第三章 熱輻射的基本規(guī)律

第三章

熱輻射的基本規(guī)律

1編輯課件教學(xué)目的：在紅外物理（技術(shù)）及其應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐和工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到各種形式的輻射源發(fā)出輻射的問(wèn)題和測(cè)量問(wèn)題，解決這些問(wèn)題依據(jù)的就是本章所學(xué)習(xí)的幾個(gè)基本定律。本章要學(xué)習(xí)的基本規(guī)律有基爾霍夫定律、普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩-玻耳茲曼定律的基本概念、定義及計(jì)算。學(xué)時(shí)分配：8重點(diǎn)、難點(diǎn)：普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩-玻耳茲曼定律的基本概念及計(jì)算。

2編輯課件引言熱輻射——紅外輻射

概念：物體以自身溫度而向外發(fā)射能量稱熱輻射，亦稱溫度輻射。在光學(xué)范疇內(nèi)，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的輻射一般稱為發(fā)光，在紅外部分通常稱為輻射。紅外輻射的發(fā)射和接收是都熱交換。紅外技術(shù)的應(yīng)用都是基于熱交換的。

3編輯課件發(fā)光分三種光致發(fā)光（泵浦）

電致發(fā)光

化學(xué)發(fā)光（鬼火）

放電

激發(fā)輝光放電弧光放電4編輯課件普雷夫定則：在單位時(shí)間內(nèi)，如果兩個(gè)物體吸收的能量不同，則它們發(fā)射的能量也不同。即在單位時(shí)間內(nèi)，一個(gè)物體發(fā)出的能量等于它吸收的能量。普雷夫定則小實(shí)驗(yàn)

5編輯課件§3-1基爾霍夫定律發(fā)射本領(lǐng)：即物體的輻射出射度M，通常寫(xiě)成MλT，因?yàn)镸=f（λ、T）

吸收本領(lǐng)：即物體的吸收比α，α也與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，故寫(xiě)成αλT。二者之間關(guān)系（稱為基爾霍夫定律）6編輯課件如果有三個(gè)物體，則

即所有的物體，它們的發(fā)射本領(lǐng)與發(fā)射本領(lǐng)之比都是相同的一個(gè)常數(shù)（在相同溫度、相同波長(zhǎng)條件下）。

式中MbλT——黑體的輻射出射度。

αbλT——黑體的吸收比，αbλT=1

（黑體的定義）7編輯課件基爾霍夫定律的描述：

在給定溫度下，對(duì)某一波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，物體的吸收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)的比值與物體本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)于一切物體都是恒量。即MλT/αλT對(duì)所有物體都是一個(gè)普適函數(shù)（即黑體的發(fā)射本領(lǐng)），而MλT和αλT兩者中的每一個(gè)都隨著物體而不同。“發(fā)射大的物體必吸收大”，或“善于發(fā)射的物體必善于接收”，反之亦然。8編輯課件關(guān)于基爾霍夫定律的說(shuō)明：

1．基爾霍夫定律是平衡輻射定律，與物質(zhì)本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)，（當(dāng)然對(duì)黑體也適用）；2．吸收和輻射的多少應(yīng)在同一溫度下比較，（溫度不同時(shí)就沒(méi)有意義了）；3．任何強(qiáng)烈的吸收必發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，無(wú)論吸收是由物體表面性質(zhì)決定的，還是由系統(tǒng)的構(gòu)造決定的；4．基爾霍夫定律所描述的輻射與波長(zhǎng)有關(guān)，不與人眼的視覺(jué)特性和光度量有關(guān)；5．基爾霍夫定律只適用于溫度輻射，對(duì)其它發(fā)光不成立。9編輯課件§3-2黑體及其輻射定律黑體是一個(gè)抽象的概念，可以從幾個(gè)方面認(rèn)識(shí)：

1、（理論上講）ɑ=1的物體。全吸收，沒(méi)有反射和透射。2、（結(jié)構(gòu)上講）封閉的等溫空腔內(nèi)的輻射是黑體輻射。3、（從應(yīng)用角度）如果把等溫封閉空腔開(kāi)一個(gè)小孔，則從小孔發(fā)出的輻射能夠逼真地模擬黑體輻射。這種裝置稱為黑體爐。10編輯課件黑體的應(yīng)用價(jià)值（實(shí)用意義）：

1.標(biāo)定各類輻射探測(cè)器的響應(yīng)度；2.標(biāo)定其他輻射源的輻射強(qiáng)度；3.測(cè)定紅外光學(xué)系統(tǒng)的透射比；4.研究各種物質(zhì)表面的熱輻射特性；5.研究大氣或其他物質(zhì)對(duì)輻射的吸收或透射特性。主要做光源（輻射源）11編輯課件普朗克公式：

Mbλ——黑體的光譜輻射出射度c——真空光速c1——第一輻射常數(shù)

c1=2πhc2=3.7418×10-16W·m2

c2——第二輻射常數(shù)

c2=hc/k=0.014388m·Kh——普朗克常數(shù)

6.626176×10-34J·sk——波爾茲曼常數(shù)

1.38×10-23J/K12編輯課件13編輯課件曲線的說(shuō)明（黑體的輻射特性）：

Mbλ隨波長(zhǎng)連續(xù)變化。對(duì)應(yīng)某一個(gè)溫度就有固定的一條曲線。（一旦溫度確定，則Mbλ在某波長(zhǎng)處有唯一的固定值）溫度越高，M

bλ越大。（全輻射出射度Mb是曲線下面積）隨著溫度T的升高，Mbλ的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。（T再高就可見(jiàn)了）黑體的輻射特性只與其溫度有關(guān)，與其它參數(shù)無(wú)關(guān)。黑體輻射亮度與觀察角度無(wú)關(guān)。14編輯課件普朗克公式在以下兩種極限條件下的情況：

（1）當(dāng)c2/（λT）＞＞1時(shí)，即hc/λ＞＞KBT，此時(shí)對(duì)應(yīng)短波或低溫情形，普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于1，故可以把分母中的1忽略，這時(shí)普朗克公式變?yōu)?/p>

這就是維恩公式，它僅適用于黑體輻射的短波部分15編輯課件（2）當(dāng)c2/（λT）＜＜1時(shí)，即hc/λ＜＜KBT，此時(shí)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波或高溫情形，可將普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)展成級(jí)數(shù)，并取前兩項(xiàng)

這時(shí)普朗克公式變?yōu)?/p>

這就是瑞利—普金公式，它僅適用于黑體輻射的長(zhǎng)波部分。

16編輯課件瑞利－金斯公式和經(jīng)典輻射模型的困難

兩種近似式在不同λT值時(shí)的計(jì)算誤差17編輯課件維恩位移定律

令x=c2/λT

X何值時(shí)M最大，應(yīng)

18編輯課件若上式為零須解此方程x=4.9651142即：c2/λT=4.9651142λT=2898(μm·K)此乃維恩位移定律，其中的λ即某溫度T時(shí)黑體輻射出射度Mbλ的峰值波長(zhǎng)λm，通常寫(xiě)為=019編輯課件

維恩（wien）最大發(fā)射本領(lǐng)定律：

描述黑體光譜輻射出射度的峰值與溫度關(guān)系的公式。將維恩位移定律代入普朗克公式

其中B=1.2867×10-11W·m-2·μm-1·K-5

（另書(shū)1.2866732×10-5W·m-3·K-5）20編輯課件

意義：

1、只先知一個(gè)溫度T，便知最大M所在處的波長(zhǎng)及M值。

2、M數(shù)值隨溫度升高很快。（Mbλm峰值升高，曲線下面積增大，M也大）21編輯課件四、斯特番—波爾茲曼定律

描述黑體全輻射出射度與溫度關(guān)系的公式。

令x=c2/λT則λ=c2/xTdλ=-(c2/x2T)dx(積分限λ:0～∞,則x:∞～0)

22編輯課件

因?yàn)樗?3編輯課件接上式

令

則

此公式為斯特番—波爾茲曼定律其中σ=5.67032×10-8W·m-2·K-4

24編輯課件§3-3黑體輻射的計(jì)算f(λT)表

稱為相對(duì)光譜輻射出射度函數(shù)表，是某溫度下、某波長(zhǎng)上的輻射出射度Mλ和該溫度下峰值波長(zhǎng)處的輻射出射度Mλm之比。即

根據(jù)普朗克公式25編輯課件根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律

所以

知道一個(gè)λT值，就對(duì)應(yīng)一個(gè)f(λT)值，即知道一個(gè)溫度T，則在某波長(zhǎng)處的輻射出射度Mλ為

這樣即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式計(jì)算了。

26編輯課件由斯特番-波爾茲曼定律

則

可得到從0到某波長(zhǎng)λ的輻射出射度

M0～λ=F（λT）σT4則某一波段（λ1～λ2）之間的輻射出射度為

Mλ1-λ2=M0-λ2-M0-λ1

=[F（λ2T）-F（λ1T）]σT427編輯課件28編輯課件f（λT）和F（λ1T）函數(shù)的規(guī)劃值，（即歸一化，以最大值的地方為1，其它地方相對(duì)減?。?/p>

29編輯課件計(jì)算舉例例１.已知黑體溫度T=1000K，求：其峰值波長(zhǎng)、光譜輻射度峰值、在λ=4μm處的光譜輻射出射度、某一波段的輻射出射度。1.峰值波長(zhǎng)根據(jù)維恩位移定律2.光譜輻射度峰值根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律

30編輯課件3.在λ=4μm處的光譜輻射出射度

4.在λ=3～5μm波段內(nèi)的輻射出射度

31編輯課件例2

已知人體的溫度T=310K（假定人體的皮膚是黑體），求其輻射特性1.其峰值波長(zhǎng)為

2.全輻射出射度為32編輯課件3.處于紫外區(qū)，波長(zhǎng)（0～0.4μm）的輻射出射度為

4、處于可見(jiàn)光區(qū)，波長(zhǎng)（0.4～0.75μm）的波長(zhǎng)輻射出射度為

5、處于紅外區(qū)，波長(zhǎng)（0.75～∞）的輻射出射度為

33編輯課件例3

如太陽(yáng)的溫度T=6000K并認(rèn)為是黑體，求其輻射特性1.其峰值波長(zhǎng)為

2、全輻射出射度為

3、紫外區(qū)的輻射出射度為

34編輯課件4、可見(jiàn)光區(qū)的輻射出射度為

5、紅外區(qū)的輻射出射度為

35編輯課件3.5發(fā)射率和實(shí)際物體的輻射1．半球發(fā)射率

輻射體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比稱為半球發(fā)射率，分為全量和光譜量?jī)煞N。半球全發(fā)射率定義為

式中，M（T）是實(shí)際物體在溫度T時(shí)的全輻射出射度，Mb(T)是黑體在相同溫度下的全輻射出射度。36編輯課件

半球光譜發(fā)射率定義為

式中，Mλ(T)是實(shí)際物體在溫度T時(shí)的光譜輻射出射度，Mλb(T)是黑體在相同溫度下的光譜輻射出射度。由以上式子可以得到任意物體在溫度T時(shí)的半球光譜發(fā)射率為

37編輯課件

可見(jiàn)，任何物體的半球光譜發(fā)射率與該物體在同溫度下的光譜吸收率相等。同理可得出物體的半球全發(fā)射率與該物體在同溫度下的全吸收率相等，即

以上兩個(gè)式子是基爾霍夫定律又一表示形式，即物體吸收輻射的本領(lǐng)大，其發(fā)射輻射的本領(lǐng)也越大。38編輯課件2.方向發(fā)射率

方向發(fā)射率，也叫做角比輻射率或定向發(fā)射本領(lǐng)。它是在與輻射表面法線成θ角的小立體角內(nèi)測(cè)量的發(fā)射率。θ角為零的特殊情況叫做法向發(fā)射率εn。εn也分為全量和光譜量?jī)煞N。方向全發(fā)射率定義為

39編輯課件式中，L和Lb分別是實(shí)際物體和黑體在相同溫度下的輻射亮度。因?yàn)長(zhǎng)一般與方向有關(guān)，所以ε(θ)也與方向有關(guān)。方向光譜發(fā)射率定義為

40編輯課件

物體發(fā)射率的一般變化規(guī)律如下：

（1）對(duì)于朗伯輻射體，三種發(fā)射率εn，ε(θ)和εh彼此相等。對(duì)于電絕緣體，εh/εn在0.95～1.05之間，其平均值為0.98，對(duì)這種材料，在θ角不超過(guò)65°或70°時(shí)，ε(θ)與εn仍然相等。對(duì)于導(dǎo)電體，εh/εn在1.05～1.33之間，對(duì)大多數(shù)磨光金屬，其平均值為1.20，即半球發(fā)射率比法向發(fā)射率約大20%，當(dāng)θ角超過(guò)45°時(shí)，ε(θ)與εn差別明顯。41編輯課件（2）金屬的發(fā)射率是較低的，但它隨溫度的升高而增高，并且當(dāng)表面形成氧化層時(shí)，可以成10倍或更大倍數(shù)地增高。（3）非金屬的發(fā)射率要高些，一般大于0.8，并隨溫度的增加而降低。（4）金屬及其他非透明材料的輻射，發(fā)生在表面幾微米內(nèi)，因此發(fā)射率是表面狀態(tài)的函數(shù)，而與尺寸無(wú)關(guān)。據(jù)此，涂敷或刷漆的表面發(fā)射率是涂層本身的特性，而不是基層表面的特性。對(duì)于同一種材料，由于樣品表面條件的不同，因此測(cè)得的發(fā)射率值會(huì)有差別。42編輯課件

(5)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化而變化，如圖3-4所示。在紅外區(qū)域，大多數(shù)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的增加而降低。例如，白漆和涂料TiO2等在可見(jiàn)光區(qū)有較低的發(fā)射率，但當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)3μm時(shí)，幾乎相當(dāng)于黑體。用它們覆蓋的物體在太陽(yáng)光下溫度相對(duì)較低，這是因?yàn)樗粌H反射了部分太陽(yáng)光，而且?guī)缀跸窈隗w一樣的重新輻射所吸收的能量。鋁板在直接太陽(yáng)光照射下，相對(duì)溫度較高，這是由于它在10μm附近有相當(dāng)?shù)偷陌l(fā)射率，因此不能有效地輻射所吸收的能量。

43編輯課件

各種材料的光譜發(fā)射率

44編輯課件3.6輻射對(duì)比度和輻射測(cè)溫3.6.1輻射對(duì)比度

輻射對(duì)比度定義為目標(biāo)和背景輻射出射度之差與背景輻射出射度之比，即

式中，為目標(biāo)在λ1～λ2波

間隔的輻射出射度，為背在λ1～λ2波長(zhǎng)間隔的輻射出射度。45編輯課件

能否通過(guò)選擇合適的系統(tǒng)光譜通帶來(lái)獲得最大的輻射對(duì)比度。計(jì)算波長(zhǎng)從0～∞全波帶的對(duì)比度

然后可算出

C3.5～

5μm=0.413，C8～14μm=0.159可以看出，三種情況的對(duì)比度都較差，且寬帶的對(duì)比度比窄帶的更差。

46編輯課件

在表征熱成像系統(tǒng)的性能時(shí)，常把光譜輻射出射度與溫度的微分叫做熱導(dǎo)數(shù)。因?yàn)樵诘那闆r下，普朗克公式的熱導(dǎo)數(shù)為

所以，輻射出射度與溫度的微分關(guān)系為

47編輯課件

因?yàn)閷?duì)比度對(duì)溫度的變化率與相對(duì)應(yīng)，所以為求得對(duì)比度，只要求得即可．

采用推導(dǎo)維恩位移定律的方法求得光譜輻射出射度變化率的峰值波長(zhǎng)λc與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為

48編輯課件

關(guān)系曲線49編輯課件

由于輻射的峰值波長(zhǎng)λm滿足λmT=2898（μm·K），因此最大對(duì)比度的波長(zhǎng)λc與輻射峰值波長(zhǎng)λm的關(guān)系滿足

300K是通常地面背景的溫度。其λc近似為8μm，所以，在不考慮其他因素的情況下，熱像儀觀察地面目標(biāo)時(shí)，采用8～14μm波段最為理想。

50編輯課件3.6.2輻射測(cè)溫

1.輻射溫度

設(shè)有一物體的真實(shí)溫度為T(mén)，發(fā)射率為ε(T)，輻射出射度為M(T)。當(dāng)該物體的輻射出射度與某一溫度的黑體輻射出射度相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫做該物體的輻射溫度Tτ。由

51編輯課件

即

得對(duì)于物體溫度與周?chē)h(huán)境物體溫度相近的場(chǎng)合，考慮物體的反射環(huán)境輻射帶來(lái)的影響是很有必要的，否則求得的真實(shí)溫度T將是不正確的。52編輯課件

2.亮溫度

設(shè)有一個(gè)物體的真實(shí)溫度為T(mén)，光譜發(fā)射率為ελ(T)，光譜輻射亮度為L(zhǎng)λ(T)。當(dāng)該物體的光譜輻射亮度與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫該物體的亮溫度Tl。這時(shí)有

53編輯課件

而

通常物體的亮溫度用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是0.66μm。用維恩近似簡(jiǎn)化處理，得

54編輯課件3.色溫度

設(shè)有一個(gè)物體的真實(shí)溫度為T(mén)，在波長(zhǎng)λ1和λ2處的光譜發(fā)射率分別為ελ1(T)和ελ2(T)，光譜輻射亮度分別Lλ1(T)和Lλ2(T)。當(dāng)該物體在這兩個(gè)波長(zhǎng)處的光譜輻射亮度與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫做該物體的色溫度Ts（簡(jiǎn)稱色溫）。一般所選波長(zhǎng)為λ1=0.47μm、λ2=0.66μm，分別用維恩近似表示，由定義有

55編輯課件

將上面兩式化簡(jiǎn)并取對(duì)數(shù)解出T，得

56編輯課件

比色測(cè)溫儀是通過(guò)測(cè)量物體兩個(gè)（或三個(gè)）波段上的輻射亮度的比值來(lái)確定其溫度的。亮溫測(cè)溫儀相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是：（1）亮溫測(cè)溫儀和全光譜測(cè)溫儀（輻射溫度測(cè)溫儀）往往在被測(cè)物體的ε(T)已知的情況下才能使用，而比色測(cè)溫儀則不然，只要物體的發(fā)射率隨波長(zhǎng)λ的變化相對(duì)緩慢（一般物體多是這樣），就可以用色溫度來(lái)測(cè)得接近物體表面的真實(shí)溫度。特別是對(duì)于灰體，色溫Ts就準(zhǔn)確地反映了物體的真實(shí)溫度T。57編輯課件（2）由于亮度測(cè)溫儀是通過(guò)測(cè)量物體的輻射來(lái)測(cè)溫的，因此在測(cè)量時(shí)，輻射功率的部分損失（例如光學(xué)系統(tǒng)效率、被測(cè)物體與儀器之間介質(zhì)吸收率的變化等）以及電子線路中放大倍數(shù)的變化等，都直接影響亮溫度和輻射溫度的測(cè)量。而上述因素對(duì)比色測(cè)溫儀的色溫測(cè)量則沒(méi)有影響或影響很弱。這是因?yàn)楸壬珳y(cè)溫儀的溫度測(cè)量是取決于輻射功率之比的緣故。58編輯課件溫度檢測(cè)技術(shù)1溫度與標(biāo)定2測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn)3熱膨脹式測(cè)溫方法4熱阻式測(cè)溫方法5熱電式測(cè)溫方法6輻射法測(cè)溫7新型溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)59編輯課件前言溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)；從熱平衡的觀點(diǎn)看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志；溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)。60編輯課件1溫標(biāo)與標(biāo)定1．1溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)絕對(duì)氣體溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)和國(guó)際溫標(biāo)1.2標(biāo)定61編輯課件溫標(biāo)為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強(qiáng)度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)這些量來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行間接測(cè)量。溫標(biāo)的發(fā)展過(guò)程：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)理想熱力學(xué)溫標(biāo)和絕對(duì)氣體溫標(biāo)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)

62編輯課件經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)華氏溫標(biāo)

1714年德國(guó)人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)。按照華氏溫標(biāo)，則水的冰點(diǎn)為32℉，沸點(diǎn)為212℉63編輯課件經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)

1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T

℉=t℃+32(1)

式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。64編輯課件熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)是由開(kāi)爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnotcycle)為基礎(chǔ)。熱力學(xué)溫標(biāo)是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度——絕對(duì)零度與水的三相點(diǎn)溫度分為273．16份，每份為1K(Kelvin)。65編輯課件絕對(duì)氣體溫標(biāo)從理想氣體狀態(tài)方程入手，來(lái)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對(duì)氣體溫標(biāo)。由波義耳定律：

PV=RT(6-2)

式中 P——一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)；

V——該氣體的體積；

R——普適常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度。當(dāng)氣體的體積為恒定(定容)時(shí)，其壓強(qiáng)就是溫度的單值函數(shù)。這樣就有：

T2/T1=P2/P166編輯課件國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)指導(dǎo)思想：盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便；第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，后經(jīng)多次修訂，形成了普遍采用的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)IPTS一68

；1989年7月第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)建立了新的國(guó)際溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱ITS一90。67編輯課件ITS一90基本內(nèi)容為：

重申國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)單位仍為K；

國(guó)際攝氏溫度和國(guó)際實(shí)用溫度關(guān)系為：把整個(gè)溫標(biāo)分成4個(gè)溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下：

①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽溫度計(jì)； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計(jì)； ③13.803K—961.78℃，用鉑電阻溫度計(jì)； ④961.78℃以上，用光學(xué)或光電高溫計(jì)；新確認(rèn)和規(guī)定17個(gè)固定點(diǎn)溫度值以及借助依據(jù)這些固定點(diǎn)和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力學(xué)溫標(biāo)。68編輯課件69編輯課件2測(cè)溫方法分類及其特點(diǎn)根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測(cè)量非接觸式溫度測(cè)量70編輯課件接觸式溫度測(cè)量測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠及測(cè)溫儀表價(jià)格相對(duì)較低；由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測(cè)介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會(huì)增加測(cè)溫誤差；被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點(diǎn)。71編輯課件非接觸式溫度測(cè)量感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過(guò)接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度;非接觸式測(cè)溫具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn)。72編輯課件接觸式與非接觸式測(cè)溫特點(diǎn)比較方式接觸式非接觸式測(cè)量條件

感溫元件要與被測(cè)對(duì)象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對(duì)象的溫度；被測(cè)溫度不超過(guò)感溫元件能承受的上限溫度;被測(cè)對(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率；被測(cè)對(duì)象的輻射能充分照射到檢測(cè)元件上

測(cè)量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，對(duì)高于l300℃以上的溫度測(cè)量較困難原理上測(cè)量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測(cè)量誤差大，能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體和熱容小的物體溫度精度

工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí)通常為1.0、1.5、2.5級(jí)

響應(yīng)速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘快，通常為2～3秒鐘其它特點(diǎn)

整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測(cè)物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測(cè)物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測(cè)溫、控溫一體化的溫度控制裝置73編輯課件各類溫度檢測(cè)方法構(gòu)成的測(cè)溫儀表的大體測(cè)溫范圍74編輯課件3熱膨脹式測(cè)溫方法3.1.玻璃溫度計(jì)3.2壓力溫度計(jì)3.3雙金屬溫度計(jì)75編輯課件玻璃溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)簡(jiǎn)稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計(jì)最常用的液體，其凝固點(diǎn)為-38.9℃、測(cè)溫上限為538℃。玻璃溫度計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，價(jià)格低廉，測(cè)溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場(chǎng)直接讀數(shù)，一般無(wú)需能源，易破損，測(cè)溫值難自動(dòng)遠(yuǎn)傳記錄。76編輯課件玻璃溫度計(jì)的分類：全浸式：測(cè)溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。局浸式：讀數(shù)容易，但測(cè)量誤差較大，即使采取修正措施其誤差比全浸式仍要大好幾倍或更多。V形工業(yè)玻璃溫度計(jì)77編輯課件壓力溫度計(jì)壓力溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)其測(cè)溫功能的。壓力溫度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)示意圖78編輯課件這類壓力溫度計(jì)其毛細(xì)管細(xì)而長(zhǎng)(規(guī)格為1—60m)它的作用主要是傳遞壓力，長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，則使溫度計(jì)響應(yīng)愈慢，在長(zhǎng)度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈高。壓力溫度計(jì)和玻璃溫度計(jì)相比，具有強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準(zhǔn)確度較低、耐腐蝕性較差等特點(diǎn)。電接點(diǎn)壓力式溫度計(jì)

79編輯課件雙金屬溫度計(jì)固體長(zhǎng)度隨溫度變化的情況可用下式表示：基于固體受熱膨脹原理，測(cè)量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對(duì)很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件當(dāng)溫度變化時(shí)，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對(duì)很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形。下圖是雙金屬溫度計(jì)原理圖：80編輯課件雙金屬溫度計(jì)原理圖81編輯課件雙金屬溫度計(jì)的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測(cè)溫范圍大致為-80℃—600℃，精度等級(jí)通常為1.5級(jí)左右。雙金屬溫度計(jì)抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的工業(yè)用儀表。雙金屬溫度計(jì)82編輯課件4熱阻式測(cè)溫方法4.1鉑電阻測(cè)溫4.2銅電阻和熱敏電阻測(cè)溫83編輯課件基于熱電阻原理測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量、可以遠(yuǎn)傳、無(wú)需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)、有（會(huì)影響測(cè)量精度）自熱現(xiàn)象以及測(cè)量溫度不能太高。84編輯課件鉑電阻測(cè)溫概述鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，但測(cè)溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。

當(dāng) ℃時(shí) 當(dāng) ℃時(shí)

85編輯課件銅電阻和熱敏電阻測(cè)溫銅電阻

銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價(jià)格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號(hào)分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40℃～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：當(dāng) ℃時(shí)86編輯課件銅電阻87編輯課件半導(dǎo)體熱敏電阻

熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；②很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無(wú)需考慮連線電阻的影響；③體積?。虎軣釕T性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合；⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)。88編輯課件熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：①阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重； ②元件的一致性差，互換性差； ③元件易老化，穩(wěn)定性較差； ④除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時(shí)必須注意。89編輯課件熱敏電阻圖示：90編輯課件5熱電式測(cè)溫方法5.1熱電偶測(cè)溫5.2集成溫度傳感器AD59091編輯課件熱電偶測(cè)溫原理熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克（Seeback）首先發(fā)現(xiàn)提出，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖所示）。92編輯課件熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種電勢(shì)組成：溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。熱電偶接觸電勢(shì)是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點(diǎn)接觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差。93編輯課件熱電偶兩熱電極分別叫A（為正極）和B（為負(fù)極），兩端溫度分別為 ，且 ；則熱電偶回路總電勢(shì)為：

94編輯課件工業(yè)用熱電偶測(cè)溫范圍95編輯課件集成溫度傳感器AD590利用晶體管P-N結(jié)其正向壓降隨溫度升高而降低的特性，可把晶體管P-N結(jié)作為-50℃～150℃范圍的感溫元件用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)AD公司于70年代末率先推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。半導(dǎo)體AD59096編輯課件6輻射法測(cè)溫6.1輻射測(cè)溫的基本原理6.2光譜輻射溫度計(jì)6.3比色高溫計(jì)6.4紅外測(cè)溫6.5紅外成像測(cè)溫儀97編輯課件任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周?chē)椛淠芰俊＿@種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對(duì)被測(cè)物體熱輻射能量進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而確定被測(cè)物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計(jì)。輻射式溫度計(jì)的感溫元件不需和被測(cè)物體或被測(cè)介質(zhì)直接接觸。98編輯課件輻射測(cè)溫的基本原理輻射式溫度計(jì)的感溫元件通常工作在屬于可見(jiàn)光和紅外光的波長(zhǎng)區(qū)域。輻射式溫度計(jì)的感溫元件使用的波長(zhǎng)范圍為0.3—40μm。相關(guān)概念：絕對(duì)黑體：在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量選擇吸收體：對(duì)輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長(zhǎng)有關(guān)灰體：吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)99編輯課件輻射測(cè)溫的物理基礎(chǔ)是普朗克(Ptanck)熱輻射定律和斯蒂潘一玻耳茲曼(Stefan—Boltzmann)定律。絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長(zhǎng)λ、熱力學(xué)溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定：

100編輯課件不同溫度下的輻射出射度曲線，其曲線峰值點(diǎn)的波長(zhǎng)λm和溫度T均滿足維恩位移定律。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系滿足斯蒂藩一玻耳茲曼定律：101編輯課件光譜輻射溫度計(jì)依據(jù)物體光譜輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)系，可以測(cè)出物體的溫度。目前國(guó)內(nèi)外使用的光譜輻射溫度計(jì)都是根據(jù)被測(cè)物體的光譜輻射亮度來(lái)確定物體的溫度。102編輯課件比色高溫計(jì)比色溫度定義為：絕對(duì)黑體輻射的兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的亮度比等于被測(cè)輻射體在相應(yīng)波長(zhǎng)下的亮度比時(shí)，絕對(duì)黑體的溫度就稱為這個(gè)被測(cè)輻射