第3章建筑環(huán)境測試技術(shù)

1第3章

溫度測量和數(shù)據(jù)處理

23.1概述

3.2膨脹式溫度計3.3

熱電偶溫度計3.4

熱電阻測溫3.5接觸式測溫方法3.6非接觸測溫3.7集成性傳感器測溫主要內(nèi)容33.1概述一.什么是溫標(biāo)？

衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度。譬如規(guī)定什么樣的溫度是150℃，什么樣的溫度是200℃。溫標(biāo)三要素：溫度計、固定點和內(nèi)插方程（或稱為三個基本條件）。

國際普遍使用的溫標(biāo)有四種：熱力學(xué)溫標(biāo)、國際實用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)。1.攝氏溫標(biāo)：1740年瑞典人攝氏(celsius)。水銀體膨脹是線性；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點為100度，而將汞柱在這兩點間等分為100格，每等分格為攝氏1度，標(biāo)記為℃。

2.華氏溫標(biāo)：1714年德國人法倫海脫（Fajrenheit）以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃棒水銀溫度計。規(guī)定水的沸點為212度，氯化銨與冰的混合物為0度，中間等分為212份，每一份為1度記作℉。稱為華氏溫標(biāo)。3.熱力學(xué)溫標(biāo)假設(shè)一標(biāo)準(zhǔn)熱源熱力學(xué)溫度為100K，熱力學(xué)溫標(biāo)如何規(guī)定300K的溫度？拿標(biāo)準(zhǔn)熱源作為低溫?zé)嵩?，另一熱源作為高溫?zé)嵩?，讓一卡諾熱機在兩熱源之間運轉(zhuǎn)，如果從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1與向標(biāo)準(zhǔn)熱源放出的熱量Q0之比等于3，那么高溫?zé)嵩礈囟鹊扔?00K?，F(xiàn)實中熱力學(xué)溫標(biāo)是應(yīng)用氣體特性方程實現(xiàn)的。理想氣體的P、V、T之間的關(guān)系式為：（氣體定容溫度計）7

4、國際溫標(biāo)ITS-90指導(dǎo)思想:應(yīng)盡量與熱力學(xué)溫標(biāo)接近，溫度的復(fù)現(xiàn)性要好。

內(nèi)容：

①.定義了固定點，共有17個。(見附錄2)

②.規(guī)定不同區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)儀器。③.建立基準(zhǔn)儀器示值與國際溫標(biāo)之間的插補公式。國際實用溫標(biāo)指出，熱力學(xué)溫度為基本物理量，規(guī)定水的三相點溫度為273.16，單位為k，1k的大小為水的三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16，由于攝氏溫標(biāo)將冰點定義為0℃，而冰點比水的三相點低0.01k，那么冰點溫度為273.15k，即單位℃。二、溫度測量方法及測量儀表的分類1、溫度測量方法的分類玻璃管液體溫度計固體膨脹式壓力式溫度計膨脹式溫度計測溫?zé)犭娕紲y溫?zé)犭娮铚y溫接觸法非接觸法測溫方法9

1、接觸法測溫：敏感元件直接與被測對象接觸，通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，反映被測對象的溫度。

優(yōu)點：直觀、可靠。缺點：①存在負(fù)載效應(yīng)。②受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢測元件溫度與被測對象溫度不一致。③熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。（動態(tài)誤差）2、非接觸法測溫：檢測部分與被測對象不直接接觸，所以不破壞原有溫度場。通常用來測量1000℃以上的移動、旋轉(zhuǎn)、或反映迅速的高溫物體。

防爆熱電阻溫度傳感器裝配式熱電偶室外溫度傳感器

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3.2膨脹式溫度計1.基本概念

膨脹式溫度計：利用物體受熱膨脹原理制成的溫度計。主要有液體膨脹式、固體膨脹式和壓力式溫度計三種。

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一.玻璃管液體溫度計

(1).工作原理利用玻璃管內(nèi)液體的體積隨溫度的升高而膨脹的原理。組成：液體存儲器、毛細(xì)管、標(biāo)尺、安全泡四部分。液體可為：水銀、酒精、甲苯等。當(dāng)溫度超過300℃時，應(yīng)采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻璃。

液體膨脹式溫度計

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液體膨脹式溫度計：式中：—分別為工作液體在0℃及溫度為t1、t2時的體積；—分別為工作液體和玻璃的體膨脹系數(shù)。

(2).用途標(biāo)準(zhǔn)溫度計實驗室、工業(yè)用溫度計電接點式溫度計玻璃棒溫度計

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(3).誤差分析玻璃材料有較大的熱滯后效應(yīng)。溫度計插入深度不夠?qū)⒁鹫`差。玻璃管溫度計測溫誤差修正式中：—漏出液體部分的溫度修正值（℃）；

—漏出液柱部分所占的刻度數(shù)（℃）；—工作液體對玻璃的相對膨脹系數(shù)（1/℃）；—溫度計的指示值（℃）；—漏出液柱部分所處的環(huán)境溫度（℃）。某水銀溫度測量水溫為90℃，插入處刻度為10℃，環(huán)境溫度為10℃，則測量誤差為？非線性誤差工作液的遲滯性讀數(shù)誤差(4).玻璃管液體溫度計使用注意事項溫度計與被測介質(zhì)應(yīng)接觸足夠長的時間，以使溫度計與被測介質(zhì)達(dá)到熱平衡。讀數(shù)時，視線應(yīng)與標(biāo)盡垂直，并與液柱于同一水平面上，手持溫度計頂端的小耳環(huán)，不可觸摸標(biāo)尺。

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3.3.壓力式溫度計

(1).工作原理與結(jié)構(gòu)形式原理壓力式溫度計是利用密封系統(tǒng)中工作介質(zhì)的壓力隨溫度變化來測溫，通過測量工作介質(zhì)的壓力來判斷溫度值。分類按所充工作介質(zhì)相態(tài)分氣體、液體、蒸汽；按功能分：指示式、記錄式、報警式和溫度調(diào)節(jié)式等。組成：

溫包、毛細(xì)管、感壓元件（彈簧管、波紋管等）。

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(2).使用方法與特點對毛細(xì)管采取保護(hù)措施，防止損壞；注意安裝方式與位置對精度的影響。特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滯后時間長，毛細(xì)管易損壞。由于受毛細(xì)管長度的限制，一般工作距離不超過60m，被測溫度-55~550℃。

213.4.固體膨脹式溫度計(一).類型及工作原理

利用固體受熱膨脹原理制成的溫度計。1.桿式溫度計

利用固體（一般采用膨脹系數(shù)較大的金屬）材料構(gòu)成。

222.雙金屬溫度計它的感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固地結(jié)合在一起制成。

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3.3熱電偶溫度計

1.基本概念熱電溫度計以熱電偶作為測溫元件，測得與溫度相應(yīng)的熱電動勢，由儀表顯示出溫度的一種溫度計。

熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個閉和回路，如果兩端點的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定大小的電流，這個電流的大小同材料的性質(zhì)以及節(jié)點溫度有關(guān)，上述現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這個現(xiàn)象是1821年Seebeck發(fā)現(xiàn)的故又稱為塞貝克效應(yīng)。

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2.熱電偶熱電偶是一種換能器，它將熱能轉(zhuǎn)化為電能，用所產(chǎn)生的熱電動勢測量溫度。該電動勢實際上是由接觸電勢（珀爾帖電勢）與溫差電勢（湯姆遜電勢）所組成。

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接觸電勢（珀爾貼電勢）當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時，由于兩者有不同的電子密度而產(chǎn)生的電勢。珀爾帖電勢或接觸電勢：圖3.3.2接觸電動勢

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溫差電勢（湯姆遜溫差電勢）A導(dǎo)體和B導(dǎo)體所產(chǎn)生的溫差電勢：圖3.33溫差電勢

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熱電偶回路中總熱電勢

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閉合回路的總熱電勢圖3.3.4熱電偶閉合回路的總熱電勢

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結(jié)論

1）凡是兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體材料皆可制成熱電偶；2）熱電偶產(chǎn)生的熱電勢在熱電極材料一定時，僅決定測量端和參考端的溫度，而與熱電極的形狀和尺寸無關(guān)；3）熱電偶參考端的溫度必須保持恒定，最好保持0℃。

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3.熱電偶的基本定律

利用熱電偶來檢測溫度，必須引入變換器和顯示器。

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熱電偶均質(zhì)導(dǎo)體定則

由同一均質(zhì)導(dǎo)體（電子密度處處相同）組成的閉合回路中，不論導(dǎo)體的截面、長度以及溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢?！裼删|(zhì)定律知：如果熱電偶的兩電極是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關(guān)，與熱電極的中間溫度分布無關(guān)。即兩種材料相同的熱電極不能構(gòu)成熱電偶。當(dāng)熱電偶兩端的溫度相同時，也不會產(chǎn)生熱電勢?！駲z驗熱電偶絲的均勻性。

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中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要與第三種導(dǎo)體相連接的兩端溫度相同，接入第三種導(dǎo)體后，對熱電偶回路中的總熱電勢沒有影響。

圖3.3.5熱電偶回路接入第三種導(dǎo)體

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證明：

ABCDEFT1T1T1T1T2T2?思考題六種不同的導(dǎo)體組成如圖回路，寫出回路中總的熱電勢。

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●結(jié)論：1）根據(jù)這一定則，可以在熱電偶回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)線等；2）利用這一定則，可推導(dǎo)出參考電極定則，即采用同一參考電極（純鉑絲）與各種不同材料組成的熱電偶，以測其熱電特性，然后再利用這些特性組成各種配對的熱電偶—研究、測試熱電偶通用方法。

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熱電偶的中間溫度定律

熱電偶在兩接點溫度為T、T0時熱電勢等于該熱電偶在兩接點溫度分別為T、TN時TN、T0時相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和。如果T0=0℃，則上式變?yōu)椋?/p>

各種熱電偶分度表都是在冷端0℃制成的。

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結(jié)論：熱電偶分度表中冷端溫度為0℃，在實際測量中若熱電偶的冷端溫度為20℃，則可應(yīng)用中間溫度定律進(jìn)行計算。

舉例：用鉑銠10—鉑熱電偶測溫，冷端溫度為25℃，輸出電勢為0.668mV，試求被測對象的溫度。查表得被測溫度為122℃。

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4.熱電偶的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)比

根據(jù)熱電偶結(jié)構(gòu)不同，分為鎧裝式熱電偶和薄膜式熱電偶。鎧裝式熱電偶

1）熱電極：貴金屬d=0.3~0.65mm；廉金屬d=0.5~3.2mm；L=350~2000mm；2）絕緣套管：普通陶瓷（<1000℃）；高純氧化氯（<1300℃）；剛玉（<1600℃）。3）保護(hù)套管；4）接線盒

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薄膜式熱電偶

采用化學(xué)涂層或真空蒸鍍工藝將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，形成薄膜狀熱電偶，其熱端極點大約0.01~0.1μm，非常薄。它適合表面溫度的快速測量，反應(yīng)時間數(shù)ms。

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1）補償導(dǎo)線法在一定溫度范圍內(nèi)，采用與配用熱電偶的熱電勢特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線作為補償導(dǎo)線，使冷端的變化不再影響讀數(shù)。若℃，儀表對應(yīng)著熱端的實際溫度；若℃，則要進(jìn)行補償與修正。圖3.3.8補償導(dǎo)線法3.5熱電偶測溫系統(tǒng)

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如果在范圍內(nèi)，某對廉價導(dǎo)線的熱電性能與貴金屬熱電偶相同，則可以用這對導(dǎo)線代替從點到點一段的熱電偶線，而不影響熱電偶的熱電勢值，同時降低熱電偶測量成本。

42表3.3.2常用補償導(dǎo)線

補償導(dǎo)線型號配用熱電偶分度號補償導(dǎo)線合金絲絕緣層著色100℃時允差(℃)200℃時允差(℃)正極負(fù)極正極負(fù)極普通級精密級普通級精密級SCSSPC(銅)SNC(銅鎳)紅綠±5±3±5－KCKKPC(銅)KNC(銅鎳)紅藍(lán)±2.5±1.5－－KXKKPX(鎳鉻)KNX(鎳硅)紅黑±2.5±1.5±2.5±1.5EXEEPX(鎳鉻)ENX(銅鎳)紅棕±2.5±1.5±2.5±1.5JXJJPX(鐵)JNX(銅鎳)紅紫±2.5±1.5±2.5±1.5TXTTPX(銅)TNX(銅鎳)紅白±2.5±1.5±2.5±1.5

43按結(jié)構(gòu)分：普通補償導(dǎo)線，由線芯、絕緣層與保護(hù)套組成；蔽層補償導(dǎo)線，它是在普通型外再加一層金屬屏蔽網(wǎng)。按補償原理分：補償型補償導(dǎo)線（第二個字母為C），價格便宜，只能在一定溫度范圍內(nèi)與熱電偶的熱電性一致。延伸型補償導(dǎo)線（第二個字母為X），其材質(zhì)和所配用熱電偶相同，價格較高。注意：一種類型的補償導(dǎo)線只能同相應(yīng)的熱電偶配套使用，且有正負(fù)極，極性不能接反。

442）計算修正法：利用熱電偶的中間溫度定律

例：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫，冷端Tn=25℃，EAB(T,Tn)=40.347mV，求被測對象的實際溫度?！裼煞侄缺碇篍AB(25℃,0℃)=1mVEAB(T，0℃)=40.347+1.00mV＝41.347mV由分度表知，T＝1002℃

453）冷端恒溫法①.把冷端引至冰點槽內(nèi)，維持冷端始終溫度0℃：精度高，多用于實驗室；②.把冷端用補償導(dǎo)線引至電加熱的恒溫器內(nèi)，并維持一恒定溫度，適于工業(yè)應(yīng)用。

464）.補償電橋法利用電橋不平衡原理，橋臂熱電阻隨溫度變化，產(chǎn)生補償電壓V●R1=R2=R3=1Ω與溫度無關(guān)；●熱電阻20℃，RCU=1Ω，Vab=0；環(huán)境不等于20℃，電橋失去平衡，產(chǎn)生電勢Vab與E(Tn,T0)相等，疊加補償；●電橋又叫毫伏發(fā)生器；●使用時，注意零點是20℃。

47熱電偶的校準(zhǔn)和誤差

1）.熱電偶的校準(zhǔn)：為了保證熱電偶測量精度，一定要定期校準(zhǔn)或檢定?！裥?zhǔn)：按照誤差要求定出檢定點（一般比規(guī)定的檢定點更加細(xì)分），檢定之后給出檢定點的誤差值，供熱電偶測量時進(jìn)行校準(zhǔn)?！駲z定：按照規(guī)程規(guī)定的熱電偶的檢定點進(jìn)行檢定（表3.3.3,），給出合格與不合格的檢定結(jié)果。

48表3.3.3熱電偶的檢定點檢定方法有比較法和定點法。工業(yè)上應(yīng)用較多的是比較法。它是用被叫校熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同時測量同一對象的溫度，然后比較二者示值，以確定被檢熱電偶的基本誤差等質(zhì)量指標(biāo)。

熱電偶名稱檢定點(℃)鉑銠-鉑

600

800

10001200(±10℃以內(nèi))鎳鉻-鎳硅

400

600

8001000(同上)鎳鉻-考銅

300400(或500)

600

(同上)

49工業(yè)和實驗室都用管狀爐作為檢定熱電偶的基本裝置，如3.3.10所示。圖3.3.10熱電偶的檢定方法注：1.調(diào)壓變壓器；2.管式電爐；3.標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；4.被檢熱電偶；5.冰點槽；6.切換開關(guān)；7.直流電位差計；8鎳塊；9.試管。

502）熱電偶測量誤差①.熱電偶分度誤差；②.冷端溫度變化引起的誤差；③.補償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性不完全相同帶來的誤差；④.熱電極變質(zhì)產(chǎn)生的誤差；⑤.絕緣不良引起的誤差；⑥.二次儀表的基本誤差

51熱電偶變送器熱電偶不能單獨構(gòu)成測溫儀表，它只是一種測溫元件，常將熱電偶測溫元件統(tǒng)稱為熱電偶溫度傳感器，簡稱溫度傳感器。

圖3.3.11熱電偶變送器

52變送器可與溫度傳感器制成一體化結(jié)構(gòu)，體積很小，可裝在鎧裝熱電偶的接線盒內(nèi)或就近安裝。變送器的信號線一般為二線制，連接熱電偶的導(dǎo)線既是電源線又是信號線。變送器將熱電偶測溫信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號，4～20mA，DC信號。

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3.4熱電阻測溫1.基本概念

電阻溫度計：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率與溫度的特性，制成電阻溫度感溫元件，與測量電阻阻值的儀表配套組成電阻溫度計。電阻溫度計的優(yōu)點：測溫準(zhǔn)確度高、測量寬（-200℃～600℃）、信號便于傳送。電阻溫度計的缺點：不能測量太高的溫度、需外電源供電、連接導(dǎo)線的電阻易受環(huán)境溫度的影響。

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2.熱電阻測溫原理

對于一個給定電阻，其電阻值是溫度的單值函數(shù)，因而可以通過測量電阻值來推算溫度。

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3.熱電阻的特性

電阻溫度系數(shù)：在某一溫度間隔內(nèi)，溫度變化1℃時的電阻相對變化量，單位為1/℃。

式中：

—在t~t0溫度范圍內(nèi)的平均電阻溫度系數(shù)；—t℃時的電阻值；—t0℃時的電阻值。

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令t=100℃，t0=0℃，則有：

實際上一般導(dǎo)體的電阻與溫度的關(guān)系不是線性的?！窠饘賹?dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般為正值,純金屬一般為0.38～0.68%，金屬純度越高，其電阻溫度系數(shù)越大；●半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)一般為負(fù)值；●可表示相對靈敏度。

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電阻比電阻比是表征熱電阻材料的純度及某些內(nèi)在特性。的參考文檔為273.16K。值越大，電阻絲的純度越高，∴鉑電阻溫度計的鉑純度用電阻比表示。

熱電阻的電阻值與溫度關(guān)系特性表示方法

1）作圖法；2）函數(shù)表示法；3）分度表示法（電阻-溫度對照表）。

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4.常用熱電阻：鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻與半導(dǎo)體熱敏電阻

鉑熱電阻：特點：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好、性能可靠、有較高電阻率，廣泛應(yīng)用于基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化儀器中，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。使用范圍：-200～850℃，在90年國際溫標(biāo)中規(guī)定平衡氫三相點13.8k到銀凝固點961.78℃標(biāo)準(zhǔn)儀器應(yīng)用鉑電阻。

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電阻純度：W（100）=1.3850規(guī)格型號：Pt100、Pt10、Pt1000。結(jié)構(gòu)：電阻絲、絕緣管、保護(hù)套管、接線盒鉑熱電阻的特性方程：電阻值與溫度之間近似線性。1）當(dāng)溫度t為一200℃≤t≤O℃時：

2）當(dāng)溫度t為O℃≤t≤650℃時：

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銅熱電阻：

特點：線性度高、電阻溫度系數(shù)高、價格便宜、電阻率低、易氧化。使用范圍：-50～180℃。銅熱電阻的特性方程：

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鎳熱電阻：

特點：比鉑熱電阻大使用范圍：-50~150℃。鎳熱電阻的特性方程：

鉑熱電阻還可以用來制造精密的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻，而銅和鎳只作工業(yè)熱電阻。

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半導(dǎo)體熱敏電阻：

特點：隨著溫度的增高阻值降低，具有負(fù)的溫度系數(shù)，電阻值隨溫度按指數(shù)曲線變化，如圖3.4.1。測溫范圍：-40～350℃。熱敏電阻的溫度系數(shù)與溫度成反比：

熱敏電阻的特性方程：不是線性。

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與金屬熱電阻比較的特點：①電阻溫度系數(shù)大，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)約為-（3～6）%，金屬熱電阻約為0.4～0.6%。②電阻率大，可將電阻作的很大而體積很小，電阻阻值大，連接導(dǎo)線所用的電阻可忽略不計。③結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可用于測量點溫度。④熱慣性小，價格低廉，可用于惡劣環(huán)境。⑤工藝和互換性差，非線性。

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5.特殊熱電阻

鎧裝熱電偶。薄膜熱電偶：-50～600℃，適于表面狹小區(qū)域、快速測溫及需要高阻值的場合。厚膜鉑熱電偶阻：適用于表面、機械振動的場合。

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6.熱電阻測溫電路

平衡電橋測溫

1）原理：當(dāng)值變化時，橋路平衡被破壞，檢流計G偏轉(zhuǎn)，這時改變值，使電橋重新達(dá)到平衡，G指零。則有，∴∵已知的固定電阻，∴被測電阻與成正比，沿設(shè)標(biāo)尺，則觸頭位置讀出被測電阻值，在換算成被測溫度。

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2）.特點：①.熱電阻與滑線電阻相鄰，能得到線性裝換；②.基示零值法，具有較高的測量精度；③.電源一般不影響測量結(jié)果；④.采用三線接法，可把環(huán)境溫度附加溫差減少到最小。

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3）三線連接法的測溫平衡電橋當(dāng)電橋平衡時：

圖3.4.3三線連接法的測溫平衡電橋

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不平衡電橋測溫

1）原理：當(dāng)被測溫度為下限值（相應(yīng)于）時，電橋恰好處于平衡狀態(tài)，測量對角線的電流。當(dāng)（）時，電橋平衡被破壞，，且隨著和偏差的加大，值也加大，推導(dǎo)出和的關(guān)系，根據(jù)的大小即可判斷被測溫度值。圖3.4.4三線連接法的測溫不平衡電橋

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2）特點●連續(xù)自動顯示，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜；●Rt與I成非線性關(guān)系；●電源電壓的穩(wěn)定性對測量結(jié)果有影響，應(yīng)該使用穩(wěn)壓電源；●三線制可抵消引線電阻對測量的影響，應(yīng)用極廣。

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有源四線制熱電阻測溫

采用恒流源供電四線制電路，其中兩根引線為熱電阻提供恒流源I，在熱電阻上產(chǎn)生電壓降低，通過另兩根引線引至電位差計或電壓表進(jìn)行測量。特點：高精度，完全消除引線電阻的影響。

圖3.4.5有源四線制熱電阻測溫

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5.特殊熱電阻

鎧裝熱電偶。薄膜熱電偶：-50～600℃，適于表面狹小區(qū)域、快速測溫及需要高阻值的場合。厚膜鉑熱電偶阻：適用于表面、機械振動的場合。

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6.熱電阻測溫電路

平衡電橋測溫1）原理：當(dāng)值變化時，橋路平衡被破壞，檢流計G偏轉(zhuǎn)，這時改變值，使電橋重新達(dá)到平衡，G指零。則有，∴∵已知的固定電阻，∴被測電阻與成正比，沿設(shè)標(biāo)尺，則觸頭位置讀出被測電阻值，在換算成被測溫度。

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2）特點：①熱電阻與滑線電阻相鄰，能得到線性裝換；②基示零值法，具有較高的測量精度；③電源一般不影響測量結(jié)果；④采用三線接法，可把環(huán)境溫度附加溫差減少到最小。

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當(dāng)電橋平衡時：

3）三線連接法的測溫平衡電橋圖3.4.3三線連接法的測溫平衡電橋

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不平衡電橋測溫1）原理：當(dāng)被測溫度為下限值（相應(yīng)于）時，電橋恰好處于平衡狀態(tài)，測量對角線的電流。當(dāng)（）時，電橋平衡被破壞，，且隨著和偏差的加大，值也加大，推導(dǎo)出和的關(guān)系，根據(jù)的大小即可判斷被測溫度值。

圖3.4.4三線連接法的測溫不平衡電橋

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2）特點：●連續(xù)自動顯示，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜；●Rt與I成非線性關(guān)系；●電源電壓的穩(wěn)定性對測量結(jié)果有影響，應(yīng)該使用穩(wěn)壓電源；●三線制可抵消引線電阻對測量的影響，應(yīng)用極廣。

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有源四線制熱電阻測溫采用恒流源供電四線制電路，其中兩根引線為熱電阻提供恒流源I，在熱電阻上產(chǎn)生電壓降低，通過另兩根引線引至電位差計或電壓表進(jìn)行測量。特點：高精度，完全消除引線電阻的影響。

圖3.4.5有源四線制熱電阻測溫

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熱電阻變送器1）熱電阻制成各種規(guī)格的傳感器，作為測量系統(tǒng)的測溫元件。2）將熱電阻傳感器的測溫信號，通過轉(zhuǎn)換電路→標(biāo)準(zhǔn)信號：4~20mA，DC→傳輸。3）變送器由電阻-電壓轉(zhuǎn)換、線性化處理、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

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變送器可與溫度傳感器制成一體化結(jié)構(gòu)，體積很小，可裝在鎧裝熱電偶的接線盒內(nèi)或就近安裝。變送器的信號線一般為二線制，連接熱電偶的導(dǎo)線既是電源線又是信號線。

圖3.4.6熱電偶變送器接線

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7.熱電阻的校準(zhǔn)

使用前和使用之后應(yīng)定期校準(zhǔn)。比較法式中：—分別為直流電位差計測量恒電流流過熱電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降。

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缺點：所用恒溫的規(guī)格多，一般實驗室不具備。

圖3.4.7比較法熱電阻校準(zhǔn)

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兩點法該法可克服比較法的缺點。工業(yè)電阻溫度計可用兩點法校準(zhǔn)，即只校準(zhǔn)和兩個參數(shù)，只需冰點槽和水沸點槽。分別在兩個槽中測得被校標(biāo)準(zhǔn)化電阻溫度計的和，再檢查值和比值是否滿足技術(shù)數(shù)據(jù)要求。

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8.熱電阻的選擇與誤差

熱電阻的選用原則

1）測溫范圍滿足使用要求；2）測溫準(zhǔn)確度：既滿足測量要求，準(zhǔn)確度又適宜；3）成本：在滿足準(zhǔn)確度和壽命下，愈低愈好；4）滿足測溫環(huán)境的要求。

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熱電阻傳感器的安裝

1）測點布置應(yīng)避免死區(qū)；2）有良好的換熱條件；3）減少與其周圍物體的散熱；4）便與維修。

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熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差

1）熱電阻溫度計測量準(zhǔn)確度比熱電偶高；2）應(yīng)特別注意線路電阻的影響，測準(zhǔn)導(dǎo)線電阻，再繞制線路調(diào)整電阻，使線路總電阻等于規(guī)定值（5Ω或15Ω）；3）采用三線制，克服環(huán)境溫度變化影響，或者將傳感器與變送器一體化。

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3.5接觸式測溫方法

1.流體溫度測量

測量管道或容器內(nèi)流體介質(zhì)溫度，溫度傳感器內(nèi)一般都安裝在保護(hù)套管內(nèi)，應(yīng)考慮保護(hù)套管給溫度測量帶來的誤差。

溫度傳感器的導(dǎo)熱誤差圖3.5.1接觸式測溫測溫管道內(nèi)外溫度分布

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導(dǎo)熱誤差公式：式中：—傳感器測量的溫度（℃）；—管道內(nèi)流動介質(zhì)的溫度（℃）；—傳感器外露部分的環(huán)境溫度（℃）。（3.5.1）式只能作定性分析，不能作為誤差修正計算。

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減少誤差的措施

1）正確安裝溫度傳感器

圖3.5.2溫度傳感器管道安裝（a）垂直安裝；（b）傾斜安裝；（c）彎頭處安裝；（d）擴大管安裝

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2）做好保護(hù)管外露部分保溫；3）傳感器工作端應(yīng)位于管道中流速最大的地方；4）要有足夠的插入深度；5）管徑d<80mm，則應(yīng)安裝擴大管；6）迎著流體流動方向沿管道中心插入安裝；7）選擇d小，導(dǎo)熱性差的保護(hù)套管。

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2.高溫氣體溫度測量

被測氣體溫度高，溫度傳感器與容器壁的輻射換熱不能忽視。尤其是當(dāng)二者溫差較大時，會使讀數(shù)誤差加大。輻射引起的測溫誤差

輻射測溫誤差：傳感器與周圍物體的輻射引起的測溫誤差。輻射測溫誤差（忽略導(dǎo)熱和其他誤差）

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式中：—測溫指示值（℃）；—被測氣體溫度（℃）；—容器壁溫度（℃）；—系統(tǒng)黑度；—黑體輻射常數(shù)，；

—對流傳熱系數(shù)。

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減少輻射誤差的措施1）.不宜安裝在溫差較大的場合，否則應(yīng)在傳感器頂端加裝遮熱罩；2）.盡量減少遮熱罩內(nèi)表面的輻射率；3）.保護(hù)管機械強度高，耐腐蝕；4）.保護(hù)保護(hù)管表面干凈無塵。

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5.壁面溫度測量

固體內(nèi)部和表面存在溫度梯度，溫度傳感器容易改變表面的熱狀態(tài)而產(chǎn)生誤差。

圖3.5.3壁面溫度測量

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傳感器與被測壁面有3種接觸方式：點式、薄片式、針式?！竦葴鼐€接觸：將連接傳感器的導(dǎo)線沿被測表面敷設(shè)至少20倍線徑的距離；●實際安裝時最好將傳感器敷設(shè)在被測壁面內(nèi)。

圖3.5.4點接觸測溫（a）點式；（b）薄片式；（c）針式953.6

非接觸測溫測量運動物體的溫度和極高溫度應(yīng)采用非接觸式測溫。非接觸式測溫：利用被測環(huán)境或被測物體的光學(xué)輻射原理或紅外輻射進(jìn)行的溫度測量。

分類：1）.光學(xué)輻射式高溫計：單色光學(xué)高溫計、光電高溫計、全敷設(shè)高溫計、比色高溫計。2）.紅外輻射儀：全紅外輻射儀、單紅外輻射儀、比色儀。96測溫特點：不接觸，不破壞溫度場，不受腐蝕，不要達(dá)到熱平衡，動態(tài)特性好。一.熱輻射測溫的基本原理1.絕對黑體的單色輻射強度2.維恩公式3.普朗克公式的函數(shù)曲線（3.6.2）

（3.6.1）

971）.K↑，↑，曲線的峰值隨K↑而向較短方向移動；2）.峰值處和溫度T之間的關(guān)系符合維恩位移定律。圖3.6.1輻射強度與波長和溫度的關(guān)系曲線984.絕對黑體的全輻射定律波長λ從0～∞的全部輻射能量的總和式中：—斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)，等于5.67×10-12；5.灰體如果物體的輻射光譜是連續(xù)的，而且它的單色輻射強度和同溫度（3.6.3）

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圖3.6.2波長λ=0.65μm時單色輻射強度和全輻射能量與溫度的關(guān)系曲線下的絕對黑體的相應(yīng)曲線相似（即在所有波長下（的常數(shù)），則該物體叫“灰體”，叫輻射率或黑度系數(shù)。6.與隨T變化的曲線100

二.單色輻射高溫計1.原理：普朗克公式中，與溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，且的增長速度比溫度增加的速度快得多，據(jù)該原理制作的叫單色輻射高溫計。2.高亮溫度（）：在波長為的單色輻射中，若物體在溫度時的高亮度和絕對黑體在溫度為時的亮度相等，則把絕對黑體溫度叫做被測物體在波長時的亮度溫度。3.被測物體的實際溫度和亮度溫度101

式中：

—黑體系數(shù)。4.光學(xué)溫度燈絲隱天式光學(xué)高溫計是典型的單色輻射光學(xué)高溫計，準(zhǔn)確度最高。原理：根據(jù)被測物體光譜對亮度隨溫度升高而增加，采用亮度比較法測溫。WGGZ-322型光學(xué)高溫計：光學(xué)系統(tǒng)、電測系統(tǒng)組成。102

圖3.6.3WGG2-323型光學(xué)高溫計原理圖1－物鏡；2－吸收玻璃；3－高溫計燈泡；4－目鏡；5－紅色濾光片；6－顯示儀表；7－滑線電阻；K－開關(guān)；E－干電池103

圖3.6.4燈絲亮度調(diào)整圖（a）燈絲太暗；（b）燈絲太亮；（c）隱絲（正確）5.光高度計在光學(xué)高度計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。自動平衡亮度自動連續(xù)記錄。它用光電器件作為儀表的敏感元件，替代人眼查看亮度的變化，并將亮度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子放大器放大后，輸出與被測溫度相應(yīng)的示值并自動記錄。104圖3.6.4WDL型光電高溫計的工作原理圖（a）工作原理示意圖；（b）光調(diào)制器1－物鏡；2－光欄；3，5－孔；4－光電器件；6－遮光板；7－調(diào)制片；8－永久磁鐵；9－激磁繞組；10－透鏡；11－反射鏡；12－觀察孔；13－前置放大器；14－主放大器；15－反饋燈；16－電位差計；17－被測物體105

6.使用單色高溫輻射高溫計的注意事項1）.非黑體輻射的影響；2）.中間介質(zhì)的影響；3）.對被測對象的限定。光學(xué)高溫計因受被測物體黑度的影響，且測量準(zhǔn)確度比熱電偶，熱電阻低，同時構(gòu)造復(fù)雜。價格昂貴，不能測物體內(nèi)部點的溫度，∴使用受到限制。三.全輻射高溫計106

根據(jù)全輻射定律（3.6.3）制作的溫度計，當(dāng)知道黑體的全輻射能量后，就可知道溫度。1.構(gòu)造與原理圖3.6.6全輻射高溫計示意圖1.物鏡；2.光欄；3.玻璃泡；4.熱電堆；5.灰色濾光片；6.目鏡；7.鉑箔；8.云母片；9.顯示儀表107

2.輻射溫度1）.全輻射高溫計按絕對黑體對象進(jìn)行分度，用它測量黑度為的實際物體溫度時，其示值并非真實溫度，而是被測物體的輻射溫度；2）.輻射溫度定義：溫度為的物體，其全輻射能量等于溫度為的絕對黑體輻射體能量時，則溫度叫做被測物體的輻射溫度；108

全輻射能量E等于溫度為的絕對黑體全輻射能量時，輻射溫度與物體溫度的關(guān)系：

3.注意點1）.應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地確定被測物體的；2）.距離L/被測物體直徑D之比有一定的限制；3）.環(huán)境溫度不宜太高。（3.6.5）109四.比色高溫計1.概念1）.光學(xué)溫度計和全輻射高溫計是目前常用的輻射式高溫計，但它們共同的缺點是：受實際物體輻射率的影響和輻射途徑上各種介質(zhì)選擇性吸收輻射能的影響；2）.根據(jù)維恩位移定律可解決上述問題；3）.測溫原理：當(dāng)溫度增加時，絕對黑體的最大單色輻射強度向波長減少的方向移動，使在波長和下的亮度比隨溫度而變化，測量亮度比的變化即可知相應(yīng)的溫度。110比色高溫計的測溫原理：

上式中和是規(guī)定值，當(dāng)知道在此兩波長下的亮度比，就可求出被測黑體的。2.比色溫度：若溫度為的實際物體的兩個波長下的亮度比值與溫度為的黑體在同樣波長的亮度比值相等，則把叫做實際物體的比色溫度。111實際物體溫度為與實際物體比色溫度的關(guān)系：式中分別為實際物體在時的光譜輻射率，如已知和就可求出溫度值。3.比色溫度計工作原理按光和信號檢測方法可分為兩類：1121）.單通道式：一個光電檢測元件（如硅光電池），光度變換輸出值較穩(wěn)定，但動態(tài)品質(zhì)較差；2）.雙通道式：結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性好，但準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較差。圖3.6.7單通道光電比色高溫計原理圖1一物鏡；2一通孔成像鏡；3一調(diào)制盤；4一同步電動機；5一光電檢測器；6一目鏡；7一倒像鏡；8一反射鏡113五.紅外溫度計及紅外熱像儀1.基本概念1）.輻射式溫度計向中溫范圍（0～700℃）延伸則需要采用紅外輻射測溫技術(shù)。2）.光的概念可見光：包括紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種，其中紅、綠、藍(lán)三基色按不同比例組分可形成上述七色光。不可見光：按波長由長到短可分為：無線電波（長波、短波、雷達(dá)波、甚高頻電波、微波）、遠(yuǎn)紅外線、紅外線（可見光）、紫外線、X射線、射線。114紅外線波長范圍：0.78～100μm大氣窗口：只有三個紅外波段（1～2.5μm，3～5μm，8～13μm）的紅外輻射能透過大氣向遠(yuǎn)處輸送。這三個波段被稱為“大氣窗口”，紅外測溫系統(tǒng)在3～5μm，8～13μm兩個波段內(nèi)工作。3）.根據(jù)普朗克定律，任何物體只要溫度高于絕對零度都會因為分子的熱運動而輻射紅外線，發(fā)出的紅外輻射能量與物體絕對溫度的四次方成正比。

通過紅外探測器將物體輻射的功率信號裝換成電信號后，經(jīng)放大器和處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)輻射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。1152.紅外溫度計圖3.6.8紅外溫度計原理圖1-物鏡；2-濾光片；3-調(diào)制盤；4-微電機；5-反光鏡；6-聚光鏡；7-參比燈；8-紅外探測器116

紅外溫度計體積小，使用方便，測溫精度±0.5℃（-10～+50℃）～±2.0℃（-30～+100℃），距離系數(shù)（被測目標(biāo)距離/光學(xué)目標(biāo)距離）為5：1。

117

3.紅外熱像儀1）紅外溫度計測的是物體表面某點周圍非常小的面積的平均溫度，而紅外熱像儀可測量物體表面的溫度分布。

圖3.6.9焦平面熱像儀成像機理簡圖1-被測物體2-物鏡3-外殼4-焦平面探測器

圖3.6.10焦平面熱像儀外形結(jié)構(gòu)圖1-物鏡2-取景器3-LCD顯示器4-外殼

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2）.焦平面紅外探測器分制冷型和非冷型兩大類。3）.特點：與紅外點溫儀相比，具有測量面積大，測量速度快，表現(xiàn)直觀，能測表面溫度分布。測量誤差±2℃，溫差測量精度是所有測溫儀表中最高。距離系數(shù)2：1～300：1。圖3.6.11非制冷型紅外焦平面熱像儀工作原理

119

4.紅外溫度計及紅外熱像儀的應(yīng)用二者統(tǒng)稱為紅外測溫儀。1）.紅外測溫儀測量目標(biāo)溫度有兩種方法：①直接測量法：利用測溫儀內(nèi)部的基準(zhǔn)黑體，在不使用外界溫度參考體情況下測量目標(biāo)溫度。簡單，但精度難以保證；②對比測量法：利用已知溫度和輻射率的外界溫度參考體來測量目標(biāo)溫度值。精度高。

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2）.實際測量外界因素的影響①太陽和背景輻射的影響；②物體輻射率的影響；③風(fēng)速的影響；④合理確定距離系數(shù)；⑤確定波長范圍。

圖3.6.12對比測量溫度轉(zhuǎn)換

121

圖3.6.13目標(biāo)尺寸與距離關(guān)系

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5.紅外熱像儀的校準(zhǔn)1）要校準(zhǔn)的原因①接收到的紅外輻射和目標(biāo)溫度之間呈非線性關(guān)系；②目標(biāo)表面的輻射率、大氣衰減、環(huán)境反射與輻射等因素的影響?！酂嵯駡D只能給出物體表面溫度分布情況的定性描述，要獲得表面絕對溫度，必須采用與基準(zhǔn)黑體溫度相比較的方式來校準(zhǔn)絕對溫度值。

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2）校準(zhǔn)函數(shù)熱值與儀器所接受到的紅外輻射之間的關(guān)系是線性的，但熱值和目標(biāo)溫度之間的關(guān)系式非線性的，這個關(guān)系就是校準(zhǔn)函數(shù)。紅外熱像儀的校準(zhǔn)曲線的數(shù)學(xué)關(guān)系：式中，I—對應(yīng)于T的熱值（K）；

A、B—校準(zhǔn)系數(shù)。用熱像儀對著不同溫度下的基準(zhǔn)黑體熱源進(jìn)行測量，再用最小二乘法擬合測量數(shù)據(jù)，得到一條熱值-溫度關(guān)系的最佳擬合曲線作為標(biāo)定曲線。1243.7集成性傳感器測溫一.基本概念1.集成型溫度傳感器：將溫度傳感器、校正