现代检测技术第六章温度检测方法和技术

1、现代检测技术第六章温度检测方法和技术2导言温度 标志（物体内部分子无规则热运动剧烈程度）两个物体温度相同 热平衡状态(第零定律)基准温度值 比较 得待测物体的温度36.1 温度与标定6.4 热阻式测温方法6.3 热膨胀式测温方法6.5 热电式测温方法6.2 测温方法分类及其特点6.7 新型温度传感器及其测温技术6.6 辐射法测温46.1 温标与标定6.1.1 温标 原因：目前尚难以直接测量物体内部的分子动能，为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。经验温标，热力学温标绝对气体温标国际实用温标和国际温标温标经历了一个逐渐发展，不断修改和完善的渐进过程56.1

2、 温标与标定1、经验温标 定义：根据某些物质体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。华氏温标：单位：华氏度，记作： 水的冰点为32，沸点为212 摄氏温标：单位：摄氏度，记作： 水的冰点为0 ，沸点为100 66.1 温标与标定摄氏温度和华氏温度的关系：式中：T 华氏温度值； t 摄氏温度值； 局限性： 经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限(如摄氏为0、l00)。超过了这个温区，摄氏将不能进行温度标定。76.1 温标与标定2、热力学温标以-273.15作为零度；单位：开尔文，记作：K；它的每一度大小与摄氏温度每一度大小相同；热力学温度的零度

3、即0K（或-273.15）叫绝对零度，它表示在宇宙中只能无限接近，但不可能达到的低温的极限。86.1 温标与标定3、绝对气体温标从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标；若选用同一固定点(水的三相点)来作参考点，则两种温标在数值上将完全相同。96.1 温标与标定4、国际实用温标和国际温标IPTS一90温标 重申国际实用温标单位仍为K； 热力学温度（T）与摄氏温度（t）之间的换算关系： ；106.1 温标与标定6.1.2 标定标准值法温标标准值示值插值标准温度计标准表法 用已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)进行标定，获得修正值。116.2 测温方法分类及其特点测温方式 接触

4、式和非接触式接触式温度计 非接触式测温 126.2 测温方法分类及其特点方 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l 300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.

5、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136.3 热膨胀式测温方法属于接触式测温方式一种基本原理：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。热膨胀式测温方法的分类液体膨胀式玻璃温度计液体或气体膨胀式压力温度计固体膨胀式双金属温度计146.3 热膨胀式测温方法6.3.1 玻

6、璃温度计水银凝固点：-38.9； 上限：538。酒精下限：-62；甲苯下限：-90；戊烷下限：-20l。 全浸式 局浸式较低温度测量 156.3 热膨胀式测温方法6.3.2 压力温度计 原理：一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系。压力温度计结构示意图 温度变化感温介质体积变化压力变化弹簧变形指针偏转毛细管细而长，用于传递压力。长度长，温度计响应慢；管细，准确度高。测温范围：-100 600油、水系统的温度测量166.3 热膨胀式测温方法176.3 热膨胀式测温方法6.3.3 双金属温度计 基本原理：固体长度随温度变化而变化，公式如下： 式中：L1固体在温度t1

7、时的长度； L0固体在温度t0时的长度； k固体在温度t0、t1之间的平均线膨胀系数。 186.3 热膨胀式测温方法 把两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。温度越高线膨胀差越大弯曲角度也越大。弯曲变形196.3 热膨胀式测温方法感温双金属元件的形状：平面螺旋型直线螺旋型测温范围：-80 600精度等级：级左右双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。 206.4 热阻式测温方法基本原理 金属导体或半导体的电阻值随温度变化。 电阻值的变化 电信号 测温优点 灵敏度高、连续测量、远传、无需参比温度 稳定性高、互换性好、准确度高，基准仪表

8、缺点 电源激励、自热现象216.4 热阻式测温方法6.4.1 铂电阻测温1、概述 特点：电阻率大；电阻温度关系 非线性；测温范围广，精度高；氧化性介质中、高温下，物理、化学性质很稳定 铂的纯度：用百度电阻比W100表示，W100R100R0 W100 纯度 电阻反应越明显226.4 热阻式测温方法 铂电阻分度号：分度号是用以确定各种温度传感器在测温范围内随温度变化准确对应的电压或电阻关系的数列，通常用K、E、T、Cu50、Pt10、Pt100等字母数字来表示。 产品名称分度号测量范围镍铬-镍硅（镍铝）热电偶K2501200铁-康铜热电偶J2001100镍铬-康铜热电偶E250800铜-康铜热电

9、偶T250400铜热电阻Cu50 50150铂热电阻Pt10600850 铂热电阻Pt100200600236.4 热阻式测温方法 测温范围： -200850当-200t0时当0t850时 246.4 热阻式测温方法Pt100热电阻温度-阻值对照表 256.4 热阻式测温方法2、热电阻的结构热电阻感温元件用来感受温度的电阻器，是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。266.4 热阻式测温方法铂电阻测温计热电阻276.4 热阻式测温方法3、热电阻的引线形式 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接。两线制、三线制及四线制三种286.4 热阻式测温方法

10、 两线制两线制热电阻测量电桥示意图 两线制热电阻测量电桥等效原理图 296.4 热阻式测温方法 三线制三线制热电阻测量电桥示意图 三线制热电阻测量电桥等效原理图 粗细要相同，长度要相等，阻值要一致 306.4 热阻式测温方法123316.4 热阻式测温方法 四线制 四线制热电阻测量电桥示意图 四线制热电阻测量电桥等效原理图 6.4 热阻式测温方法336.4 热阻式测温方法其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表 346.4 热阻式测温方法6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温1、铜电阻特点：电阻 温度关系 线性；价格低廉 电阻率较低而体积较大，热响应

11、慢测温范围： -40120（工业用铜热电阻-分度号 分别为Cu50和Cul00 ）当-50t150时，电阻与温度的关系为： 356.4 热阻式测温方法366.4 热阻式测温方法376.4 热阻式测温方法2、半导体热敏电阻特点：缺点：电阻 温度关系 指数变化； 互换性差；稳定性较差；优点：灵敏度高（10-100倍）；体积小结构简单； 响应速度快；价格低廉；适于远传测温范围： 0150（普遍）386.4 热阻式测温方法396.4 热阻式测温方法406.4 热阻式测温方法416.4 热阻式测温方法热敏电阻三大特性：温度特性，伏安特性，安时特性426.4 热阻式测温方法NTC热敏电阻的温度特性 436

12、.4 热阻式测温方法热敏电阻的安时特性 安时特性是指热敏电阻在不同的外加电压下，阻值达到稳定量值所需的时间 446.4 热阻式测温方法热敏电阻的伏安特性 伏安特性是描述通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压V的关系 456.4 热阻式测温方法热敏电阻测量电路466.4 热阻式测温方法476.4 热阻式测温方法486.5 热电式测温方法6.5.1 热电偶测温 特点：测温范围宽、精度较高、性能稳定、电信号1、测温基本原理 工作端或热端 参比端或冷端 热电极热电极热电效应 热电势 温差电势、接触电势496.5 热电式测温方法接触电势示意图 导体材料不同电子密度不同 电子扩散接触电势 数量级：10-2

13、10-3V 接触电势506.5 热电式测温方法接触电势示意图 由物理学可知，导体A、B在接触点1、2的接触电势EAB(T)和EAB(T0) 分别为： 可以得出回路中总的接触电势为：总接触电势只与导体A、B的性质和两接触点的温差有关。当T=T0时，尽管两接触点处都存在接触电势，但回路中总接触电势等于零。 516.5 热电式测温方法温差电势示意图 导体材料两端温度不等温差电势 数量级：10-5 V 温差电势T1T212526.5 热电式测温方法温差电势示意图 当导体A、B两端的温度分别为T和T0，且TT0时，导体A、B各自的温差电势分别为 ： 可以得出回路中总的温差电势为：536.5 热电式测温方

14、法结论：两热电极材料确定 总电势仅仅与 (T、T0)有关546.5 热电式测温方法回路的热电势是两个接点的温度函数之差： 当冷端（自由端）温度T0固定不变时，即f(T0)=常数。此时： 热电偶测温基本公式 标准的热电偶分度表：将自由端温度保持为0，通过实验建立热电势与温度之间的数值关系 556.5 热电式测温方法2、热电偶分类及特性566.5 热电式测温方法3、热电偶结构 普通工业用热电偶 普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等部分组成。576.5 热电式测温方法 铠装热电偶热电偶丝、绝缘材料 紧压 金属保护管特点：测温范围 -200 160响应速度快挠性好使用寿命长机械强度、耐

15、压性能好外径尺寸范围宽 8mm 长度可以做得很长 500m586.5 热电式测温方法596.5 热电式测温方法 薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到），具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。直接粘贴或压着在被测物表面，测其表面温度 606.5 热电式测温方法日本千野薄膜热电偶 616.5 热电式测温方法类型性能特点典型时间常数应用范围普通热电偶结构简单、安装空间小，接线方便，已做成标准型式。但时间滞后大，动态响应慢

16、，安装较困难。分级测量气体、蒸汽、液体等介质的温度等实时性要求不高、但要快速拆卸的环境。铠装热电偶热惯性小；有良好的柔性，便于弯曲；抗振性能好；动态响应快。秒级测量狭小的对象上各点的温度或实时性要求较高的场合薄膜热电偶厚度很薄，达微米级。热惯性小，动态响应最快。毫秒级适用于各种物体表面温度的测量。如汽轮机叶片表面温度测量，火箭、飞机喷嘴的温度，钢锭、轧辊等表面温度测量等。626.5 热电式测温方法4、热电偶三大基本定律 中间温度定律 中间导体定律 标准电极定律636.5 热电式测温方法 中间温度定律 中间温度定律：指当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为

17、T、T1和T1、T0时所产生的热电势之代数和，即： T1称为中间温度 646.5 热电式测温方法应用：可以根据该定律，在冷端温度为任一恒定值时，利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。例子 用镍铬镍硅K型热电偶测量炉温，当冷端温度T1=30时，测得热电势E(T,T1，求实际炉温。 解答：由T1=30 查分度表得，根据中间温度定律得: E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)= 39.17+1.2 = 40.37(mv) 则查表得炉温T=976。 656.5 热电式测温方法 中间导体定律 中间导体定律 ：在热电偶回路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路的总的热电势没有影响。 应用：在

18、热电偶测温回路中，接入导线和测量仪表。666.5 热电式测温方法 标准电极定律 标准电极定律：如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0) ，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势 EAB(T,T0) 为：电极C称为标准电极 676.5 热电式测温方法应用：在工程测量中，由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提钝，所以目前常将纯铂丝作为标准电极。标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便。 例子 铂铑30铂热电偶的EAC(1084.5 , 0)=13,976mv, 铂铑6铂热电偶的EBC， 根据标准电极定

19、律，铂铑30铂铑6热电偶的EAB。 686.5 热电式测温方法4、热电偶温度测量 补偿导线 定义：绝缘层导线 热电偶 热电特性相同 作用：延长热电偶的冷端 远离热源、温度较恒定 特点：不能消除参比端不为0的影响 须将参比端的温度修正到0696.5 热电式测温方法706.5 热电式测温方法 参比端处理 热电偶分度表 热电偶参比端为0 实验室条件：冰水混合物，电子式恒温槽 工业测温现场：很难保持参比端为0 解决方法：中间温度定律 + 软件补偿716.5 热电式测温方法 在工业现场实际测量温度时，智能化仪器增加一路测量参比端（冷端）： 1、通过补偿导线将热电偶冷端置于一个温度变动范围不大的现场正常环

20、境中； 2、在这个环境中可采用价格十分低廉的铜电阻或半导体集成温度传感器等测量环境温度。726.5 热电式测温方法例：用K型热电偶测炉温，测得参比端温度t138，测得测量端和冷端间的热电动势E(t,38)，求实际炉温。解：由K型分度表查得E(38,0)1.53 mV， 则 E(t,0)E(t,t1)+ E(t1,0) 29.90 +1.53 =31.43 mV 查K型分度表，31.43 mV 755 讨论: 若参比端不作修正 则 E(t,38 )29.90 mV 查K型分度表, 29.90 mV 718 755 718 37 相对误差 5%736.5 热电式测温方法746.5 热电式测温方法7

21、56.5 热电式测温方法测温范围（）精度灵敏度复现性导线影响热电阻-200+850高 较高好中热电偶-190+1820中低好高热电阻、热电偶性能比较766.5 热电式测温方法6.5.2 集成温度传感器AD590原理：晶体管P-N结其正向压降随温度升高而降低测温范围：-50150 对 RW 的调整输出 VT = 1mv/776.5 热电式测温方法特点： 外接线简单 对外接电压要求非常低 非线性误差较小 良好的互换性786.5 热电式测温方法796.6 辐射法测温法热辐射：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。 电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生 与物体本身

22、温度有关、传播热能的辐射，称为热辐射。 辐射式温度计： 检测热辐射能量 温度非接触测量，不破坏原来温度场 测量运动物体的温度 806.6 辐射法测温法6.6.1 幅射测温的基本原理辐射式感温元件工作在可见光和红外光区域可见光的光谱很窄 0.3 红外光谱相对较广 0.72 l000m 感温元件使用波长 0.3 40m816.6 辐射法测温法绝对黑体如果某一个物体在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量，则称之为绝对黑体。 基尔霍夫定律 选择吸收体：与温度有关，还与波长有关； 灰体：与温度有关，不与波长有关； 826.6 辐射法测温法辐射测温的两个物理基础普朗克(Ptanck)热辐射定

23、律斯蒂潘一玻耳兹曼(StefanBoltzmann)定律 1）普朗克(Ptanck)热辐射定律 绝对黑体的光谱辐射亮度L(,T)与其波长、热力学温度T的关系： C12c2h普朗克第一辐射常数，C13.74l 810-16Wm2 C2hc/k普朗克第二辐射常数，C21.43878610-2mK 维恩公式 836.6 辐射法测温法曲线峰值点的波长m和温度T满足维恩位移定律 黑体的光谱辐射曲线846.6 辐射法测温法2）斯蒂潘一玻耳兹曼(StefanBoltzmann)定律 绝对黑体总的辐出度或亮度与其热力学温度的四次方成正比： 实际物体的发射率低于绝对黑体，辐射亮度公式：式中:(T)实际物体的全发

24、射率通过测量物体的辐射亮度就可得到物体的温度适合所有非黑体的实际物体856.6 辐射法测温法6.6.2 光谱辐射温度计光谱辐射出射度辐射亮度物体的温度光学高温计； 光电高温计； 硅辐射温度计866.6 辐射法测温法1、光学高温计特点：结构较简单，使用方便测温范围：1000 K3500 K精度等级：级和级亮度温度：读出的不是该物体实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度876.6 辐射法测温法亮度温度 定义：在波长为、温度为T时，某物体的辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0相等，则称TL为这个物体在波长为时的亮度温度。式中：C1 ：普朗克第一辐射常数，C2 ：普朗克第二辐射常数， ：

25、物体的光谱发射率，TL ：实际物体的亮度温度(K)， T ：实际物体的真实温度(K)。 真实物体l，故TL T886.6 辐射法测温法基本工作原理：红色单色光，土 的单一波长物体光谱辐射亮度L 标准光源光谱辐射亮度比较温度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896.6 辐射法测温法灯丝隐灭式光学高温计 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。国产WGGZ型光学高温计 906.6 辐射法测温法2、光电高温计 916.6 辐射法测温法特点： 灵敏度高：光学高温计灵敏度最佳值为0.5，而光电

26、高 温计却能达到0.005 精确度高：至少比光学高温计提高一个数量级 使用波长范围不受限制：可见光与红外光范围均可应用 光电探测器的响应时间短 便于自动测量与控制 光电器件的互换性差：若要更换硅光电池和反馈灯，必须对整个仪表重新进行调整和标定926.6 辐射法测温法6.6.3 比色高温计黑体的光谱辐射曲线936.6 辐射法测温法比色温度定义：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被测辐射体的比色温度。比色高温计：测量两个光谱能量比（两波长下的亮度比） 物体温度特点：准确度通常较高； 适合在较恶劣环境下工作。 946.6 辐射法测温法温度测

27、量 绝对黑体对应于波长1与2的光谱辐射亮度之比R：1和2为比色高温计出厂时统一标定的定值956.6 辐射法测温法966.6 辐射法测温法比色温度计测量温度更接近真实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业部门。 976.6 辐射法测温法6.6.4 红外测温1、红外辐射 红外辐射俗称红外线，是一种人眼看不见的光线。红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 986.6 辐射法测温法2、红外测温原理斯蒂芬玻尔兹曼定律 式中：W - 物体单位面积所发射的辐射功率，数值上 等于物体的全波辐射出射度； - 物体表面的法向比

28、辐射率； - 斯蒂芬玻尔兹曼常数； T - 物体的绝对温度(K)。996.6 辐射法测温法红外辐射测温仪结构原理图6.6 辐射法测温法 特点：非接触测温反应速度快灵敏度高准确度较高应用范围广泛1016.6 辐射法测温法6.6 辐射法测温法6.6.5 红外成像测温仪非制冷红外热成像技术简介非制冷红外热成像技术简介夜视技术简介1非制冷型红外探测器2技术路线3实际视频4103104非制冷红外热成像技术简介夜视技术简介105非制冷红外热成像技术简介1、主动式红外 主动式采用红外探照灯照射目标，接收反射的红外辐射形成图像。106非制冷红外热成像技术简介2、微光夜视直视微光：将在夜间或低照度下摄取的微弱的

29、光学图像通过像增强器件转换为增强的光学图像。 微光电视：通过微光电视摄像管将低照度下的图像进行增强，并产生视频信号，在观察屏上显示。107非制冷红外热成像技术简介108非制冷红外热成像技术简介3、红外热成像 是一种波长转换技术，即把红外辐射能转换为可见光，利用景物自身各部分辐射的差异以获得图像的细节。制冷红外热成像技术 非制冷红外热成像技术109非制冷红外热成像技术简介非制冷型红外探测器 非制冷红外探测器又称为热探测器，是将热辐射转变为温度变化并加以检测的装置，其主要热探测机理可分为以下几种：电阻测辐射热计：利用电阻的热效应测温；热电探测器：利用热释电效应测温；铁电测辐射热计：利用铁电热辐射效

30、应（场增强热电效应）测温；温差电探测器：利用热电效应测温。110非制冷红外热成像技术简介电阻测辐射热计热电探测器铁电测辐射热计温差电探测器响应率高高高低需要偏置是否是否直流响应是否否是需要斩波器否是是否非制冷热探测器的原理以及类型的比较 111非制冷红外热成像技术简介公司名称规格Raytheon视觉系统公司640480320240BAE系统公司320240160120640480DSR技术公司320240320240以色列SCD 320240 384288公司名称规格Raytheon商用红外公司 320240FLIR系统公司320240160120320120法国ULIS 320240加拿大N

31、O160120112非制冷红外热成像技术简介技术路线 红外热成像系统主要完成红外图像信号的采集、数据转换、数字信号处理、视频合成等功能，同时为红外焦平面阵列（UFPA）提供驱动电路和温度稳定电路。113非制冷红外热成像技术简介非制冷红外热成像技术简介115非制冷红外热成像技术简介红外图像特点 红外热图像对人眼而言，分辨率低、分辨潜力差；红外图像空间相关性强、对比度低、视觉效果模糊；红外图像的清晰度低于可见光图像；红外图像存在多种多样的噪声，比如热噪声、散粒噪声、1/f噪声、光子电子涨落噪声等；红外图像的非均匀性，表现为图像的固定空间噪声、串扰、畸变等。 116非制冷红外热成像技术简介红外图像后

32、续处理方法 非均匀校正：焦平面的非均匀性常常引起红外视频图像的非均匀性，通常采用温度标定算法对其进行校正，包括一点标定算法、二点标定算法，多点标定算法，高通滤波校正算法，以及神经网络校正方法；盲元检测与补偿：盲元是指焦平面阵列中的响应过高或过低的像素，表现为红外输出图像中将出现大量的亮点或暗点，严重影响图像的性能；117非制冷红外热成像技术简介红外图像 红外视频红外与微光的比较1186.7 新型温度传感器及其测温技术6.7.1 石英晶体温度传感器及测温技术1、工作原理 固有频率 随温度而变化式中：f 固有振动频率；n 谐波次数； b 振子的厚度； 密度；C 弹性常数。1196.7 新型温度传感器及其测温技术石英振子的频率与温度的近似关系：式中：f0：在温度t0时的频率； ft ：在温度t时的频率； t0 ：基准参考温度; ，、 ： 一、二、三次幂的温度系数。1206.7 新型温度传感器及其测温技术2、石英晶体传感器结构 1-石英片