自动检测技术--温度测量(及课后答案)

1、5 温度测量,主要内容：,5.1 概述,5.1.1 温度的概念 宏观上：是物体冷热程度的表示。 微观上：是物体内部分子运动平均动能的表示。,分子平均平动动能； k 玻尔兹曼常数；,温度不具有叠加性。,热平衡的主要条件： 系统温度相等。,5.1.2 温标,温标三要素： 可实现的固定点温度； 表示固定点之间温度的内插仪器； 确定相邻固定温度点之间的内插公式；,（1）经验温标,为了保证温度测量的精确性和一致性，需定量描述温度，即建立科学的、统一的标尺，称为“温标”。,温标主要有：经验温标、热力学温标和国际实用温标,摄氏温度和华氏温度称为经验温标。经验温标的温度特性取决于所选测温物质的性质，具有一定的

2、局限性和任意性。,摄氏温标： 水银玻璃温度计； 水的冰点为0 、沸点为100； 100等份。,举例：五种温度计，测温质分别是氢气、空气、铂丝、电偶和水银，其测温的物理性质分别为气体的压强、电阻、电动势和水银的长度；基准点都是以冰的熔点和水的沸点为0度和100度。,结论:对应同一个冷热程度，各种温度计的读数是不一样的。,华氏温标：选取氯化铵和冰水混合物的温度为0，水的沸点为212，冰点为32，中间均等分为180份，每一份为1,华氏度tF与摄氏度tC的换算关系：,（2）热力学温标,温度为T1的热源给予热机Q1的热量 ； 热机传给温度为T2的冷源Q2的热量；,卡诺定理：,定义T2为水的三相（固、液、

3、气）共存温度（0.01 ） ，为273.16 K。任意点温度为：,热力学温标,注：仅与传热量有关，与工质无关。,建立在热力学基础上的经验温标。,卡诺循环：,开尔文K,仅具物理意义，因为理想可逆过程无法实现，故热力学温标也无法实现。,理想气体温标（等价于热力学温标） 理想气体状态方程（V一定时）,任意点温度：,技术上可实现，但不方便。,经验温标,热力学温标,理想气体温标,国际温标,定容式气体温度计：通过压强的变化测出温度的变化。,（3）国际温标:ITS-90,（International Temperature Scale-1990）,t90 : 摄氏温度 T90 : 热力学温度或绝对温度,IT

4、S-90定义的固定点,ITS-90定义的内插仪器, 0.655.0K间为He3和He4蒸汽温度计； 3.024.556K间为He3和He4定容气体温度计； 13.8033K961.78间为铂电阻温度计； 961.78 以上为光学或光电温度计。,为了克服气体温度计在实用上的不便，国际上建立了一种用内插公式表示的与热力学温度很接近，又使用方便的协议温标国际温标。,开尔文K,5.1.3 温度标准的传递,温度标准定期逐渐地校验比较过程称为温度标准的传递。, 基准温度计，工作基准温度计； 一等标准温度计和二等标准温度计； 工业用温度计。,5.1.4 测温方法与测温仪表的分类,按测量范围分：,按用途分：,

5、高温计、温度计,标准仪表、实用仪表,按工作原理分：,膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计,按测量方式分：,接触式与非接触式,温度计量仪按精度等级可分为3类：,常用温度计的种类及优缺点,Thomas Johann Seebeck（17801831）,5.2.1 热电效应 (Seebeck effect ),5.2 热电偶测温,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属导线连接在一起，组成闭合回路。并用酒精灯加热其中一个接触点而另一个结点保持低温。他突然发现，放在旁边的指南针发生了偏转。,为什么会产生磁场？,温度梯度导致了电势，继而在闭合回路中形成变化的电流，由此产

6、生了磁场。,回路周围产生了磁场！,这说明了什么？,用毫伏表代替指南针，来演示Seebeck的实验,注意观察两个现象： 1. 用酒精灯给其中一个结点加热时,回路中是否有电势出现？注意指针偏转的方向。 2.如果对两个结点同时加热，毫伏计的偏转角会发生怎样的变化?,A,B,用毫伏表代替指南针，来演示Seebeck的实验,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,A,B,热电效应,热电效应,将 的导体或半导体连接成 ,如果 时,则在该回路里就会 ，这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。,两种不同,闭合回路,两接点的温度不同,产生热电势,塞贝克效应(Seebeck effect)的反效应,塞

7、贝克效应：,结论：两端温度不同时产生热电势,条件：两个不同的金属丝，闭合回路,塞贝克效应的反效应,条件：两个不同的金属丝，闭合回路,结论：回路中接入电源。,课外思考:,1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现,帕尔帖效应（Peltier effect）,塞贝克效应(Seebeck effect)的反效应,课外思考:,为什么会产生热电势呢？,（重点+难点）,温度差,热电偶,热电势,（热电效应）,热电偶的测温原理,定义：接触电势是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种电势。,A,B,eAB(t),T,k：波尔兹曼常数； t: 接

8、触点的温度； e：单位电荷电量； NAT、NBT：温度为t时,导体A、B的自由电子密度,公式：,由上式可知：接触电势取决于两种导体的性质和接触点的温度，与导体的形状及尺寸无关。,_,+,（1）接触电势,A,定义：温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电势。,t,t0,eA(t,t0),tt0,为导体的汤姆逊系数，表示温差为1时所产生的电动势数值。,由上式可知：温差电势只与导体的材料性质和两端的温度有关，与导体的长度、截面大小及温度场分布无关。,（2）温差电势,定义：热电偶回路中总的热电势是接触电势与温差电势之和。,下标A表示正电极，B表示负电极。由于温差电势比接触电势小很多，常常把它

9、忽略不计，因而热电偶的热电势可表示为：,（3）热电偶回路的总热电势,本节小结: 1.热电效应 (Seebeck effect ) 2.热电偶的测温原理,练习题： 热电偶中热电势的大小与 和 有关，而与热电极尺寸、形状及 分布无关。,5.2.2 热电偶基本定律 （1）均质导体定律,一种均质导体组成闭合回路：,不产生热电势。,回路中总的热电势：,（2）中间导体定律,图3-58 热电偶测温系统连接图,因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，是否会对热电偶回路产生影响呢？ 答：不会产生影响的。,如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、

10、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:,当tt0时，有,于是可得,同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。 根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。,（3）标准电极定律,T,T0,T,T0,T,T0,A,B,A,B,C,C,4）连接导体定律与中间温度定律,连接导体定律：在热电偶回路中，若导体A和B分别与导线A和B相接，接点温度分别为T、Tn、T0，如图所示，则回路总电势等于热电偶电势 与

11、连接导线电势 之和。,意义：工业上运用补偿导线进行测量的理论基础。,4）连接导体定律与中间温度定律,中间温度定律：当A与A、B与B材料分别相同时，则有,意义：只要得到参考端温度T0=0时的热电势，则通过测量中间温度的热电势 ，将两者直接求和，即可反映出测量端温度。这为热电势分度奠定了理论基础。,重要性质： 1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零； 2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零； 3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶

12、在相同的温度下产生的热电势是不同的。, 两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系； 能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）； 具有较高的导电率和较低电阻温度系数； 材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。,5.2.3 常用热电偶的材料、特点和结构,工业上对热电极材料的要求,表5.3 工业用热电偶,（1）贵金属热电偶：铂铑30-铂铑6(B偶)，铂铑13-铂（R偶），铂铑10-铂（S偶），测温范围宽，性能稳定，精度高，热电势小，热电特

13、性非线性大，价格贵。 （2）廉价金属热电偶：镍铬-镍硅（K偶），镍铬-铜镍（E偶），灵敏度高，热电势大，热电特性线性度好，价格低，测温范围较窄。 （3）难熔金属热电偶：钨铼合金构成，用于高温测量。,热电偶的结构,普通型热电偶,图5.10 热电偶的结构,热电极 绝缘管 保护套管 接线盒,热电偶工作端（热端）,接线盒,固定螺纹（出厂时用塑料包裹）,不锈钢保护套管,常用绝缘子材料,常用保护套管, 铠装热电偶,铠装型热电偶是由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。,优点,铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构

14、较复杂的装置上，应用十分广泛。,绝缘材料,金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等。保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，外径0.2512mm不等，在使用中可以随测量需要任意弯曲。,铠装热电偶,测温迅速，可以任意弯曲，适用场合更广。, 表面型热电偶,专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。,优点,反应速度极快、热惯性极小。, 快速热电偶,测量高温熔融物体一种专用热电偶。,主要由测温偶头与大纸管构成。偶头主要有正负偶丝焊接在补偿导线上，补偿导线穿嵌在支架上，支架外套有小纸管，偶丝以石英支撑和保护。最外装有防渣帽，全部零组件集中装入泥头

15、中并以耐火填充剂粘合成一整体，而不可拆卸，故为一次性使用。,结构 ：,使用方法：,、根据测量的对象和范围，选择适当保护纸管长度及适用的测温枪。 、把快速热电偶装在测温枪上，并使二次仪表指针（或数显器）回零，这时说明接触良好，可以进行测量。 、快速热电偶插入钢水深度以为宜，测量时不要测到炉壁或渣子上，做到：快、稳、准，当二次仪表得到结果时，应立即提枪，快速热电偶在钢水中浸渍时间不得超过秒，否则易烧毁测温枪。 、测温枪从炉内提出后，取下使用过的热电偶，并装上新的，停顿几分钟，准备下次测量。不得连测连拆，否则造成温差波动。, 热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势 才是温度T的单值函数。

16、 热电偶分度表中，热电势-温度的对应值以0为基础。,5.2.4热电偶的参比端（冷端）温度补偿,补 偿 方 法,（1）冰点法； （2）热电势修正； （3）冷端补偿器法； （4）补偿导线法； （5）采用集成电路。,（1）冰点法,T0= 0 ,精度最高；溯源性好，用于热电偶校准。,（2）热电势修正法,中间温度定律,得,方法：测T0 查表 测 计算 查表求T。,用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。,注意,举例1：S热偶参比端温度为30 ，测量的热电势为6.526 mV，试问此时真实的温度应为多少？,解：,举例2：用

17、镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t1）66982V，而自由端的温度t130，求被测的实际温度。,解：由分度表可以查得,则,可以查得68783V对应的温度为900。,（3）冷端补偿器法,当T0=0 时，R4=1，四臂电阻相等，电桥平衡，桥路输出电压Uba=0。指示仪表总的热电势为：,R4（铜丝） R1=R2=R3=1(锰铜丝) Rg（限流）,在设计的冷端温度（例如t00）下，满足R1=R4，R3 R2，这时电桥平衡，无电压输出，即Uba=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势,（3）冷端补偿器法,当 T0 R4 a点电位，同时 由于T0 ,当冷端温度由t0变化到t0时

18、，不妨设t0 t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中R4随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uba (t0 )，此时回路中输出的热电势为:,经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即,（4）补偿导线法,在0100C范围内，热电特性与所取代的热电偶丝基本一致；电阻率低；价格必须比热电偶丝便宜。,根据连接导体定律，回路电势： 材料：热电性质与热电偶相近（0100C）：,热电势修正法（中间温度定律）,在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。,常用热电偶的补偿导线,35,（5）补偿热电偶法,图3-63 补偿热电偶连接线路,在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费

19、用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。,设置补偿热电偶CD的目的是为了使多只热电偶的冷端保持恒定。,热电偶测温特点：, 构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围宽； 常用测温范围：-50+1600；特殊材料，测温范围可扩为:-1802800；常用于测量300以上的温度； 应用极为广泛；可用于测温空间微小的场合； 热电势小； 需冷端补偿。,5.2.5 热电偶测温回路,（1）热电偶测量线路,A。热电偶反接：测两点温差,B。热电偶并联：测平均温度,C。热电偶串联：测低温或温度变化很小的场合,电子电位差计 是用来测量直流电压信号的，凡是能转换成毫伏级直流电压信号的工艺变量都能用它来测量。根据

20、自动平衡原理工作，测量精度高，工作可靠。,1.手动电位差计,工作原理,根据平衡法将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。,图4-1 电压平衡原理图,图中R为线性度很高的锰铜线绕制的电阻，它由稳压电源供电，以保证电流I是恒定的。G为检流计，是灵敏度很高的电流计，Et为被测的未知热电势。,（2）热电势测量仪表,当UCBEt时，检流计中就有电流通过，指针就向一方偏转；,当UCB100 时，易被氧化； 测温范围：-50+150 。 常用铜电阻分度号：Cu100和Cu50,工业上常用的热电阻有铜电阻和铂电阻。其外观结构主要有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻

21、三种型式。,5.3.3 热电阻的结构类型 （1）普通型热电阻,平板型,圆柱型,螺旋型,铂电阻体支架,铜电阻体支架,标准铂电阻体支架,普通型热电阻,主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。,铠装热电阻,响应速度快，可弯曲，使用方便,薄膜热电阻,热容量小，导热系数大，能快速测量表面温度,将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。,将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。,5.3.4 半导体热敏电阻 材料：用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物混合制成,测温特点,5.3.4 半导体热敏电阻,半导体热敏电阻的形状：,半导体热敏电阻实物照片,MF74超大功率型NTC热敏电阻器

22、,应用范围：适用于大功率的转换电源、开关电源、UPS电源及各类大功率照明灯具、电加热器的浪涌电流抑制。,MF52珠状测温型NTC热敏电阻器,广泛应用于空调设备、暖气设备、电子体温计、液位传感、汽车、电子台历、手机电池。,半导体热敏电阻实物照片,CMF贴片式NTC热敏电阻器,应用于：半导体集成电路、液晶显示、晶体管及移动通讯设备用石英振荡器的温度补偿、可充电电池的温度探测、计算机微处理器的温度探测、需温度补偿的各种电路。,MF55系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器,应用范围：电脑、打印机、家用电器等。, 电阻温度系数大，灵敏度高，约为 (3 6) 10 2 (1 / ) 电阻率大，利于小型化，连接导

23、线影响可以忽略； 结构简单、体积小，可以用于测量点温度； 热惯性小，适用于表面温度及快速变化温度。,半导体热敏电阻的特点,测温范围：-100300,优点：,不足：,热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。进一步发展依赖于半导体技术的发展和制造工艺水平的提高。,热电阻测温整体评价,测温范围：常用 -200 500 特殊范围： 测量低温端可达平衡氢的三相点13.8K； 铟电阻温度计3.4K；碳电阻温度计1K； ITS-90国际温标规定在3.8033K961.78间用铂电阻温度计作为内插仪器。,特点： 精度高； 在低温段下测温灵敏度高； 输出信号便于远传、测量或自动控制。,5.3.5 热电阻测温

24、电桥（重点+难点）,测量原理,当桥路平衡时，滑动触点B的位置就反映出了温度的变化。,结论,（1）两线制接法, 只适用于测量精度较低的场合,特点：1.接入一个桥臂；2.引线与连接导线的电阻Rl随环境温度的变化全部加入到热电阻的变化之中；3.简单，仍有应用，为了误差不致过大，要求引出线的电阻值随温度的变化：铜：=0.2(R0)；铂: = 0.1(R0) 。,（2） 三线制接法,特点：消除引线电阻的影响,在测温下限电桥平衡时，有,终,始,是工业控制中最常用的引线接法,（3）四线制接法,U,主要用于高精度的温度检测, 一种比较完善的方法,1.请大家根据授课内容总结热电阻和热电偶的相同点与不同点。 2.

25、用热电阻测温时，如果采用二线制接法，当引线电阻因环境温度升高而增加时，其指示值将偏高？偏低？还是不变？ 3.工业用热电阻测温时，为什么不用四线制测量电路？,课外练习及思考：,本节内容小结：,热电阻是基于（ ）效应进行温度测量的。 工业上常用热电阻的测量线路是（ ）线制接法。 热电阻的外观结构有（ ），（ ），（ ）。,热电阻的测温原理 热电阻的测量电路 热电阻的外观结构,5.4 接触式测温技术与误差分析,接触式测温存在误差：,1. 温度计不仅与被测对象还与周围环境进行热交换。 2. 温度计的热容和热阻不可能为零。,减小温度计导热误差的方法：,增加插入长度，减小柱体直径； 选用导热系数小的材料做

26、热电极、套管或屏罩； 对温度计外露部分进行保温； 将温度计管道弯头或迎着气流斜向插入管道，使感温头部置于气流中心线气流速度大、湍流度大的位置，以加强对流换热；,垂直管道安装,安装形式,倾斜管道安装,弯曲管道安装,法兰安装,辐射测温是利用物体辐射能与其温度有关的原理进行测温，测温元件与被测物不直接接触，以辐射方式进行热交换，不会干扰或破坏被测温度场。,5.5 辐射式测温法,优点：测温上限不受限制，动态特性好，灵敏度高，可用于测量运动状态对象的温度。,1. 有一个热辐射源（即被测对象）； 2. 有辐射能传输的通道，如大气、光导纤维或真空； 3. 有接收和处理辐射信号的仪表（系统）。,测量条件：,测

27、量800以上高温和可见光范围的辐射式仪表有单色辐射高温计、全辐射高温计和比色高温计；测量低温与红外线范围辐射信号的有红外测温仪、红外热像仪。,红外测温仪,便携式比色计,辐射是电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，例如高频振荡电路产生的无线电波，此外还有可见光、红外线、紫外线、X射线、及射线等各种电磁波。热辐射是由于热的原因而产生的电磁辐射。 热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。辐射是物体的固有特性，只要物体的温度高于零度（0k），物体总是不断的把热能转变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把

28、吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其辐射换热量为零，但其表面上的热辐射仍在不停的进行。,热辐射的本质：,5.5.1 辐射测温的物理基础,(1) 热辐射,热辐射（thermal radiation），物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。,热辐射计,热辐射计是一种演示仪器，其中由四枚轻质叶片构成的叶轮可绕竖直轴转动，叶片的一面涂黑，另一面是光亮面。当用灯光照

29、射时，小叶轮就绕竖轴旋转，可用来演示绝对黑体在单位时间、单位面积上所吸收（或发出）的热量比其它任何表面为多。这是因为四个叶片的涂黑面吸收了红外线热辐射，使叶片黑的一面附近的空气变热，加剧了气体分子的热运动，碰撞叶片，使叶片两面受力不平衡（亮的一面受到的冲量小），从而使叶片向亮面方向运动，于是叶轮就旋转起来。,热量直接由物体向外射出的传热方式叫做热辐射。辐射与热传导和对流不同，它不需要传热物质，以比光波波长长的短电磁波的形式从热源向四面八方辐射。太阳的热就是完全靠热辐射方式传到地球上来的，因为在太阳和地球之间有一个很宽的真空地带，不能产生传导和对流。,热辐射的特点：,1、任何物体，只要温度高于0

30、K ，就会不停地向周围空间发出热辐射； 2、可以在真空中传播； 3、伴随能量形式的转变； 4、具有强烈的方向性； 5、辐射能与温度和波长均有关； 6、发射辐射取决于温度的4次方。,不同温度的物体其热辐射的电磁波波段不同。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。, 辐射通量(辐射功率)：单位时间内，通过某一面积的辐射能量，称为经过该面积的辐射通量。即,(2) 热辐射源、辐射物理量,式中,dQ在时间dt发出的辐射能量； 辐射通量（辐射功率），J/s或W。, 辐射出射度：是辐射表面上每单位面积所发出的辐射功率（W/cm2），即,光谱辐射出射

31、度（物理：单色辐射出射度）：在波长附近，单位波长间隔内的辐射出射度M （W/cm2.m）, 辐射亮度：辐射源在单位投影辐射面积、单位立体角范围的辐射功率称为辐射亮度L(W/cm2.sr)，即,光谱辐射亮度：辐射源在波长属于附近的单位波长间隔的辐射亮度L(W/cm2.sr.m),C比例常数, 吸收率、反射率和透射率：,令：,则,当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生吸收、反射和穿透现象。,式中：各能量的百分数分别称为该物体对投入辐射的吸收率、反射率和透射率，记为、。,1）对固体或液体表面，投射到其上的辐射能在一个极短的距离内就被吸收完了，即透射率=0。于是，对于固体和液体，吸收率

32、和反射率之和为1，即+=1,辐射能投射到物体表面后的反射现象和可见光一样，有镜面反射和漫反射的区分。这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。（例如高度磨光的金属板）。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射，这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射。,镜反射,漫反射,辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，反射率=0 ，从而吸收率和透射率之和为1，即+=1,由上所述，对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的

33、内部。因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。,2）特殊情况,吸收率=1的物体叫做绝对黑体。 反射率=1的物体叫做绝对白体。 透射率=1的物体叫做绝对透明体。 显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。,黑体模型 黑体的吸收比=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越1。若小孔面积/孔腔面积小于0.6，内壁吸收率为0.6时，

34、小孔的吸收比可大于0.996。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。,黑体模型,在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。, 比辐射率（黑度、辐射率）：物体温度在T时，所有波长范围内的辐射出射度M与同温度下黑体的辐射出射度Mb之比，称为该辐射体比辐射率。,光谱比辐射率（单色黑度、单色辐射率）：物体在某温度时的单色辐射出射度M与同温度、同波长的黑体的单色出射度Mb之比，即,（3）黑体的辐射特性,C1 普朗克第一辐射常数，C1 = 3.7413 10

35、 4 W m 4 / cm 2 C2 普朗克第二辐射常数, C2 = 1.4388 10 4 m K,在3000K以下，黑体的单色辐射出射度与温度、波长的关系，维恩公式：,普朗可定律 普朗可定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑体单色辐射力与波长和温度的依变关系。普朗可根据量子理论得到,按普朗可定律描绘出的不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化情况。由图可知，单色辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。,最大单色辐射力所对应的波长m亦随温度不同而变化。随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。最大单色辐射力所对应的波长m与温度T之间存在着如下的关系：,此式称为

36、维恩位移定律。可以通过普朗可定律对波长求导等于零而导出。,斯蒂芬玻尔兹曼定律（黑体全辐射定律）：黑体辐射出射度与温度的关系，即单色辐射出射度在热辐射全部波长范围内的积分，即,5.5.2 光学辐射式高温计 当物体温度高于700是会明显地发出可见光。黑体的光谱辐射亮度Lb与温度Ts的关系：,被测物的光谱辐射亮度L与温度T的关系：,如果在波长相等时，亮度相等，即 Lb = L,则,Ts:被测物亮度温度； T:被测物实际温度。,用摄氏温度表示,5.5.2 光学辐射式高温计,隐丝式光学高温计,将被测对象单色辐射亮度与可调电流的温度灯的亮度进行比较。当两者亮度相同时，灯丝的轮廓就隐灭于被测物体影像中，此时

37、，测量电表6所示的电流值就是被测物体亮度温度的读数。,隐丝式光学高温计在所有辐射式温度计中精度最高，用来作为国家基准仪器。,5.5.3 全辐射高温计,黑体全辐射出射度,被测物体全辐射出射度,如果,则：,Tp:被测物辐射温度。 T: 被测物实际温度； ：黑度,通过测量黑体的全辐射出射度Mb知被测温度T的,辐射高温计将被测物体一定面积上和一定立体角内的辐射能量收集到接受器中，接受器的温升将稳定于一定数值。因温升值事先已用黑体温度进行分度，由接受器的温升可直接读出相对应黑体的温度Tp。对于待测的非黑体温度求法如下,接受器通常用热电堆组成，热端收集辐射能，冷端为室温。测量时通过目镜瞄准待测的物体，使物

38、体的像正好落在接受器的“+”形铂片上。电表指示出接受器的温升，通常的分度标示为黑体辐射温度值Tp。 这种高温计的主要缺点是：因物镜聚焦时有色差, 只能使一部分辐射能聚焦到接受器上而引起误差。因此，不宜进行精确测量。,5.5.4 比色高温计,光学高温计和全辐射高温计应用广泛，但其共同缺点是受实际物体黑度和介质吸收辐射能的影响。比色高温计较好地解决了这个问题。 比色高温计利用同一被测物体的两个辐射波长下的单色辐射亮度之比随温度变化的特性的原理测温。,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Tc。,绝对黑体，对应于波长1与

39、2的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示：,根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体的真实温度T和其比色温度Tc的关系：,实际物体在1时的单色黑度,实际物体在2时的单色黑度,通常1和2为比色高温计出厂时统一标定的定值，由制造厂家选定。,注意：实际物体的单色黑度要随波长而变化。,光电检测器交替接受经由调制盘来的波长的单色辐射，向比值运算器输入信号，经比较运算后输出至显示仪表。,与辐射温度计相比，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。,5.6 红外测温仪与红外热像仪,用于中低温的非接触测温,5.6.1 红外测温仪,(1)光学接收器：接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器，常用的是物镜。,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。,（3）红外探测器：是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能，热能等其他形式的能量。根据能量转换方式：可分为热探测器和光子探测器