计量方法与误差理论CH34温度和光学计量

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。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+tcTF=1.8tc+32TR=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、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，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：0.01K100K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,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。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。,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TP3000，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0.0001K，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(luminousflux)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：光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（）。是一个属于把辐射通量与人眼的视觉特性联系起来评价的主观物理量流明：光强度为1坎德拉（cd）的均匀点光源，在1球面度（sr）立体角内发射的光通量。,由于人眼对不同波长的光敏感性不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。如，当波长为55510-9米的绿光与波长为65010-9米的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的10倍。为了测光的统一和准确，根据对许多正常人眼的研究，求出了各种波长的平均相对光灵敏度。1942年，国际照明委员会（CIE）规定了国际统一的平均人眼“光谱光效率”或“视见函数”。,一立体角顶点位于球心，它在球面上所截取的面积等于以球半径r为边长的正方形面积，那么这个立体角就是1球面度。,2、光强度光通量的空间密度，即点光源在给定方向上单位立体角发射的光通量。3、光照度光通量的面密度，即被照射物体表面单位面积上的光通量勒克斯（lx）：1lm的光通量均匀分布在1m2表面所产生的光照度。,单位：尼特（nt）,4、光亮度光亮度是表示发光面明亮程度的。光源表面的某一点面元在一给定方向上的发光强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正射投影面积之比。,四种度量值示意图,二、光度计量器具,1.光探测器主观光探测器（人眼，对弱光敏感度高）、客观探测器光电探测器外光电效应：光子能量电子逸出光电流（光电管、光电倍增器）光伏效应：P-N结吸收光子能量电子空穴对光电流（光敏二极管、三极管）光电导效应：P-N结吸收光子能量释放更多载流子电导率下降（光电池）与波长、光通量有关热电探测器热电效应：光能温度升高电阻或电容（测辐射热计）表面电荷（热释电探测器）电动势（热电偶、热电堆）只与辐射通量有关，与波长无关，无选择性探测器光化学效应探测器,如照相底片,光辐射基本测量设备,2光度导轨(非单独设备)精确轴向距离刻度和标尺的导轨，数个带距离精细刻度的滑动架或滑车,用平方反比定律（即点源对微面元的照度与点源的发光强度成正比，与距离平方成反比）连续、精确改变某平面处的光照度,改变光源到光度计的距离，使进入光度计两侧的光在视场内平衡时，两半视场的中心界线消失，则二者具有相同的光照度。,陆末-布洛洪（Lummer-Brodhun）目视光度计,光辐射基本测量设备,3积分球(非单独设备)和光度导轨一样，积分球并非一个单独的测量设备，常常和光源、探测器装在一起，作为理想漫射光源和匀光器，广泛用于光辐射测量中,结构及原理：铝或塑料做成的内部空心球，内壁涂抹漫射材料，球上开多个孔（入射光孔或安装光源）。球内任一面元发出的辐射通量，经过多次漫射，能使球内各点有相同的直射辐照度。,优点：经积分球多次漫射，可使光能不均匀的测量光束均匀化，消除由探测器接收表面响应的不均匀产生的测量误差。,光辐射基本测量设备,4单色仪将宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，用作可调波长的单色光源或分光器。利用色散元件（棱镜、光栅等）对不同的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间展开，并由入射狭逢和出射狭逢的配合，得到所要求的单色光谱。棱镜单色仪光栅单色仪,光辐射基本测量设备,5分光光度计作用：测量材料光谱反射比或透射比组成：（美国GE公司）双单色仪、偏光系统、积分球、探测器偏光系统将光束分成两路偏振方向相互垂直的偏振光,测反射比：一束光照射处放标准反射块,另一束光照射处放样品,改变夹角使探测器输出相等测透射比：反射块的位置放相同的中性漫反射块,标准透射样品、待测样品,改变夹角使探测器输出相等,光强度计量比较法在光度导轨上测量等光照度法（主观法）使标准灯、待测灯在接收器表面产生的光照度E相等，然后用距离平方反比定律进行计算,等距离法（客观法）使标准灯、待测灯和比较灯到光电接收器表面的距离都相等，且位于同一侧。参考灯用来监视被测系统的稳定性，通过光电流计算,三、光度计量方法,光照度计量照度计光辐射探测器+指示/显示装置光辐射探测器放在待测平面，产生光电流通过光强度和光亮度值计算符合朗伯光源(各个方向上的亮度均相等)的光照度的一般计算公式,光亮度计量亮度计用一个光学系统把待测光源表面成像在放置光辐射探测器的平面上,目视法以亮度比较作为基础。使被测亮度与比较亮度各自照亮光度计的一半视场，调节减光盘开口，直到两半视场亮度相等,光通量的计量积分球法：替代、比较计量通过比较方式，在积分球内轮流点燃标准灯和被测灯，由光电池接收器分别测出对应窗口的光照度。,分布光度计法：基本原理：光强度I、光照度E和光通量的定义多数光源的光分布轴向对称分布光度计的结构：光电池接收器可沿圆弧滑动圆弧可以轴向转动测量全方位的光照度（测量照度E的分布）,辐射能：辐射能是以辐射形式传播或接收的能量。当辐射能被其它物质吸收时，可转变为热能、电能等其它形式的能量。辐射通量：辐射功率。以辐射形式发射、传播或接收的功率。辐射强度：单位立体角度内光源发射出的辐射通量。如：灯泡作为点光源，描述给定方向的辐射强度,3.5.2辐射度计量,1.辐射度量及单位,一、辐射度计量基础知识,辐射度量,辐射亮度：光源在垂直其辐射传输方向上单位面积的立体角内发射出的辐射通量,辐射出度：光源表面单位面元的辐射通量,辐射照度：被照表面单位面积上接收到的辐射通量。,辐射照度：被照表面单位面积上接收到的辐射通量。,辐射出度、辐射强度、辐射亮度等都是源的辐射特性的度量。从技术实践角度需要有一个物体被照程度的物理量辐射照度,辐射吸收率：物体所吸收的辐射通量与入射到该物体上的同一波长的辐射通量的比值。,黑体辐射定律,2.黑体辐射基本定律（光辐射计量的基本理论）黑体：理想概念，吸收本领基尔霍夫定律物体发出的辐射（辐射出度）与吸收率a的比值在同一波长和温度下相同，而与物体材料和形状无关。吸收本领越大的物体，发射本领也大，不能发射某波长的辐射能，也不能吸收该波长的辐射能；反之亦然。,黑体辐射定律,普朗克定律黑体辐射理论的基础普朗克建立了f(,T)的具体数学表达式，即黑体辐射出度。,斯忒藩-波尔兹曼定律全波长内普朗克公式积分。黑体总辐射出度与绝对温度的四次方成正比维恩位移定律绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为），辐射本领最大的波长与黑体绝对温度的乘积为一个常数,c1，第一辐射常量，3.741810-12W.cm2,c2，第二辐射常量，1.43810-12cm.K,黑体辐射定律,最大辐射定