參數(shù)檢測(cè)技術(shù)上

參數(shù)檢測(cè)技術(shù)上第1頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4

溫度:表征物體冷熱程度的物理量。溫度概念的建立和溫度的測(cè)量都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。為了判斷溫度的高低，只能借助于某種物質(zhì)的某種特性（如體積、長(zhǎng)度和電阻等）隨溫度變化的規(guī)律來(lái)測(cè)量，于是就會(huì)有形形色色的溫度計(jì)。但是，迄今為止，還沒(méi)有適應(yīng)整個(gè)溫度范圍用的溫度計(jì)（或物質(zhì)）。1：溫度

比較理想的物質(zhì)及相應(yīng)的物理性質(zhì)有：固體、液體、氣體的熱膨脹性質(zhì)；導(dǎo)體或半導(dǎo)體受熱后電阻值變化的性質(zhì)；熱電偶的熱電勢(shì)和物體的熱輻射。利用這些物理性質(zhì)制成的測(cè)溫儀表被廣泛的應(yīng)用著。此外，也應(yīng)用了一些新的測(cè)溫原理，如射流測(cè)溫、渦流測(cè)溫、激光測(cè)溫等。5.1溫度的檢測(cè)5.1.1溫度與溫標(biāo)第2頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4

溫標(biāo):溫度的數(shù)值表示方法，是用來(lái)衡量物體溫度的尺度。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的單位，各種溫度計(jì)的刻度值均由溫標(biāo)確定。2:溫標(biāo)常用的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)等。上頁(yè)下頁(yè)5.1溫度的檢測(cè)第3頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4熱力學(xué)溫標(biāo)是一種與工質(zhì)無(wú)關(guān)的溫標(biāo)，它以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，已由國(guó)際計(jì)量大會(huì)采納作為國(guó)際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)所確定的溫度數(shù)值稱為熱力學(xué)溫度（單位為K）。(2)熱力學(xué)溫標(biāo)(K)攝氏溫標(biāo)的物理基礎(chǔ)是水銀溫度變化與體膨脹成線性關(guān)系。分度方法是把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)定為零度（0℃），把水的沸點(diǎn)定為100度（100℃），用這兩個(gè)固定點(diǎn)分度玻璃水銀溫度計(jì)，在這兩固定點(diǎn)間劃分100等分，每一等分為攝氏一度，計(jì)為1℃。(1)攝氏溫標(biāo)(℃)2：溫標(biāo)上頁(yè)下頁(yè)第4頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4

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)決定采用的溫標(biāo)，稱為“1927年國(guó)際溫標(biāo)”，記為ITS-27。此后大約每隔20年進(jìn)行一次大修改。目前，國(guó)際上通用的國(guó)際溫標(biāo)是1989年7月第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）批準(zhǔn)的新溫標(biāo)ITS-90，我國(guó)從1994年1月1日起實(shí)行新溫標(biāo)。(3)國(guó)際溫標(biāo)t=T-273.15上頁(yè)下頁(yè)2：溫標(biāo)第5頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4(1)接觸式測(cè)溫法

溫度這一參數(shù)是不能直接測(cè)量的，一般根據(jù)物質(zhì)的某些特性參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)這些特性參數(shù)的測(cè)量而間接獲取。根據(jù)測(cè)溫傳感器的使用方式，測(cè)溫方法大體分為接觸式和非接觸式兩種。

測(cè)溫傳感器敏感元件直接與被測(cè)物體接觸，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，使傳感器與被測(cè)點(diǎn)達(dá)到熱平衡，以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

其特點(diǎn)是：由于傳感器與被測(cè)物體接觸，所以測(cè)量比較直觀、可靠，測(cè)溫準(zhǔn)確度較高，但它直接影響被測(cè)物體溫度場(chǎng)的分布。使用該種方法需要使測(cè)溫元件與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡，所以測(cè)溫時(shí)產(chǎn)生較大的時(shí)間滯后，并由此帶來(lái)測(cè)量誤差。測(cè)溫范圍在1600℃以下，通常1000℃以下的溫度容易測(cè)量，1200℃以上的溫度不易測(cè)量。上頁(yè)下頁(yè)第6頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4其特點(diǎn)是：測(cè)溫傳感器不與被測(cè)物體接觸，也不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，動(dòng)態(tài)測(cè)量反應(yīng)快，適于測(cè)量高溫；但是受環(huán)境條件影響較大，測(cè)量精度較低。從理論上講，其測(cè)溫上限是無(wú)限的，實(shí)際上一般只用到3000℃。在高溫領(lǐng)域中，使用較多的有輻射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)和光電高溫計(jì)等。近些年來(lái)，紅外輻射高溫計(jì)、比色溫度計(jì)的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大。(2)非接觸式測(cè)溫法

測(cè)溫傳感器不接觸被測(cè)物體，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測(cè)定物體溫度，故又稱輻射測(cè)溫上頁(yè)下頁(yè)第7頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4雙金屬溫度計(jì)是把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的，是一種固體膨脹溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化，不僅用于測(cè)量溫度，而且還用于溫度控制裝置（尤其是開(kāi)關(guān)的“通斷”控制），使用范圍相當(dāng)廣泛。5.1.2雙金屬溫度計(jì)

雙金屬溫度計(jì)的工作原理如圖所示,將其一端固定,如果溫度升高,下面的金屬B（例如黃銅）因熱膨脹而伸長(zhǎng)，上面的金屬A（例如因瓦合金）卻幾乎不變，致使雙金屬偏向上翹。溫度越高則產(chǎn)生的線膨脹差越大，引起的彎曲越大。上頁(yè)下頁(yè)第8頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4

圖為雙金屬溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)。它的感溫元件通常繞成螺旋形，一端固定，另一端連接指針軸。溫度變化時(shí)，感溫元件的彎曲率發(fā)生變化，并通過(guò)指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，在刻度盤上顯示出溫度的變化。上頁(yè)下頁(yè)5.1.2雙金屬溫度計(jì)第9頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/45.1.3熱電溫度計(jì)

詳見(jiàn)第四章的內(nèi)容上頁(yè)下頁(yè)第10頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/45.1.4

輻射測(cè)溫(1)全輻射溫度計(jì)被測(cè)物體的熱輻射能量，經(jīng)物鏡聚集在熱電堆（由一組微細(xì)的熱電偶串聯(lián)而成）上并轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)輸出，其值與被測(cè)物體的表面溫度成正比，用顯示儀表進(jìn)行指示記錄。圖中補(bǔ)償光欄由雙金屬片控制，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光欄相應(yīng)調(diào)節(jié)照射在熱電堆上的熱輻射能量，以補(bǔ)償因溫度變化影響熱電勢(shì)數(shù)值而引起的誤差。上頁(yè)下頁(yè)全輻射溫度計(jì)由輻射感溫器、顯示儀表及輔助裝置構(gòu)成。第11頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4一般全輻射溫度計(jì)選擇黑體作為標(biāo)準(zhǔn)體來(lái)分度儀表，此時(shí)所測(cè)的是物體的輻射溫度，即相當(dāng)于黑體的某一溫度TP。在輻射感溫器的工作譜段內(nèi)，當(dāng)表面溫度為TP的黑體之積分輻射能量和表面溫度為T的物體之積分輻射能量相等時(shí)，即σTP4=εTσT

4，則物體的真實(shí)溫度為。因此，當(dāng)已知物體的全發(fā)射率εT和輻射溫度計(jì)指示的輻射溫度TP時(shí)，就可算出被測(cè)物體的真實(shí)表面溫度。絕對(duì)黑體的熱輻射能量與溫度之間的關(guān)系為E0=σT

4(W/m)但所有物體的全發(fā)射率εT均小于1，則其輻射能量與溫度之間的關(guān)系表示為E0=εTσT

4(W/m)第12頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)2)光學(xué)高溫計(jì)和光電高溫計(jì)

光學(xué)高溫計(jì)是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的非接觸式溫度計(jì)之一。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)溫范圍廣（700～3200℃），一般可滿足工業(yè)測(cè)溫的準(zhǔn)確度要求。目前廣泛用于高溫熔體、爐窯的溫度測(cè)量，是冶金、陶瓷等工業(yè)部門十分重要的高溫儀表。

光學(xué)高溫計(jì)是利用受熱物體的單色輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增加的原理制成的，由于采用單一波長(zhǎng)進(jìn)行亮度比較，因而也稱單色輻射溫度計(jì)。物體在高溫下會(huì)發(fā)光，也就具有一定的亮度。物體的亮度Bλ與其輻射強(qiáng)度Eλ成正比，即：Bλ=CEλ，式中C為比例系數(shù)。所以受熱物體的亮度大小反映了物體的溫度數(shù)值。通常先得到被測(cè)物體的亮度溫度，然后轉(zhuǎn)化為物體的真實(shí)溫度。第13頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)光學(xué)高溫計(jì)的缺點(diǎn)是以人眼觀察，并需用手動(dòng)平衡，因此不能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和自動(dòng)記錄，且測(cè)量結(jié)果帶有主觀性。最近，由于光電探測(cè)器、干涉濾光片及單色器的發(fā)展，使光學(xué)高溫計(jì)在工業(yè)測(cè)量中的地位逐漸下降，正在被較靈敏、準(zhǔn)確的光電高溫計(jì)所代替。在光學(xué)高溫計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,用光敏元件代替人眼，實(shí)現(xiàn)了光電自動(dòng)測(cè)量。(1)

靈敏度和準(zhǔn)確度高；(2)

波長(zhǎng)范圍不受限制，可見(jiàn)光與紅外范圍均可，測(cè)溫下限可向低溫?cái)U(kuò)展；(3)

響應(yīng)時(shí)間短；(4)

便于自動(dòng)測(cè)量和控制，能自動(dòng)記錄和遠(yuǎn)距離傳送光電高溫計(jì)特點(diǎn)如下：第14頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)(3)比色高溫計(jì)

通過(guò)測(cè)量熱輻射體在兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比來(lái)測(cè)量溫度的儀表，稱為比色溫度計(jì)。第15頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)被測(cè)對(duì)象經(jīng)物鏡1成像經(jīng)光欄3與光導(dǎo)棒4投射到分光鏡6上，它使長(zhǎng)波（紅外線）輻射線透過(guò)，而使短波（可見(jiàn)光）部分反射。透過(guò)分光鏡的輻射線再經(jīng)濾光片9將殘余的短波濾去，之后被紅外光電元件硅光電池10接收，轉(zhuǎn)換成電量輸出；由分光鏡反射的短波輻射線經(jīng)濾波片7將長(zhǎng)波濾去，而被可見(jiàn)光硅光電池8接收，轉(zhuǎn)換成與波長(zhǎng)亮度成函數(shù)關(guān)系的電量輸出。

光欄3前的平行平面玻璃2將一部分光線反射到瞄準(zhǔn)反射鏡5上，在經(jīng)反射鏡11、目鏡12和棱鏡13，便能從觀察系統(tǒng)中看到被觀測(cè)對(duì)象的狀態(tài)，以便校準(zhǔn)儀器的位置

將這兩個(gè)電信號(hào)輸入自動(dòng)平衡顯示紀(jì)錄儀進(jìn)行比較得出光電信號(hào)比，即可讀出被測(cè)對(duì)象的溫度值。第16頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4

這種高溫計(jì)屬非接觸測(cè)量，量程為800-2000℃，精度為0.5％，響應(yīng)速度由光電元件及二次儀表記錄速度而定。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫準(zhǔn)確度高，反應(yīng)速度快，測(cè)量范圍寬，可測(cè)目標(biāo)小，測(cè)量溫度更接近真實(shí)溫度，環(huán)境的粉塵、水氣、煙霧等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響小?？捎糜谝苯?、水泥、玻璃等工業(yè)部門。(3)比色高溫計(jì)第17頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)(4)紅外溫測(cè)紅外溫測(cè)也是基于輻射原理來(lái)測(cè)溫的1)紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器是紅外探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。目前已研制出幾十種性能良好的探測(cè)器，大體可分為兩類：①熱探測(cè)器。它基于熱電效應(yīng)，即入射輻射與探測(cè)器相互作用時(shí)引起探測(cè)元件的溫度變化，進(jìn)而引起探測(cè)器中與溫度有關(guān)的電學(xué)性質(zhì)變化。常用的熱探測(cè)器有熱電堆型、熱釋電型及熱敏電阻型第18頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4②光探測(cè)器（量子型）。它的工作原理基于光電效應(yīng),

即入射輻射與探測(cè)器相互作用時(shí)激發(fā)電子。光探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間比熱探測(cè)器短得多。常用的光探測(cè)器有光導(dǎo)型（即光敏電阻型，常用的光敏電阻有PbS，PbTe及HgCdTe等）及光生伏特型（即光電池）。目前用于輻射測(cè)溫的探測(cè)器已有長(zhǎng)足進(jìn)展。我國(guó)許多單位可生產(chǎn)硅光電池，鉭酸鉀熱釋電元件，薄膜熱電堆熱敏電阻及光敏電阻等。1)紅外探測(cè)器第19頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)2)紅外測(cè)溫儀被測(cè)物體的熱輻射線由光學(xué)系統(tǒng)聚焦，經(jīng)光柵盤調(diào)制為一定頻率的光能，落在熱敏電阻探測(cè)器上，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，放大后輸出顯示或記錄。第20頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4光柵盤由兩片扇型光柵板組成，一塊固定，一塊可動(dòng)，可動(dòng)板受光柵調(diào)制電路控制，并按一定頻率正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)(透光)、關(guān)(不透光)，使入射線變?yōu)橐欢l率的能量作用在探測(cè)器上。表面溫度測(cè)量范圍為0-600℃，時(shí)間常數(shù)為4-10ms。第21頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)3)紅外熱像儀紅外熱像儀測(cè)溫基于被測(cè)物體的紅外熱輻射。它能在一定寬溫域做不接觸、無(wú)害、實(shí)時(shí)、連續(xù)的溫度測(cè)量。被測(cè)物體的溫度分布形成肉眼看不見(jiàn)的紅外熱能輻射，經(jīng)紅外熱像儀轉(zhuǎn)化為電視圖像或照片第22頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4上頁(yè)下頁(yè)其工作原理如圖所示。光學(xué)系統(tǒng)收集輻射線，經(jīng)濾波處理后將景物圖形聚集在探測(cè)器上，光學(xué)機(jī)械掃描包括兩個(gè)掃描鏡組：垂直掃描和水平掃描。掃描器位于光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器之間，當(dāng)鏡子擺動(dòng)時(shí)，從物體到達(dá)探測(cè)器的光束也隨之移動(dòng)，形成物點(diǎn)與物象互相對(duì)應(yīng)。然后探測(cè)器將光學(xué)系統(tǒng)逐點(diǎn)掃描所依次搜集的景物溫度空間分布信息，變?yōu)榘磿r(shí)序排列的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，由顯示器顯示出可見(jiàn)圖象——物體溫度的空間分布情況。第23頁(yè)，共25頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/4目前許多國(guó)家都已有熱像儀的產(chǎn)品出售。如日本的JTG-JA型熱像儀，其測(cè)溫范圍為0－1500℃，并分為三個(gè)測(cè)量段。0－180℃，適于測(cè)量機(jī)床溫度場(chǎng)；100－500℃和300－1500℃，適于測(cè)量工件或刀具的溫