上能量的物体（实际）。到其上能量的物体（实际）。l辐射出射度辐射出射度：从辐射源表面单位面积发射出的：从辐射源表面单位面积发射出的辐通量称为辐射出射度。辐通量称为辐射出射度。l单色辐射出射度单色辐射出射度：某一特定波长

52、的辐射出射度：某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。称为单色辐射出射度。76( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律热平衡时物体向四周的辐射功率等于它能吸收的功率。热平衡时物体向四周的辐射功率等于它能吸收的功率。物体的单色辐射出射度物体的单色辐射出射度 与单色吸收比与单色吸收比 的的比值为一普适函数比值为一普适函数与温度和波长有关。与温度和波长有关。77( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在相同温度下，各种不同物体对相同在相同温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温

53、度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。78( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律结论：结论：即：物体的即：物体的光谱发射率光谱发射率等于其等于其光谱吸收率光谱吸收率。吸收辐。吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强。射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强。79( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律l斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律描述物体辐射出射度与温玻耳兹曼定律描述物体辐射出射度与温度间的关系。度间的关系。l温度为温度为T T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上的绝对黑体，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所发射的全

54、部波长的辐射出射度 与温度与温度T T的四的四次方成正比。次方成正比。l对于非黑体的一般物体对于非黑体的一般物体80( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律l式中式中 为温度为为温度为T时全波长范围的材料发射率，时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；也称为黑度系数；l 为为斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数lT T为物体的热力学温度。为物体的热力学温度。l斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律是辐射式测温的理论依据。玻耳兹曼定律是辐射式测温的理论依据。81（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）式中，式中，cc光速；光速； h h普朗克常数，普朗克常数，6.

55、626176106.62617610-34-34JsJs； k k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.38066244101.3806624410-23-23J/KJ/K； C C1 1第一辐射常数，第一辐射常数，3.7418103.741810-16-16WmWm2 2； C C2 2第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-12-12mKmK； T T绝对温度。绝对温度。温度为温度为T T的单位面积元的的单位面积元的绝对黑体绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长，在半球面方向所辐射的波长为为的辐射出射度为的辐射出射度为普朗克定律普朗克定律描述辐射能量在各波长上的分布关系描述辐射

56、能量在各波长上的分布关系也可以用辐射亮度来表示也可以用辐射亮度来表示：82（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律l维恩位移定律描述最大辐射波长与温度的关系维恩位移定律描述最大辐射波长与温度的关系l热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长物体峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度T T成以下关系成以下关系83温度升高：温度升高：单单色色辐辐射射强强度度随随温温度度升升高高而增加；而增加；总辐射能量增加；总辐射能量增加；峰值波长减小。峰值波长减小。 每每一一条条曲曲线线下下的的面面积积表表示示该该温温度度下下物物体体辐辐射射能能

57、量量的的总总和和，与与温温度度的的四四次次方成正比。方成正比。（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律84二、辐射温度计二、辐射温度计（一）全辐射温度计（一）全辐射温度计 利利用用物物体体的的温温度度与与总总辐辐射射出出射射度度的的关关系系来来测测量量温温度度。根根据据斯斯忒忒潘潘一一玻玻耳耳兹兹曼曼定定律律总总辐辐射射出出射射度为：度为：85二、辐射温度计二、辐射温度计l采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度；被测对象的温度；l主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助装置主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助装置组成；组成

58、；l可用于测量可用于测量-50-50200020000 0C C的高温；的高温；l对物体黑度系数的估计偏差会给仪表带来误差；对物体黑度系数的估计偏差会给仪表带来误差；l环境温度的变化也会使仪表产生误差。环境温度的变化也会使仪表产生误差。8687二、辐射温度计二、辐射温度计l被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：L/DL/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与（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，否则也会产目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会

59、产生误差。生误差。l应该注意：应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度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是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。这个温度被称为的实际温度。这个温度被称为 “辐射温度辐射温度”。88二、辐射温度计二、辐射温度计T T和和T TF F分别为物体的分别为物体的真实温度真实温度和和辐射温度辐射温度； T T为温度为温度T T时物体全辐射的发射率。因为非黑体时物体全辐射的发射率。因为非黑体T T11，则，则T TF FTT。89二、辐射温度计二、

60、辐射温度计 ( (二二) )部分辐射温度计部分辐射温度计 为提高仪表的灵敏度，热敏元件不采用为提高仪表的灵敏度，热敏元件不采用热电堆，而采用光电池、光敏电阻以及其它热电堆，而采用光电池、光敏电阻以及其它的一些的一些探测元件探测元件，这些元件和热电堆相比具，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的仅能对某一波长范围的光谱产生效应光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。90三、亮度温度计

61、三、亮度温度计l亮度温度计是利用物体在不同温度下辐射的单亮度温度计是利用物体在不同温度下辐射的单色光亮度不同原理而测温的。色光亮度不同原理而测温的。l根据普朗克定律根据普朗克定律l亮度温度计有亮度温度计有2种类型：种类型：灯丝隐灭式光学温度灯丝隐灭式光学温度计计和和光电亮度温度计光电亮度温度计（用光敏元件代替人眼，（用光敏元件代替人眼，实现自动测量实现自动测量 ）。）。91灯丝隐灭式光学温度计（示意图）灯丝隐灭式光学温度计（示意图）优优点点：结结构构简简单单，使使用用方方便便，测测温温范范围围广广（700-3200700-3200），一般可满足工业测温的准确度要求。一般可满足工业测温的准确度要

62、求。缺缺点点：人人眼眼观观察察，并并需需用用手手动动平平衡衡，因因此此不不能能实实现现快快速速 测测量和自动记录，且测量结果带有主观性。量和自动记录，且测量结果带有主观性。 将将物物体体辐辐射射的的单单色色亮亮度度和和仪仪表表内内部部的的高高温温灯灯泡泡灯灯丝丝亮亮度度比比较较。利利用用调调节节电电阻阻来来改改变变高高温温灯灯泡泡的的工工作作电电流流，当当灯灯丝丝的的亮亮度度与与被被测测物物体体的的亮亮度度一一致致时时，灯灯泡泡的的亮亮度度就就代代表表了了被被测测物物体的亮度温度。体的亮度温度。92四、颜色温度计四、颜色温度计l颜色温度计：通过两个光谱能量比的方法测量颜色温度计：通过两个光谱能量比的方法测量温度，所以也称为比色温度计。温度，所以也称为比色温度计。l用这种方法测量非黑体温度时得到的用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温颜色温度度” ：绝对黑体辐射的两个波长：绝对黑体辐射的两个波长 和和 的亮度的亮度比等于非黑体的相应亮度比时，绝对黑体的温比等于非黑体的相应亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度度就称为这个非黑体的颜色温度TC。93四、颜色温度计四、颜色温度计根据热辐射体的光谱发射率与波长的关系特性，根据热辐射体的光谱发射率与波长的关系特性，颜色温度可以小于、等于或大于真实温度。颜色温度可以小于、等于或大于真实温度。94