計量方法與誤差理論ch34溫度和光學(xué)計量

1、第三章 各種物理量的測試計量第1節(jié) 時間頻率計量測試第2節(jié) 電磁學(xué)計量測試第3節(jié) 電子計量測試第4節(jié) 溫度計量測試第5節(jié) 光學(xué)計量測試第6節(jié) 其他計量測試 （幾何、力學(xué)、聲學(xué)、電離輻射、物質(zhì)的量）3.4 溫度計量測試一、溫度的概念 溫度是表征熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量，一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。 熱力學(xué)第零定律（溫度存在定律）：兩個熱力學(xué)系統(tǒng)分別與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于平衡態(tài)，則兩個熱力學(xué)系統(tǒng)彼此必定處于熱平衡。 熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度定義的基礎(chǔ)（宏觀的特性）和溫度的測量方法（熱平衡）。二、溫標(biāo) 溫標(biāo)（即溫度的“標(biāo)尺”、“標(biāo)準(zhǔn)”）是溫度量值的表示法。 首先用純物質(zhì)的三

2、相點、沸點、凝固點和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點等作為溫度計量的固定點(基準(zhǔn)點)，并賦予一個確定的溫度；然后選擇隨溫度呈線性或一定函數(shù)關(guān)系的物理參量作為溫度指示的標(biāo)志。 溫標(biāo)三要素：固定點、測溫物質(zhì)、內(nèi)插公式華氏溫標(biāo): 水的冰點為32，水的沸點212，中間180等分(德國，華林海特，1714年)列氏溫標(biāo): 水的冰點為0R，水的沸點為80R，中間80等分（法國，列奧謬爾，1730年）攝氏溫標(biāo): 水的冰點為0，水的沸點為100，中間100等分（瑞典，攝爾薩斯，1742年）經(jīng)驗溫標(biāo)國際溫標(biāo)（ITS-90） ITS-90就是熱力學(xué)溫標(biāo)。 Tk=273.15 + tcTF =1.8tc + 32TR =0.8tcTk:熱

3、力學(xué)溫度Tc:攝氏溫度TR:列氏溫度熱力學(xué)溫標(biāo): 英國開爾文提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)。與特定的物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，以水的三相點為基準(zhǔn)(273.16K)，具有穩(wěn)定性、唯一性、復(fù)現(xiàn)性和客觀性。 熱力學(xué)溫標(biāo)以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)：一個工作于恒溫?zé)嵩磁c恒溫冷源之間的可逆熱機，假設(shè)從溫度為T2的熱源獲得的熱量為Q2，放給溫度為T1的冷源的熱量為Q1，則Q1/Q2=T1/T2。（絕對溫度，單位K） 選用水的三相點作為基本固定點，得到熱力學(xué)溫標(biāo):理論溫標(biāo)熱學(xué)計量器具： 熱電偶、熱電阻、溫度計、高溫計、輻射感溫器、體溫計、溫度計檢定裝置、電子電位差計、電子平衡電橋、高溫毫伏計、比率計、溫度指示調(diào)節(jié)儀、溫度變送器、溫度自

4、動控制儀、溫度巡回檢測儀、測溫電橋、熱量計、比熱裝置、熱物性測定裝置、熱流計、熱象儀。三、常用溫度計與溫度計量方法 玻璃液體溫度計儲液泡、毛細(xì)管、刻度標(biāo)尺測溫介質(zhì)：水銀或其合金、酒精等-30-300壓力式溫度計密閉溫度測量系統(tǒng) + 指示儀表氣體壓力式（氮氣）、液體壓力式（甲醇、水銀等）、蒸汽壓力式（苯、丙酮等低沸點液體）。-100-600電阻溫度計（熱電阻測溫） 取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484 。 溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻

5、率變大，電阻值增加(正溫度系數(shù))。熱電阻溫度計的組成：熱電阻（電阻體、絕緣管和保護套管）連接導(dǎo)線顯示儀表測溫原理金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體: 電阻值R = f (溫度t) 電阻溫度系數(shù)（） 溫度變化1時，導(dǎo)體電阻值的相對變化量，單位為1/。 靈敏度。金屬導(dǎo)體: tRt ，為正值（正溫度系數(shù)）； 而半導(dǎo)體: tRt ，為負(fù)值（負(fù)溫度系數(shù)）。金屬純度。有些合金材料，如錳銅 0。分類（根據(jù)材料類型）：金屬電阻（正溫度系數(shù)）鉑電阻（ 13.8K1234.94K ） 、銠鐵電阻（低溫0.1K273K）、鉑鈷電阻 （4K292K，低溫段比鉑、銠鐵穩(wěn)定、準(zhǔn)確， ） 鉑電阻 半導(dǎo)體電阻（正、負(fù)溫度系數(shù)）廣泛用于低溫計量

6、鍺電阻：0.01 K100 K熱敏電阻：-50-300， （在-2000范圍內(nèi)）（在0850范圍內(nèi)）金屬電阻薄膜型鉑熱電阻防爆型鉑熱電阻鉑電阻溫度顯示、變送器汽車用水溫傳感器及水溫表銅熱電阻計量標(biāo)準(zhǔn)工作計量器具工作計量器具11半導(dǎo)體電阻溫度計熱敏熱電阻溫度特性 負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻（阻值隨溫度升高而顯著減少） 采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造；正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻。采用NiO2等化合物制造；臨界溫度(CTR)熱敏電阻 當(dāng)溫度超過某一數(shù)值后，電阻會急劇增加或減少。 材料常數(shù)絕對溫度常數(shù) MF12型 NTC熱敏電阻玻璃封裝NTC熱敏電阻大功率PT

7、C熱敏電阻熱敏電阻 熱敏電阻體溫計 電熱水器 熱電阻測溫電路 電橋設(shè)計在儀表內(nèi)，而熱電阻Rt安裝在被測對象中，距儀表有一定的距離。 由于Rt溫度T，故移動RD的電阻值不斷平衡，可通過RD電阻刻度或溫度刻度讀取溫度變化。二線制連接法（惠斯登電橋）工業(yè)上在測低溫時通常采用熱電阻溫度計，其測溫范圍為200500。用熱電偶測量500以下溫度時，熱電勢小，測量精度低；因此在高溫段，一般采用熱電偶測溫方式。熱電偶溫度計ABAB 1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指針的偏轉(zhuǎn)角

8、反而減小。 賽貝克實驗 將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路，如果兩端接點的溫度不同，回路中將產(chǎn)生電勢，稱為熱電勢。這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。 冷端（自由端）（參考端） 熱端（工作端）（測量端）熱電流熱電極A/B塞貝克效應(yīng)原理圖 熱電偶的熱電勢（賽貝克電勢）k波爾茲曼常數(shù)e電子電荷nA、nB金屬A、B的電子密度 指生產(chǎn)工藝成熟、成批生產(chǎn)、性能優(yōu)越并已列入國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。特點：發(fā)展早、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，可以互換，并有與其配套的顯示儀表可供使用，十分方便。 國際電工委員會(IEC)在1975年推薦7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，在1986年又推薦了一種。我國目前共采

9、用八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：（1）鉑銠10-鉑（S） 01600,長溫最高1300，短溫最高1600 ；（2）鉑銠30-鉑銠6 （B）長溫1600，短溫1800；（3）鉑銠13-鉑 （R）0-1500 ；（4）鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁) （K） 2001300 ；（5）銅-銅鎳(康銅) （T） 300以下；（6）鎳鉻-康銅（E） 200900 ；（7）鐵-康銅 （J）-2001200 ；（8）鎳鉻-金鐵熱偶以及銅-金鐵熱偶。輻射溫度計 通過被測物體在全波長或某一波段的輻射能量確定溫度。 非接觸法測溫：不破壞被側(cè)物體的熱平衡，對感溫元件結(jié)構(gòu)要求不高，可計量熱容量小的物體，可計量高溫

10、，對動態(tài)溫度響應(yīng)較好，但精度低。1、任何物體溫度高于絕對零度（-273.15C）時，都將有熱輻射，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。2、輻射能以波動形式表現(xiàn)出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。3、溫度測量中主要是可見光和紅外光，因為此類能量被接收以后，多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。波長能量任何波段都有能量的分布，而呈不間斷的連續(xù)分布波長強度在某些特殊的波段有能量分布的輻射現(xiàn)象產(chǎn)生，而呈有間斷性的輻射譜線分布。一個低壓的氣體位于一高溫連續(xù)光源前，某些特殊的波段有能量被吸收的現(xiàn)象產(chǎn)生， 而呈有間斷性的吸收譜線分布。 波長能量人眼可

11、觀測到的光譜類型亮度法：檢測某一特定波長下的光譜輻射能量800- 4000光學(xué)高溫計、光電高溫計、紅外高溫計燈絲隱滅式光學(xué)溫度計光電亮度溫度計：用光敏元件代替人眼，實現(xiàn)自動測量 。根據(jù)普朗克定律：發(fā)射率：在同一溫度下一表面發(fā)射的輻射量與一黑體發(fā)射的輻射量的比例 亮度溫度定義：當(dāng)物體在輻射波長為 ，溫度為T時，其光譜輻射亮度 和全輻射體在輻射波長為 ，溫度為 時的光譜輻射亮度 相等，則把 稱為這個物體在波長為 時的亮度溫度。物體和全輻射體的亮度公式，分別為：亮度溫度c比例常數(shù) 假如兩者的亮度相等，就得到 物體溫度 亮度溫度 23 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測溫范圍廣（7003200），一般可滿足

12、工業(yè)測溫的準(zhǔn)確度要求。 缺點：人眼觀察，并需用手動平衡，因此不能實現(xiàn)快速 測量和自動記錄，且測量結(jié)果帶有主觀性。 將物體輻射的單色亮度和儀表內(nèi)部的高溫?zé)襞轃艚z亮度比較。利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏?，?dāng)燈絲的亮度溫度與被測物體的亮度溫度一致時，燈泡的亮度就代表了被測物體的亮度溫度。（亮度一樣時）燈絲隱滅式光學(xué)溫度計比色法： 被測對象的兩個不同波長的光譜輻射能量交替或同時地投影到檢出元件上，根據(jù)它們的比值與被測對象之間的溫度關(guān)系實現(xiàn)測溫。顏色溫度計：通過兩個光譜能量比的方法測量溫度，也稱為比色溫度計。 比色高溫計是根據(jù)維恩偏移定律工作的溫度計。由維恩偏移定律可知，當(dāng)溫度變化時物體的輻射出射

13、度向波長增加或減小的方向移動，使在波長 下的光譜輻射亮度比發(fā)生變化，測量光譜輻射亮度比的變化即可測得相應(yīng)的溫度。對于全輻射體，由維恩公式可得：上式中的 是預(yù)先規(guī)定的值，只要知道在此二波長下的亮度比，就可求得被測全輻射體的溫度 當(dāng)溫度T的實際物體在兩個波長下的光譜輻射亮度比值，與溫度為 的全輻射體的上述兩波長下的光譜輻射比值相等時，把稱為實際物體的比色溫度。根據(jù)上述定義，應(yīng)用維恩公式，可導(dǎo)出下列公式： 式中： 分別為實際物體在 時的光譜發(fā)射率。已知 ，就可由上式求得T。 優(yōu)點：準(zhǔn)確度高（精度為0.5），反應(yīng)速度快，測量范圍寬（量程為8002000）光路系統(tǒng)測量電路圖全輻射法： 全波長范圍的輻射能

14、量，受周圍環(huán)境影響大，準(zhǔn)確度不如前兩種（前兩種準(zhǔn)確度高，但只能吸收部分波段能量）。 基本原理：黑體全輻射定律。實際物體吸收能力小于絕對黑體，全輻射法測溫低于實際溫度。 被測物與儀表之間的距離要滿足距離系數(shù)要求：L/D（傳感器前端面到被測對象表面的距離與被測對象的有效直徑之比） 進行正確瞄準(zhǔn)，使目標(biāo)的像充滿接收器，不能偏離，否則也會產(chǎn)生誤差。應(yīng)該注意：儀表是以絕對黑體輻射功率與溫度的關(guān)系分度的，而實際使用時，被測物體并不是黑體，這樣測出的溫度自然要低于被測物體的實際溫度。這個溫度被稱為 “輻射溫度”。T和Tp分別為物體的真實溫度和輻射計指示溫度；T為溫度T時物體全輻射的發(fā)射率。因為非黑體T1，則

15、TP3000，太陽爐溫度計超低溫：氧的露點（90.188K）以下，磁性溫度計（常磁性物質(zhì)磁化率在低溫時隨溫度變化很大）。常用計量方法接觸法、非接觸法輻射測溫技術(shù)近30年取得的主要成果有：在測溫范圍方面，最高可達500萬攝氏度，如地下核爆炸火球溫度，最低可達-170攝氏度；靈敏度方面已達到0.0001K，工業(yè)儀表可達0.1K；反應(yīng)時間方面最快可達微秒級；最小可測目標(biāo)直徑為 0.5mm。3.5 光學(xué)計量光是一種電磁波，波長介于微波與X射線之間。 1nm 紫外線380nm可見光 780nm紅外線 1mm光學(xué)計量：各光學(xué)分支中有關(guān)計量知識的領(lǐng)域。 -輻射度計量 -光度計量 -激光計量 -色度計量 -光

16、材料的光參數(shù)計量 -成像系統(tǒng)及光學(xué)元件的質(zhì)量評價等。與輻射相關(guān)的量： 輻射能量輻射功率（輻射通量） 輻射度計量 兩種量值與人眼相關(guān)的量： 光能量光功率（光通量） 光度計量 3.5.1 光度計量一、光度量及單位1、光通量(luminous flux) 單位時間內(nèi)發(fā)出的，并按國際約定的平均人眼視覺特性評價的光輻射通量，單位流明（lm）?；颍汗庠窗l(fā)射并被人的眼睛接收的能量之總和即為光通量（）。是一個屬于把輻射通量與人眼的視覺特性聯(lián)系起來評價的主觀物理量 流明：光強度為1坎德拉（cd）的均勻點光源，在1球面度（sr）立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。 由于人眼對不同波長的光敏感性不同，所以不同波長光的輻射功率相等

17、時，其光通量并不相等。 如，當(dāng)波長為55510-9米的綠光與波長為65010-9米的紅光輻射功率相等時，前者的光通量為后者的10倍。為了測光的統(tǒng)一和準(zhǔn)確，根據(jù)對許多正常人眼的研究，求出了各種波長的平均相對光靈敏度。1942年，國際照明委員會（CIE）規(guī)定了國際統(tǒng)一的平均人眼“光譜光效率”或“視見函數(shù)” 。一立體角頂點位于球心，它在球面上所截取的面積等于以球半徑r為邊長的正方形面積，那么這個立體角就是1球面度。2、光強度 光通量的空間密度，即點光源在給定方向上單位立體角發(fā)射的光通量。3、光照度 光通量的面密度，即被照射物體表面單位面積上的光通量 勒克斯 （lx）：1 lm的光通量均勻分布在1 m

18、2表面所產(chǎn)生的光照度。單位：尼特（nt） 4、光亮度 光亮度是表示發(fā)光面明亮程度的。光源表面的某一點面元在一給定方向上的發(fā)光強度與該面元在垂直于該方向的平面上的正射投影面積之比。四種度量值示意圖二、光度計量器具1.光探測器主觀光探測器（人眼，對弱光敏感度高）、客觀探測器光電探測器外光電效應(yīng)：光子能量電子逸出光電流（光電管、光電倍增器）光伏效應(yīng)：P-N結(jié)吸收光子能量電子空穴對光電流（光敏二極管、三極管）光電導(dǎo)效應(yīng)： P-N結(jié)吸收光子能量釋放更多載流子電導(dǎo)率下降（光電池）與波長、光通量有關(guān)熱電探測器 熱電效應(yīng)：光能溫度升高電阻或電容（測輻射熱計）表面電荷（熱釋電探測器）電動勢（熱電偶、熱電堆） 只

19、與輻射通量有關(guān)，與波長無關(guān)，無選擇性探測器光化學(xué)效應(yīng)探測器 如照相底片 光輻射基本測量設(shè)備2 光度導(dǎo)軌(非單獨設(shè)備) 精確軸向距離刻度和標(biāo)尺的導(dǎo)軌，數(shù)個帶距離精細(xì)刻度的滑動架或滑車 用平方反比定律（即點源對微面元的照度與點源的發(fā)光強度成正比，與距離平方成反比）連續(xù)、精確改變某平面處的光照度改變光源到光度計的距離，使進入光度計兩側(cè)的光在視場內(nèi)平衡時，兩半視場的中心界線消失，則二者具有相同的光照度。陸末-布洛洪（Lummer-Brodhun）目視光度計 光輻射基本測量設(shè)備3 積分球(非單獨設(shè)備) 和光度導(dǎo)軌一樣，積分球并非一個單獨的測量設(shè)備，常常和光源、探測器裝在一起，作為理想漫射光源和勻光器，廣

20、泛用于光輻射測量中結(jié)構(gòu)及原理：鋁或塑料做成的內(nèi)部空心球，內(nèi)壁涂抹漫射材料，球上開多個孔（入射光孔或安裝光源）。球內(nèi)任一面元發(fā)出的輻射通量，經(jīng)過多次漫射，能使球內(nèi)各點有相同的直射輻照度。優(yōu)點：經(jīng)積分球多次漫射，可使光能不均勻的測量光束均勻化，消除由探測器接收表面響應(yīng)的不均勻產(chǎn)生的測量誤差。光輻射基本測量設(shè)備4 單色儀 將寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，用作可調(diào)波長的單色光源或分光器。 利用色散元件（棱鏡、光柵等）對不同的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間展開，并由入射狹逢和出射狹逢的配合，得到所要求的單色光譜。棱鏡單色儀光柵單色儀光輻射基本測量設(shè)備5 分光光度計作用：測量

21、材料光譜反射比或透射比組成：（美國GE公司）雙單色儀、偏光系統(tǒng)、積分球、探測器偏光系統(tǒng)將光束分成兩路偏振方向相互垂直的偏振光測反射比：一束光照射處放標(biāo)準(zhǔn)反射塊,另一束光照射處放樣品,改變夾角使探測器輸出相等測透射比：反射塊的位置放相同的中性漫反射塊,標(biāo)準(zhǔn)透射樣品、待測樣品,改變夾角使探測器輸出相等光強度計量 比較法在光度導(dǎo)軌上測量等光照度法（主觀法） 使標(biāo)準(zhǔn)燈、待測燈在接收器表面產(chǎn)生的光照度E相等，然后用距離平方反比定律進行計算 等距離法（客觀法） 使標(biāo)準(zhǔn)燈、待測燈和比較燈到光電接收器表面的距離都相等，且位于同一側(cè)。參考燈用來監(jiān)視被測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過光電流計算 三、光度計量方法光照度計量照度

22、計光輻射探測器 + 指示/顯示裝置光輻射探測器放在待測平面，產(chǎn)生光電流通過光強度和光亮度值計算 符合朗伯光源(各個方向上的亮度均相等)的光照度的一般計算公式光亮度計量 亮度計 用一個光學(xué)系統(tǒng)把待測光源表面成像在放置光輻射探測器的平面上目視法 以亮度比較作為基礎(chǔ)。使被測亮度與比較亮度各自照亮光度計的一半視場，調(diào)節(jié)減光盤開口，直到兩半視場亮度相等光通量的計量 積分球法：替代、比較計量 通過比較方式，在積分球內(nèi)輪流點燃標(biāo)準(zhǔn)燈和被測燈，由光電池接收器分別測出對應(yīng)窗口的光照度。 分布光度計法： 基本原理： 光強度I、光照度E和光通量的定義 多數(shù)光源的光分布軸向?qū)ΨQ分布光度計的結(jié)構(gòu)： 光電池接收器可沿圓弧

23、滑動 圓弧可以軸向轉(zhuǎn)動 測量全方位的光照度（測量照度E的分布）輻射能：輻射能是以輻射形式傳播或接收的能量。當(dāng)輻射能被其它物質(zhì)吸收時，可轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能等其它形式的能量。輻射通量：輻射功率。以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率。輻射強度：單位立體角度內(nèi)光源發(fā)射出的輻射通量。如：燈泡作為點光源，描述給定方向的輻射強度3.5.2 輻射度計量1.輻射度量及單位一、輻射度計量基礎(chǔ)知識輻射度量輻射亮度：光源在垂直其輻射傳輸方向上單位面積的立體角內(nèi)發(fā)射出的輻射通量輻射出度：光源表面單位面元的輻射通量輻射照度：被照表面單位面積上接收到的輻射通量。輻射照度：被照表面單位面積上接收到的輻射通量。 輻射出度、輻射強度、

24、輻射亮度等都是源的輻射特性的度量。從技術(shù)實踐角度需要有一個物體被照程度的物理量輻射照度輻射吸收率：物體所吸收的輻射通量與入射到該物體上的同一波長的輻射通量的比值。黑體輻射定律2.黑體輻射基本定律（光輻射計量的基本理論） 黑體：理想概念，吸收本領(lǐng)基爾霍夫定律 物體發(fā)出的輻射（輻射出度）與吸收率a的比值在同一波長和溫度下相同，而與物體材料和形狀無關(guān)。 吸收本領(lǐng)越大的物體，發(fā)射本領(lǐng)也大，不能發(fā)射某波長的輻射能，也不能吸收該波長的輻射能；反之亦然。黑體輻射定律普朗克定律黑體輻射理論的基礎(chǔ)普朗克建立了f (,T) 的具體數(shù)學(xué)表達式，即黑體輻射出度。斯忒藩-波爾茲曼定律 全波長內(nèi)普朗克公式積分。黑體總輻射出度與絕對溫度的四次方成正比維恩位移定律 絕對黑體的輻射出度有一極大值（對應(yīng)波長為），輻射本領(lǐng)最大的波長與黑體絕對溫度的乘積為一個常數(shù)c1，第一輻射常量，3.741810-12W.cm2c2，第二輻射常量，1.43810-12cm.