热辐射的基本规律实用教案

1、1 教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工程教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工程设计中，经常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题和测设计中，经常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题和测量问题，解决这些问题依据的就是本章所学习的几个基本定量问题，解决这些问题依据的就是本章所学习的几个基本定律。本章要学习的基本规律有基尔霍夫定律、普朗克公式、律。本章要学习的基本规律有基尔霍夫定律、普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩维恩位移定律、斯特藩- -玻耳兹曼定律的基本概念、定义及玻耳兹曼定律的基本概念、定义及计算。计算。 学时分配：学时分配：8 8 重点重点(zhngdin)(zh

2、ngdin)、难点：普朗克公式、维恩位移定律、难点：普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩斯特藩- -玻耳兹曼定律的基本概念及计算。玻耳兹曼定律的基本概念及计算。 第1页/共116页第一页，共116页。2引言(ynyn)热辐射红外辐射 概念：物体以自身(zshn)温度而向外发射能量称热辐射，亦称 温度辐射。 在光学范畴内，在可见光范围内的辐射一般称为发光，在红外部分通常称为辐射。红外辐射的发射和接收是都热交换。红外技术的应用都是基于热交换的。 第2页/共116页第二页，共116页。3发光(f un)分三种 光致发光（泵浦） 电致发光 化学发光（鬼火(guhu)） 放电(fng din) 激发辉光放电

3、 弧光放电第3页/共116页第三页，共116页。4普雷夫定则：在单位时间内，如果(rgu)两个物体吸收的能量不同，则它们发射的能量也不同。即在单位时间内，一个物体发出的能量等于它吸收的能量。 普雷夫定则小实验 第4页/共116页第四页，共116页。53-1 基尔霍夫定律(dngl) 发射本领：即物体的辐射出射度M，通常写成MT，因为M=f（、T） 吸收本领：即物体的吸收比，也与波长(bchng)和温度有关，故写成T 。 二者之间关系（称为基尔霍夫定律）第5页/共116页第五页，共116页。6 如果有三个物体，则 即所有的物体，它们的发射本领与发射本领之比都是相同的一个常数(chngsh)（在相

4、同温度、相同波长条件下）。 式中 MbT黑体的辐射出射度。 bT黑体的吸收比， bT = 1 （黑体的定义）CMMMT3T3T2T2T1T1TbTbTbTbM1MMC第6页/共116页第六页，共116页。7 基尔霍夫定律的描述： 在给定温度下，对某一波长来说，物体的吸收本领(bnlng)和发射本领(bnlng)的比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒量。即MT/T对所有物体都是一个普适函数（即黑体的发射本领(bnlng)），而MT和T两者中的每一个都随着物体而不同。 “发射大的物体必吸收大”，或“善于发射的物体必善于接收”，反之亦然。第7页/共116页第七页，共116页。8关于基尔霍夫定

5、律的说明： 1基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关，（当然对黑体也适用）； 2吸收和辐射的多少应在同一温度下比较，（温度不同时就没有意义了）； 3任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表面性质决定的，还是由系统的构造(guzo)决定的； 4基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，不与人眼的视觉特性和光度量有关； 5基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。第8页/共116页第八页，共116页。93-2 黑体及其辐射(fsh)定律黑体是一个抽象的概念，可以从几个方面认识： 1、（理论上讲）=1的物体。全吸收，没有反射(fnsh)和透射。 2、（结构上讲）封闭的等温空腔内的

6、辐射是黑体辐射。 3、（从应用角度）如果把等温封闭空腔开一个小孔，则从小孔发出的辐射能够逼真地模拟黑体辐射。这种装置称为黑体炉。第9页/共116页第九页，共116页。10黑体的应用价值（实用意义）： 1.标定各类辐射探测器的响应度； 2.标定其他辐射源的辐射强度； 3.测定(cdng)红外光学系统的透射比； 4.研究各种物质表面的热辐射特性； 5.研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射特性。主要做光源（辐射源）第10页/共116页第十页，共116页。11普朗克公式： M b黑体的光谱辐射出射度 c 真空光速 c1 第一(dy)辐射常数 c1=2hc2=3.741810-16Wm2 c2 第二辐射

7、常数 c2=hc/k=0.014388mK h 普朗克常数 6.62617610-34Js k 波尔兹曼常数 1.3810-23J/K11/512TcbecM第11页/共116页第十一页，共116页。12第12页/共116页第十二页，共116页。13曲线的说明（黑体的辐射特性）： M b随波长连续变化。对应某一个温度就有固定的一条曲线。（一旦温度确定，则M b在某波长处有唯一的固定值） 温度越高，M b越大。（全辐射出射度Mb是曲线下面积） 随着温度T的升高，M b的峰值波长向短波方向移动。（T再高就可见了） 黑体的辐射特性只与其温度有关，与其它参数无关。 黑体辐射亮度(lingd)与观察角度

8、无关。第13页/共116页第十三页，共116页。14普朗克公式在以下两种极限条件下的情况： （1）当c2/（T）1时，即hc/KBT，此时对应短波或低温情形，普朗克公式中的指数项远大于1，故可以把分母(fnm)中的1忽略，这时普朗克公式变为 这就是维恩公式，它仅适用于黑体辐射的短波部分 TcbecM251第14页/共116页第十四页，共116页。15（2）当c2/（T）1时，即hc/KBT，此时对应(duyng)长波或高温情形，可将普朗克公式中的指数项展成级数，并取前两项 这时普朗克公式变为 这就是瑞利普金公式，它仅适用于黑体辐射的长波部分。 )(122TceTc421TccMb第15页/共1

9、16页第十五页，共116页。16瑞利金斯公式(gngsh)和经典辐射模型的困难 两种近似(jn s)式在不同T值时的计算误差第16页/共116页第十六页，共116页。17维恩位移(wiy)定律 令x = c2/T X何值时M最大，应 ).(11/512TfecMTcb1)(55251xexcTcxM0 xM2545251) 1() 1(5xxxeexexcTcxM第17页/共116页第十七页，共116页。18若上式为零 须 解此方程 x = 4.9651142 即：c2/T = 4.9651142 T = 2898 (mK) 此乃维恩位移(wiy)定律，其中的即某温度T时黑体辐射出射度 Mb的

10、峰值波长m，通常写为 xxexex54)1(5=0 Tbm第18页/共116页第十八页，共116页。19维恩（wien）最大发射本领定律： 描述黑体光谱辐射(fsh)出射度的峰值与温度关系的公式。 将维恩位移定律代入普朗克公式 其中 B = 1.286710-11Wm-2m-1K-5 （另书 1.286673210-5 Wm-3K-5 ）5/51112BTecMTcmbmm第19页/共116页第十九页，共116页。20意义： 1、只先知一个温度T，便知最大M 所在(suzi)处的波长及M 值。 2、M 数值随温度升高很快。（M bm峰值升高，曲线下面积增大，M 也大）第20页/共116页第二十

11、页，共116页。21四、斯特番波尔兹曼定律(dngl)描述黑体全辐射出射度与温度关系(gun x)的公式。 令 x = c2/T 则 = c2/xT d=-(c2/x2T)dx (积分限:0,则x:0) decdMMTcbb1/510) 1(/2第21页/共116页第二十一页，共116页。22 因为(yn wi) 所以 013442101434212210)/(521) 1() 1()() 1()/(22dxexTccdxeTxccdxTxcexTccMxxTxTccb043151dxexx043151dxexx第22页/共116页第二十二页，共116页。23接上式 令 则 此公式为斯特番波尔

12、兹曼定律(dngl) 其中 = 5.6703210-8Wm-2K-4 4442115TccMb154421cc4TMb第23页/共116页第二十三页，共116页。243-3 黑体辐射(fsh)的计算f(T)表 称为相对光谱辐射出射度函数表，是某温度下、某波长上的辐射出射度M和该温度下峰值(fn zh)波长处的辐射出射度Mm之比。 即 根据普朗克公式 ()mMfTM11/512TcbecM第24页/共116页第二十四页，共116页。25根据维恩最大发射本领定律 所以 知道一个T值，就对应一个f(T)值，即知道一个温度T，则在某波长处的辐射出射度M为 这样即可查表得到M，而不用(byng)普朗克公

13、式计算了。 5/51112BTecMTcmbmm1111)(/5515/5122TcTceTBcBTecMMTfm5)()(BTTfMTfMm第25页/共116页第二十五页，共116页。26由斯特番-波尔兹曼定律 则 可得到(d do)从0到某波长的辐射出射度 M0=F（T）T4 则某一波段（12）之间的辐射出射度为 M1-2 =M0-2-M0-1 = F（2T）-F（1T） T440TMTcTceTcdTcMMTF/232400221)()(15)(第26页/共116页第二十六页，共116页。27第27页/共116页第二十七页，共116页。28f（T）和F（1T）函数(hnsh)的规划值，（

14、即归一化，以最大值的地方为1，其它地方相对减小） 第28页/共116页第二十八页，共116页。29计算(j sun)举例例.已知黑体温度 T = 1000K，求：其峰值波长、光谱(gungp)辐射度峰值、在=4m处的光谱(gungp)辐射出射度、某一波段的辐射出射度。 1.峰值波长 根据维恩位移定律 2.光谱(gungp)辐射度峰值 根据维恩最大发射本领定律 mKKmTbm898. 2100028981245115102867. 1)1000(102867. 1mmWBTMm第29页/共116页第二十九页，共116页。303.在=4m处的光谱辐射(fsh)出射度 4.在=35m波段内的辐射(f

15、sh)出射度 124454100297. 1102867. 1)10004()()(mmWfBTTfMTfMMmm244453100441. 2)2732263372. 0()10003 ()10005 (mWTTFFMm第30页/共116页第三十页，共116页。31 例2 已知人体的温度T=310K（假定人体的皮肤是黑体），求其辐射特性 1.其峰值(fn zh)波长为 2.全辐射出射度为mTm4 . 93102898289822484/102 . 53101067. 5mWTM第31页/共116页第三十一页，共116页。323.处于(chy)紫外区，波长（00.4m）的辐射出射度为 4、处于

16、(chy)可见光区，波长（0.40.75m）的波长辐射出射度为 5、处于(chy)红外区，波长（0.75）的辐射出射度为 04.00M0.40.750MMM75. 0第32页/共116页第三十二页，共116页。33 例3 如太阳的温度T=6000K并认为是黑体，求其辐射特性(txng) 1.其峰值波长为 2、全辐射出射度为 3、紫外区的辐射出射度为 mm48.06000289827484/103 . 760001067. 5mWTMMM14. 04 . 00第33页/共116页第三十三页，共116页。344、可见光区的辐射(fsh)出射度为 5、红外区的辐射(fsh)出射度为 MM42. 07

17、5. 04 . 0MM44.075.0第34页/共116页第三十四页，共116页。353.5 发射率和实际(shj)物体的辐射1半球发射率 辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比称为(chn wi)半球发射率，分为全量和光谱量两种。 半球全发射率定义为 式中，M（T）是实际物体在温度T时的全辐射出射度，Mb(T)是黑体在相同温度下的全辐射出射度。 )()(TMTMbh第35页/共116页第三十五页，共116页。36 半球光谱发射率定义为 式中，M(T)是实际物体在温度T时的光谱辐射(fsh)出射度，Mb(T)是黑体在相同温度下的光谱辐射(fsh)出射度。 由以上式子可以得到任意物体在

18、温度T时的半球光谱发射率为 )()(TMTMbh)()(TTh第36页/共116页第三十六页，共116页。37 可见，任何(rnh)物体的半球光谱发射率与该物体在同温度下的光谱吸收率相等。同理可得出物体的半球全发射率与该物体在同温度下的全吸收率相等，即 以上两个式子是基尔霍夫定律 又一表示形式，即物体吸收辐射的本领大，其发射辐射的本领也越大。 )()(TTh第37页/共116页第三十七页，共116页。382. 方向发射率 方向发射率，也叫做角比辐射率或定向发射本领。它是在与辐射表面法线成角的小立体角内测量的发射率。角为零的特殊情况(qngkung)叫做法向发射率n。n也分为全量和光谱量两种。

19、方向全发射率定义为 bLL)(第38页/共116页第三十八页，共116页。39式中，L和Lb分别是实际物体和黑体在相同温度下的辐射(fsh)亮度。因为L一般与方向有关，所以()也与方向有关。 方向光谱发射率定义为 ( )bLL第39页/共116页第三十九页，共116页。40物体发射率的一般变化规律如下： （1）对于朗伯辐射体，三种发射率n，() 和h彼此相等。 对于电绝缘体，h/n在0.951.05之间，其平均值为0.98，对这种材料，在角不超过(chogu)65或70时，()与n仍然相等。 对于导电体，h/n在1.051.33之间，对大多数磨光金属，其平均值为1.20，即半球发射率比法向发射

20、率约大20%，当角超过(chogu)45时，()与n差别明显。第40页/共116页第四十页，共116页。41（2）金属的发射率是较低的，但它随温度的升高而增高，并且当表面形成氧化(ynghu)层时，可以成10倍或更大倍数地增高。 （3）非金属的发射率要高些，一般大于0.8，并随温度的增加而降低。 （4）金属及其他非透明材料的辐射，发生在表面几微米内，因此发射率是表面状态的函数，而与尺寸无关。据此，涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性，而不是基层表面的特性。对于同一种材料，由于样品表面条件的不同，因此测得的发射率值会有差别。第41页/共116页第四十一页，共116页。42(5)介质的光谱发射率

21、随波长变化而变化，如图3-4所示。在红外区域，大多数介质的光谱发射率随波长的增加而降低。 例如，白漆和涂料TiO2等在可见光区有较低的发射率，但当波长超过3m时，几乎相当于黑体。用它们覆盖的物体在太阳光下温度相对较低，这是因为它不仅反射了部分太阳光，而且几乎像黑体一样的重新辐射所吸收的能量。 铝板在直接太阳光照射下，相对温度较高，这是由于(yuy)它在10m附近有相当低的发射率，因此不能有效地辐射所吸收的能量。 第42页/共116页第四十二页，共116页。43 各种材料的光谱发射率 第43页/共116页第四十三页，共116页。443.6 辐射(fsh)对比度和辐射(fsh)测温辐射对比度 辐射

22、对比度定义为目标和背景(bijng)辐射出射度之差与背景(bijng)辐射出射度之比，即 式中， 为目标在12波 间隔的辐射出射度， 为背 在12波长间隔的辐射出射度。 TBBMMCMdTMMTT)(21dTMMBB)(21第44页/共116页第四十四页，共116页。45 能否通过选择合适的系统光谱(gungp)通带来获得最大的辐射对比度。 计算波长从0全波带的对比度 然后可算出 C3.5 5m=0.413，C814m=0.159可以看出，三种情况的对比度都较差，且宽带的对比度比窄带的更差。 4304TTTMTTMMMMMMCBBT133. 03001044TT第45页/共116页第四十五页，

23、共116页。46在表征热成像系统的性能时，常把光谱辐射出射度与温度(wnd)的微分叫做热导数。因为在 的情况下，普朗克公式的热导数为 所以，辐射出射度与温度(wnd)的微分关系为 1)(2Tce222)(22)(51)(51) 1(11222TcMeTcececTTMTcTcTcdTcMdTMTM22212121第46页/共116页第四十六页，共116页。47因为对比度对温度的变化率与相对应，所以为求得对比度，只要求得 即可 采用推导维恩位移(wiy)定律的方法求得光谱辐射出射度变化率的峰值波长c与绝对温度T的关系为 TM21TM21mTc2411第47页/共116页第四十七页，共116页。4

24、8 关系曲线 第48页/共116页第四十八页，共116页。49 由于辐射的峰值波长m满足mT=2898（mK），因此最大对比度的波长c与辐射峰值波长m的关系满足 300K是通常地面背景的温度。其c近似为8m，所以，在不考虑其他(qt)因素的情况下，热像仪观察地面目标时，采用814m波段最为理想。 mmc832. 028982411第49页/共116页第四十九页，共116页。50 辐射测温 1.辐射温度 设有一物体的真实温度为T，发射率为(T)，辐射出射度为M(T)。当该物体的辐射出射度与某一温度的黑体辐射出射度相等(xingdng)时，这个黑体的温度就叫做该物体的辐射温度T。由 )()(TMT

25、Mb第50页/共116页第五十页，共116页。51即 得 对于物体温度与周围环境物体温度相近的场合，考虑物体的反射环境辐射(fsh)带来的影响是很有必要的，否则求得的真实温度T将是不正确的。44)(TTT4)(TTT第51页/共116页第五十一页，共116页。522. 亮温度 设有一个物体的真实温度为T，光谱发射率为(T)，光谱辐射亮度(lingd)为L(T)。当该物体的光谱辐射亮度(lingd)与某一温度的黑体的光谱辐射亮度(lingd)相等时，这个黑体的温度就叫该物体的亮温度Tl。这时有 )()(lbTLTL第52页/共116页第五十二页，共116页。53 而 通常物体的亮温度用光学高温计

26、测量，对应的波长是0.66m。用维恩近似简化(jinhu)处理，得 1)(exp(1)()(251TccTTL1)(exp(1)(251llbTccTL22)(lncTTTcTll第53页/共116页第五十三页，共116页。543. 色温度 设有一个物体的真实温度为T，在波长1和2处的光谱发射率分别为1(T) 和2(T) ，光谱辐射亮度分别L1(T)和L2(T) 。当该物体在这两个波长处的光谱辐射亮度与某一温度的黑体的光谱辐射亮度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的色温度Ts（简称色温）。一般所选波长为1=0.47m、2=0.66m，分别用维恩近似(jn s)表示，由定义有 第54页/共116

27、页第五十四页，共116页。55 将上面(shng min)两式化简并取对数解出T，得 ssTccTccTccTcc22521225211251112511expexpexpexp21)11 ()()(ln1121221cTTTTs第55页/共116页第五十五页，共116页。56 比色测温仪是通过测量物体两个（或三个）波段上的辐射亮度的比值来确定其温度的。 亮温测温仪相比(xin b)，突出的优点是：（1）亮温测温仪和全光谱测温仪（辐射温度测温仪）往往在被测物体的(T)已知的情况下才能使用，而比色测温仪则不然，只要物体的发射率随波长的变化相对缓慢（一般物体多是这样），就可以用色温度来测得接近物体

28、表面(biomin)的真实温度。特别是对于灰体，色温Ts就准确地反映了物体的真实温度T。第56页/共116页第五十六页，共116页。57（2）由于亮度测温仪是通过测量物体的辐射来测温的，因此在测量时，辐射功率的部分损失（例如光学系统效率、被测物体与仪器之间介质吸收率的变化等）以及电子线路中放大倍数的变化等，都直接(zhji)影响亮温度和辐射温度的测量。而上述因素对比色测温仪的色温测量则没有影响或影响很弱。这是因为比色测温仪的温度测量是取决于辐射功率之比的缘故。第57页/共116页第五十七页，共116页。58温度(wnd)检测技术1 温度与标定2 测温方法(fngf)分类及其特点3 热膨胀式测温

29、方法(fngf)4 热阻式测温方法(fngf)5 热电式测温方法(fngf)6 辐射法测温7 新型温度传感器及其测温技术第58页/共116页第五十八页，共116页。59前言(qin yn) 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常( jngchng)测量和控制的主要参数； 从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志； 温度与人们日常生活紧密相关。第59页/共116页第五十九页，共116页。601 温标(wnbio)与标定11 温标(wnbio)经验温标(wnbio)热力学温标(wnbio)绝对气体温标(wnbio)国际实用温标(wnbi

30、o)和国际温标(wnbio)1. 2 标定第60页/共116页第六十页，共116页。61温标(wnbio) 为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。 利用一些物质(wzh)的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。 温标的发展过程：经验温标 理想热力学温标和绝对气体温标 国际实用温标 第61页/共116页第六十一页，共116页。62经验(jngyn)温标华氏温标 1 7 1 4 年 德 国 人 法 勒 海 特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。 按照(nzho)华氏温

31、标，则水的冰点为32，沸点为212第62页/共116页第六十二页，共116页。63经验(jngyn)温标摄氏温标 1 7 4 0 年 瑞 典 人 摄 氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。 摄氏温度和华氏温度(hu sh wn d)的关系为 T = t + 32 (1)式中 T华氏温度(hu sh wn d)值; t摄氏温度值。第63页/共116页第六十三页，共116页。64热力学温标 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。 热力学温标

32、为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力(yl)为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为27316份，每份为1 K (Kelvin) 。第64页/共116页第六十四页，共116页。65绝对(judu)气体温标从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律： PV=RT (6-2)式中 P一定质量的气体的压强； V该气体的体积(tj)； R普适常数； T热力学温度。 当气体的体积(tj)为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有： T2/T1=P2/P1第65页/共116页第六十五页，共116页。66国际(guj)实用温标 指导思想：尽可能地接近( jij

33、n)热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便； 第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的国际实用温标，后经多次修订，形成了普遍采用的国际实用温标IPTS一68 ； 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。第66页/共116页第六十六页，共116页。67ITS一90基本内容为： 重申国际实用温标单位仍为K； 国际摄氏温度和国际实用温度关系为： 把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下： 0.655.0K，用3He和4He蒸汽温度计； 3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计； 13.803K961.78，用铂电

34、阻温度计； 961.78以上，用光学或光电高温计； 新确认(qurn)和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。9090273.15tT第67页/共116页第六十七页，共116页。68第68页/共116页第六十八页，共116页。692 测温方法(fngf)分类及其特点 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常(tngchng)可分成接触式和非接触式两大类。 接触式温度测量 非接触式温度测量第69页/共116页第六十九页，共116页。70接触式温度(wnd)测量 测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低； 由于感温元件与被测介质直

35、接接触，从而(cng r)要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。第70页/共116页第七十页，共116页。71非接触式温度(wnd)测量 感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度; 非接触式测温具有不改变(gibin)被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。第71页/共116页第七十一页，共116页。72接触式与非接触式测温特点(tdin)比较方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 感温元件要与

36、被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上 测量 范围 特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于l 300以上 的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度 精 度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应 速度慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为23秒钟 其它 特点 整个测温系统结构

37、简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置 第72页/共116页第七十二页，共116页。73各类温度检测方法构成(guchng)的测温仪表的大体测温范围第73页/共116页第七十三页，共116页。743 热膨胀式测温方法(fngf) 3.1.玻璃(b l)温度计 3.2压力温度计 3.3双金属温度计第74页/共116页第七十四页，共116页。75玻璃(b l)温度计 玻璃液体温度计简

38、称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9、测温上限为538。 玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源(nngyun)，易破损，测温值难自动远传记录。第75页/共116页第七十五页，共116页。76玻璃温度计的分类：全浸式：测温准确度高，但读刻度(kd)困难，使用操作不便。局浸式：读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。 V形工业(gngy)玻璃温度计第76页/共116页第七十六页，共116页。77压力(yl)温度计 压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸

39、汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数(hnsh)关系的原理实现其测温功能的。 压力温度计的典型结构示意图第77页/共116页第七十七页，共116页。78 这类压力温度计其毛细管细而长(规格为160m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。 压力温度计和玻璃温度计相比，具有( jyu)强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。 电接点(ji din)压力式温度计第78页/共116页第七十八页，共116页。79双金属温度计固体(gt)长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体(gt)受热膨胀原理，测量温度通常是把两片

40、线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：10101LLk tt第79页/共116页第七十九页，共116页。80双金属温度计原理图第80页/共116页第八十页，共116页。81 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致(dzh)为-80600，精度等级通常为1.5级左右。 双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。 双金属温度计第81页/共116页第八十一页，共116页。

41、824热阻式测温方法(fngf) 4.1铂电阻(dinz)测温 4.2铜电阻(dinz)和热敏电阻(dinz)测温第82页/共116页第八十二页，共116页。83 基于( jy)热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。 用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。 热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。 热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太

42、高。第83页/共116页第八十三页，共116页。84铂电阻测温概述铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻温度(wnd)关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。 当 时 当时 2000t 0850t 2301100R tRAtBtCtt 201R tRAtBt第84页/共116页第八十四页，共116页。85铜电阻(dinz)和热敏电阻(dinz)测温铜电阻 铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/

43、2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250以上(yshng)温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00）一般其工作温度范围为-40120。其电阻值与温度的关系为： 当时50150t 2301R tRAtBtCt第85页/共116页第八十五页，共116页。86铜电阻(dinz)第86页/共116页第八十六页，共116页。87半导体热敏电阻(r mn din z) 热敏电阻的优点： 灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级； 很好地与各种( zhn)电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响； 体积小； 热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；

44、结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动。第87页/共116页第八十七页，共116页。88 热敏电阻的主要缺点(qudin)： 阻值与温度的关系非线性严重； 元件的一致性差，互换性差； 元件易老化，稳定性较差； 除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。第88页/共116页第八十八页，共116页。89 热敏电阻(r mn din z)图示：第89页/共116页第八十九页，共116页。905热电式测温方法(fngf)5.1热电偶测温5.2集成(j chn)温度传感器AD590第90页/共116页第九十页，共116页。91热电偶测温原理(yunl) 热电偶的测温原理基

45、于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先(shuxin)发现提出，故又称塞贝克效应（如图所示）。第91页/共116页第九十一页，共116页。92 热电偶闭合回路(hul)中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。 热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。第92页/共116页第九十二页，共116页。93

46、 热电偶两热电极分别叫 A（为正极）和B（为负极），两端(lin dun)温度分别为 ，且 ；则热电偶回路总电势为： 0TT、0TT 0000ABABABABETTETETETTETT，第93页/共116页第九十三页，共116页。94 工业用热电偶测温范围(fnwi)第94页/共116页第九十四页，共116页。95集成(j chn)温度传感器AD590利用晶体管P-N结其正向压降随温度升高而降低的特性，可把晶体管P-N结作为-50150范围的感温元件用。随着微电子技术的发展，美国AD公司于70年代末率先推出体积仅同一只小功率高频(o pn)晶体管大小的集成化半导体温度传感器AD590。半导体A

47、D590第95页/共116页第九十五页，共116页。966 辐射(fsh)法测温 6.1辐射(fsh)测温的基本原理 6.2光谱辐射(fsh)温度计 6.3比色高温计 6.4红外测温 6.5 红外成像测温仪第96页/共116页第九十六页，共116页。97 任何物体(wt)，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体(wt)内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体(wt)本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。 而把能对被测物体(wt)热辐射能量进行检测，进而确定被测物体(wt)温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体(wt

48、)或被测介质直接接触。第97页/共116页第九十七页，共116页。98辐射(fsh)测温的基本原理 辐射式温度计的感温元件通常工作在属于(shy)可见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.340m。 相关概念： 绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量 选择吸收体：对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有关外，还与波长有关 灰体：吸收(或辐射)本领与波长无关第98页/共116页第九十八页，共116页。99 辐 射 测 温 的 物 理 基 础 是 普 朗 克 ( P t a n c k ) 热 辐 射 定 律 和 斯 蒂 潘 一 玻 耳 兹 曼(Stef

49、an Boltzmann)定律。绝对( judu)黑体的光谱辐射亮度L(，T)与其波长、热力学温度T的关系由普朗克定律确定： 21/51CTCLTe ，第99页/共116页第九十九页，共116页。100 不同温度下的辐射出射度曲线，其曲线峰值点的波长 m和温度T均满足维恩位移定律(dngl)。 实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系满足斯蒂藩一玻耳兹曼定律(dngl)：40)(TTM第100页/共116页第一百页，共116页。101光谱(gungp)辐射温度计 依据物体光谱(gungp)辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。 目前国内外使用的光谱(gungp)辐射温度计都是根据被测物体的光谱(gungp)辐射亮度来确定物体的温度。第101页/共116页第一百零一页，共116页。102比色高温计 比色温度(wnd)定义为：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(wnd)就称为这个被测辐射体的比色温度(wnd)。 绝对黑体，对应于波长1与2的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示： 2010LLR5