材料加工测试技术-04-基本参量测量课件.ppt

《材料加工测试技术-04-基本参量测量课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料加工测试技术-04-基本参量测量课件.ppt（87页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、材料加工测试技术材料加工测试技术 张占领张占领河南科技大学材料学院河南科技大学材料学院 主要讲温度的测量；介绍流体压力的测量、主要讲温度的测量；介绍流体压力的测量、流体流量的测量。流体流量的测量。第四章第四章 基本参量的测量基本参量的测量4.1.1 4.1.1 温度和温标温度和温标1）温度：度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，本质是物体）温度：度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，本质是物体内部微粒无规则运动的平均动能。内部微粒无规则运动的平均动能。不能直接测量，属于特殊量不能直接测量，属于特殊量。七个基本物理量：七个基本物理量：长度长度m；质量；质量kg；时间；时间s；电流；电流A；热力学

2、温；热力学温度度K；物质的量；物质的量mol；发光强度；发光强度cd（坎德拉，一光源在给定方向上（坎德拉，一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为的发光强度，该光源发出频率为0.5401012Hz的单色辐射，且在此的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。瓦特每球面度。0.5401012Hz辐射波长辐射波长约为约为555nm，是人眼感觉最灵敏的波长。），是人眼感觉最灵敏的波长。）2）温标：衡量温度高低的标尺，用某些物质的相平衡温度定义。）温标：衡量温度高低的标尺，用某些物质的相平衡温度定义。一、经验温标：摄氏一、经验温标：摄氏0-100，华氏，华氏32

3、-212，列示，列示0R-80R。二、热力学温标：二、热力学温标：273.16 K对应对应0三、国际温标：代号三、国际温标：代号T90，单位，单位K，与摄氏温标值基本一致，少用，与摄氏温标值基本一致，少用4.1 4.1 温度的测量温度的测量3）温标的传递）温标的传递 计量体系，计量局计量体系，计量局4）测温方法和分类）测温方法和分类 接触式：传导、对流；接触式：传导、对流；非接触式：热辐射。动态响应快，特殊场合，范围宽；中间介非接触式：热辐射。动态响应快，特殊场合，范围宽；中间介质影响，需要修正。质影响，需要修正。4.1.1 4.1.1 温度和温标温度和温标4.1.2 4.1.2 接触法测温接

4、触法测温 常用的测温方法、测温范围，常用的测温方法、测温范围，表表4-1一、利用体积变化：温度转换成非电量，简单、方便，人工测温。一、利用体积变化：温度转换成非电量，简单、方便，人工测温。二、温度变化转换成电量：电阻、电压、热电势，应用广泛。二、温度变化转换成电量：电阻、电压、热电势，应用广泛。1 1）热电阻测温）热电阻测温（1）金属热电阻测温：）金属热电阻测温：常用的铂、铜、镍，以及低温测量通用的常用的铂、铜、镍，以及低温测量通用的铑铁、铂钴，测温原理、特性及温度范围见第三章。铑铁、铂钴，测温原理、特性及温度范围见第三章。表表4-1.一、按准确度等级分类一、按准确度等级分类 铂标准化热电偶（

5、低于铂标准化热电偶（低于961.75），工业用标准化热电偶），工业用标准化热电偶 铂热电阻误差：铂热电阻误差：A级级(0.15+0.002 t)；B级级(0.3+0.005 t)铜热电阻误差：铜热电阻误差：(0.3+6 10-3t)二、按结构分类二、按结构分类 线绕型：有线绕型：有2-4根引出线根引出线 铠装型：封装在不锈钢管内铠装型：封装在不锈钢管内 薄膜型：铂膜，依附在基极上，测表面温度薄膜型：铂膜，依附在基极上，测表面温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度主要参数：主要参数：一、百度电阻比：

6、百度电阻比一、百度电阻比：百度电阻比 二、温度系数：二、温度系数：三、初始电阻三、初始电阻 0时的电阻时的电阻R0.分度号：与初始电阻阻值相应的阻值与温度关系的分度表。分度号：与初始电阻阻值相应的阻值与温度关系的分度表。Cu53（R0=53），），Pt100（R0=100）四、测量电流：最大值四、测量电流：最大值6mA。五、时间常数五、时间常数 反映热电阻阻值随温度变化的惯性，与电阻的体积、保护套管、反映热电阻阻值随温度变化的惯性，与电阻的体积、保护套管、被测对象对热电阻的传热情况等有关。通常工业用热电阻的时间被测对象对热电阻的传热情况等有关。通常工业用热电阻的时间常数达几分钟，铂热电阻的有几

7、十秒，铠装铂热电阻的有常数达几分钟，铂热电阻的有几十秒，铠装铂热电阻的有3-15秒。秒。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（2）半导体热敏电阻测温）半导体热敏电阻测温 NTC负温度系数，负温度系数，PTC正温度系数，正温度系数，CTR开关型开关型一、结构形式：片状，杆状，线状，珠状，薄膜状一、结构形式：片状，杆状，线状，珠状，薄膜状二、主要参数：由工艺决定的常数二、主要参数：由工艺决定的常数Bn(p25)，材料常数，材料常数Bp(p26)，温度系数温度系数 (NTC热敏电阻温度系数热敏电阻温度系数 n，PTC温度系数温度系数 p(p26)标称电阻标称电阻R25：25时的热敏电阻阻值时

8、的热敏电阻阻值 时间常数时间常数：反映热敏电阻随温度变化的热惯性，与比热：反映热敏电阻随温度变化的热惯性，与比热C、耗、耗散系数散系数H有关。有关。耗散系数耗散系数H：热敏电阻温度变化：热敏电阻温度变化1所耗散的功率，所耗散的功率，W/。转变点温度转变点温度Tc：PTC、CTR曲线上的拐点温度。曲线上的拐点温度。三、测温误差三、测温误差基本误差：与热电阻材料的纯度、成分、工艺、结构等有关。基本误差：与热电阻材料的纯度、成分、工艺、结构等有关。附加误差：测量电流使热电阻升温；引线电阻随温度变化附加误差：测量电流使热电阻升温；引线电阻随温度变化(要求小要求小于于Cu电阻电阻R0的的0.2%，小于，

9、小于Pt电阻电阻R0的的0.12%)。用三线制，四线制。用三线制，四线制。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度2 2）PN结电压测温结电压测温（1）原理和特性）原理和特性 电流通过电流通过PN结时的正向压降结时的正向压降UD与温度与温度T的关系：的关系：J：正向电流密度；：正向电流密度；Js：PN结反向饱和电流密度；结反向饱和电流密度；k：波尔兹曼常：波尔兹曼常数；数；q：电子电荷。：电子电荷。(4-3)：Js一定时，保持一定时，保持J不变，则不变，则 ，即，即UD与与T呈线性关系。呈线性关系。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（2）类型）类型一、单晶体管温度传感器一、单晶体

10、管温度传感器 利用三极管基极利用三极管基极b和射极和射极e间间PN结电压结电压Ube和温度和温度T的关系来测温。的关系来测温。（4-5）C为常数为常数p117 特点：特点：结构简单，成本低，功耗小，响应快；灵敏度不稳定，结构简单，成本低，功耗小，响应快；灵敏度不稳定，失调电压失调电压大大(为使运算放大器输出端为为使运算放大器输出端为0V或接近或接近0V所需加于两输所需加于两输入端间的补偿电压入端间的补偿电压)，互换性差，稳定性不佳。，互换性差，稳定性不佳。二、集成温度传感器二、集成温度传感器 感受温度的晶体管、放大电路、电源、线性化电路等制作在同感受温度的晶体管、放大电路、电源、线性化电路等制

11、作在同一芯片上。一芯片上。特点：特点：灵敏度高，灵敏度与偏置电流无关，抗干扰；但成本高。灵敏度高，灵敏度与偏置电流无关，抗干扰；但成本高。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度3）热电偶测温）热电偶测温 利用利用“热电偶的热电势热电偶的热电势”与与“两结点的温度两结点的温度”之间的关系来测温。之间的关系来测温。特点：特点：一、测温精度高，测温范围宽（一、测温精度高，测温范围宽（4 3000K）；）；二、热电势二、热电势-温度特性稳定，复现性好；温度特性稳定，复现性好；三、质量小，热容量小，时间常数小，动态响应速度快；三、质量小，热容量小，时间常数小，动态响应速度快；四、结构简单、便于维修

12、；四、结构简单、便于维修；五、易于实现远距离温度测量和温度控制。五、易于实现远距离温度测量和温度控制。（1）热电偶材料）热电偶材料 任何两种材料的热电极都可以配成热电偶。但要满足热电性能任何两种材料的热电极都可以配成热电偶。但要满足热电性能好、测量灵敏度高、物理性质良好、物理化学性能稳定、测温范好、测量灵敏度高、物理性质良好、物理化学性能稳定、测温范围宽及机械加工性能好等条件，围宽及机械加工性能好等条件，很难很难。常用的材料有铜、铁、铂、铂铑合金和镍铬合金等。常用的材料有铜、铁、铂、铂铑合金和镍铬合金等。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（2）热电偶的类型）热电偶的类型一、标准化热电

13、偶一、标准化热电偶 生产工艺成熟，能成批生产，性能稳定，应用广泛，具有统一生产工艺成熟，能成批生产，性能稳定，应用广泛，具有统一的分度表，并已列入国际专业标难中的热电偶。的分度表，并已列入国际专业标难中的热电偶。国际电工委员会国际电工委员会(IEC)制定的热电偶标准包括热电偶的分度表、制定的热电偶标准包括热电偶的分度表、分度公式和热电势对其分度表的允许偏差。分度公式和热电势对其分度表的允许偏差。8种标准热电偶的型号标志：种标准热电偶的型号标志：S、R、B、K、N、E、J、T。又称又称字母标志热电偶字母标志热电偶。热电偶分级和允许偏差：热电偶分级和允许偏差：表表4-2 标难化热电偶的主要性能特点

14、：表标难化热电偶的主要性能特点：表4-3，p118。二、非标准化热电偶二、非标准化热电偶 为了测量更高的温度，或为了改善稳定性等要求，人们不断地为了测量更高的温度，或为了改善稳定性等要求，人们不断地研制新型热电偶。未标准化的热电偶及其主要特点见表研制新型热电偶。未标准化的热电偶及其主要特点见表4-4，p120.4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（3）热电偶的结构形式）热电偶的结构形式 根据自身结构分：装配式、铠装式、消耗式、薄膜式等；根据自身结构分：装配式、铠装式、消耗式、薄膜式等；根据用途分：表面式，快速式，多点式，测量气体用热电偶等。根

15、据用途分：表面式，快速式，多点式，测量气体用热电偶等。一、装配式热电偶：又称普通工业用热电偶。一、装配式热电偶：又称普通工业用热电偶。要求：两电极间电气绝缘，热电极不受有害物质侵蚀，热接触要求：两电极间电气绝缘，热电极不受有害物质侵蚀，热接触良好，便于安装。良好，便于安装。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度只要两个热电极有只要两个热电极有电气接触即可测量。电气接触即可测量。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度二、铠装式热电偶二、铠装式热电偶 由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成的一条电缆由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合加

16、工而成的一条电缆式的整体线材。式的整体线材。特点：特点：时间常数小，响应速度快；体积小，热容量小，能够较时间常数小，响应速度快；体积小，热容量小，能够较准确地测量小物体的温度；准确地测量小物体的温度；可绕性好，易弯曲，机械性能好，在可绕性好，易弯曲，机械性能好，在低温、高温、腐蚀性强等恶劣条件下均能安全使用；低温、高温、腐蚀性强等恶劣条件下均能安全使用；寿命长，若寿命长，若测量端损坏，可截去损坏部分，重新焊接后继续使用。测量端损坏，可截去损坏部分，重新焊接后继续使用。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度三、消耗式热电偶三、消耗式热电偶 微型快

17、速热电偶，用于测定熔融钢水、铁水和其他熔融金属温微型快速热电偶，用于测定熔融钢水、铁水和其他熔融金属温度的快速热电偶。特点：热电偶元件很小，热电极的长度仅为度的快速热电偶。特点：热电偶元件很小，热电极的长度仅为25 40mm，直径为，直径为0.05 0.1mm，装在外径为，装在外径为3mm的的U形石英管内。形石英管内。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度四、薄膜式热电偶四、薄膜式热电偶 测温元件是采用真空镀膜或化学涂覆等方式制成的厚测温元件是采用真空镀膜或化学涂覆等方式制成的厚0.01 0.1 m的薄膜。的薄膜。这种薄膜热电偶测温，对传热面热流与流体的影响小，响应速这种薄膜热电偶测温，

18、对传热面热流与流体的影响小，响应速度极快，时间常数为度极快，时间常数为s ms级。测温范围为级。测温范围为-200 300。有片。有片状、针状和薄膜状状、针状和薄膜状3种结构。种结构。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（4）热电偶的冷端温度补偿）热电偶的冷端温度补偿 热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表是以冷端温度为热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表是以冷端温度为0建立的热电势与温度的关系。实际使用中，冷端往往不是建立的热电势与温度的关系。实际使用中，冷端往往不是0,甚至不是定值。因此，必须采取修正或补偿措施。甚至不是定值。因此，必须采取修正或补偿措施。一、冷端恒温法一、冷

19、端恒温法 0恒温法：热电偶的冷端置于恒温法：热电偶的冷端置于 冰水混合物中。冰水混合物中。非非0恒温法：热电偶的冷端置于恒温法：热电偶的冷端置于热容量较大的恒温容器中。热容量较大的恒温容器中。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度二、冷端温度校正法二、冷端温度校正法 根据热电偶中间温度定则：根据热电偶中间温度定则：二次查表法：二次查表法：从分度表中查出从分度表中查出 ,与与 相加；相加；二次查分度表求得测量端温度二次查分度表求得测量端温度T.经验系数法：经验系数法：大部分热电偶的热电特性是非线性的，直接查表大部分热电偶的热电特性是非线性的，直接

20、查表修正温度有偏差。需用经验公式修正：修正温度有偏差。需用经验公式修正：T=Ts+K Tn，Tn：冷端温：冷端温度度；Ts：Tn下仪表指示温度。下仪表指示温度。补偿导线法：补偿导线法：当热电偶的冷端与热端距离较近时，冷端温度受当热电偶的冷端与热端距离较近时，冷端温度受热端影响而变化较大，需延伸热电极至恒温环境中。但热电极材热端影响而变化较大，需延伸热电极至恒温环境中。但热电极材料甚贵，需寻找在低温范围热电特性与热电偶相同而廉价的金属料甚贵，需寻找在低温范围热电特性与热电偶相同而廉价的金属来替代热电偶延伸热电极。此来替代热电偶延伸热电极。此“热电极对热电极对”叫热电偶的叫热电偶的补偿导线补偿导线

21、(补偿型补偿型C)。测量时还需对冷端温度进行修正。测量时还需对冷端温度进行修正。优点：优点：节约贵金属节约贵金属热电偶，降低成本；热电偶，降低成本；缺点：缺点：增加补偿误差。常用补偿导线增加补偿误差。常用补偿导线表表4-5注意：注意：补偿导线与热电偶匹配；连接时注意极性，切勿接反；接补偿导线与热电偶匹配；连接时注意极性，切勿接反；接点温度相同。点温度相同。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度三、自动补偿法三、自动补偿法 在热电偶测量回路中串入一个在热电偶测量回路中串入一个装置，它产生的电势随装置，它产生的电势随Tn的变化的变化正好为正好为 。

22、电桥补偿法：电桥补偿法：RT是温度系数较大的铜电阻是温度系数较大的铜电阻（通常设计，（通常设计，20时电桥平衡）时电桥平衡）补偿热电偶法：补偿热电偶法：正向串接和反响串接效果相同正向串接和反响串接效果相同（作业）（作业）4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度图图4-7 4-7 用补偿热电偶的测量线路用补偿热电偶的测量线路 半导体集成温度传感器补偿法：半导体集成温度传感器补偿法：AD590电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（5）热电偶测温电路）热电偶测温电路 热电偶测温的基本测温热电偶测温的基本测温电路组成：电路组成：热电偶、补偿导线、普通

23、热电偶、补偿导线、普通导线和直流电测仪表。导线和直流电测仪表。基本测温电路基本测温电路,(a)双表测量电路双表测量电路,(b)两个仪表显示同一温度，两个仪表显示同一温度，现场一个，控制室一个。现场一个，控制室一个。要求：要求：仪表内阻要大，仪表内阻要大，电路中电流近似为零。电路中电流近似为零。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度7 7多支热电偶共用一台显示多支热电偶共用一台显示仪表仪表,图图(c)通过切换开关轮流显示。通过切换开关轮流显示。共用冷端补偿。共用冷端补偿。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度具体应用：具体应用：一、串联测温电路一、串联测温电路图图4-10(a)将多支

24、型号相同热电偶依次按正将多支型号相同热电偶依次按正负极相连接。负极相连接。特点：特点：热电势大，准确度高，可热电势大，准确度高，可检测微小的温度变化。仪表需单独检测微小的温度变化。仪表需单独分度。分度。注意：注意：各热电偶应有一致的参考各热电偶应有一致的参考端温度。端温度。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度二、并联测温电路二、并联测温电路图图4-10(b)多支型号相同的热电偶正极与正极、负极与负极分别连接。多支型号相同的热电偶正极与正极、负极与负极分别连接。若各热电偶的电阻平均值相近，则输出总热电势等于热电偶的若各热电偶的电阻平均值相近，则输出总热电势等于热电偶的热电动势的平均值。热

25、电动势的平均值。特点：特点：热电势小，但相对误差热电势小，但相对误差也小，仅为单支热电偶也小，仅为单支热电偶 ；当部分热电偶发生断路时，不影当部分热电偶发生断路时，不影响整个测量系统的工作；适用于响整个测量系统的工作；适用于测平均温度。测平均温度。注意：注意：温度差别较大时，每支温度差别较大时，每支热电偶回路需加限流电阻，以防热电偶回路需加限流电阻，以防热电偶间互相短路。热电偶间互相短路。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度三、温差测量电路三、温差测量电路图图4-10(c)将两支同型号的热电偶反向串联：把两支热电偶的两个同极连将两支同型号的热电偶反向串联：把两支热电偶的两个同极连接在一

26、起，另两个同极接测量仪表。接在一起，另两个同极接测量仪表。注意：注意：大部分热电偶的热电势与温度之间不是大部分热电偶的热电势与温度之间不是线性关系，因此线性关系，因此E不直接反映温差，若想求得温不直接反映温差，若想求得温差，还需用第三支热电偶测量出差，还需用第三支热电偶测量出T1或或T2。应用：应用：常用于差热分析技术中测量物质的相变常用于差热分析技术中测量物质的相变温度。温度。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度（6）热电偶的测量误差）热电偶的测量误差 误差来源：热电偶、补偿导线、冷端处理装置、测量仪表等。误差来源：热电偶、补偿导线、冷端处理装置、测量仪表等。一、热电偶测温系统的主要

27、误差一、热电偶测温系统的主要误差 分度误差：热电偶实际热电特性与标准分度表之间的偏差分度误差：热电偶实际热电特性与标准分度表之间的偏差 F.附加误差：使用环境影响造成的误差附加误差：使用环境影响造成的误差 A如沾污使热电势变如沾污使热电势变化，氧化还原使稳定性变差，高温、放射使材料挥发、元素蜕变，化，氧化还原使稳定性变差，高温、放射使材料挥发、元素蜕变，材料绝缘性能下降造成漏电、分流热电势的输出等。材料绝缘性能下降造成漏电、分流热电势的输出等。冷端温度补偿误差：补偿导线的热电特性和测量热电偶的不冷端温度补偿误差：补偿导线的热电特性和测量热电偶的不完全一致，产生补偿导线误差完全一致，产生补偿导线

28、误差 T；自动补偿法中的各种补偿装置；自动补偿法中的各种补偿装置产生的补偿电势与热电偶的冷端温度变化值之间偏差产生的补偿电势与热电偶的冷端温度变化值之间偏差 C。测量仪表误差：各种测量仪表精度等级不同，误差测量仪表误差：各种测量仪表精度等级不同，误差 D 接线误差：热电偶接入测量仪表后就有电流输出，引线电阻接线误差：热电偶接入测量仪表后就有电流输出，引线电阻Re的压降使仪表的测出值存在着误差的压降使仪表的测出值存在着误差 L二、热电偶测温系统的误差估计二、热电偶测温系统的误差估计 系统误差：系统误差：4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度三、热电偶的动态误差及时间常数三、热电偶的动态误差

29、及时间常数 热电偶测量端的热惯性以及与被测物体间的传热速率有限，导热电偶测量端的热惯性以及与被测物体间的传热速率有限，导致热电偶工作端与被测物体达到同一温度的时间不一致；温度变致热电偶工作端与被测物体达到同一温度的时间不一致；温度变化快时，测出值跟不上被测物体的温度变化。这种误差称为化快时，测出值跟不上被测物体的温度变化。这种误差称为动态动态测量误差测量误差。动态误差动态误差 (T为测得温度为测得温度)取决于热电偶的时间常数取决于热电偶的时间常数和测量端温度随时间的变化率和测量端温度随时间的变化率dT/dt：(4-9)时间常数时间常数：反映测温敏感元件传热特性的一个重要参数，其大：反映测温敏感

30、元件传热特性的一个重要参数，其大小影响测温元件的动态响应速度。小影响测温元件的动态响应速度。(4-10)式中：式中：c、V为热电偶测量端的比热、密度、体积；为热电偶测量端的比热、密度、体积；、A0为对为对流换热系数和表面积。流换热系数和表面积。减小热电偶时间常数的措施：减小热电偶时间常数的措施：减小测量端接点的体积，增强传减小测量端接点的体积，增强传热：热：c、V、A0；减小套管的壁厚、内径，增大导热，；减小套管的壁厚、内径，增大导热，减小空气间隙。减小空气间隙。4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度4.1.2 4.1.2 接触法温度接触法温度 辐射测温原理：辐射测温原理：处于绝对温度处

31、于绝对温度0K以上的物体都对外辐射电磁波。以上的物体都对外辐射电磁波。物体的热辐射能量物体的热辐射能量Q、辐射波长、辐射波长与其温度与其温度T有关。有关。1）辐射测温的物理基础）辐射测温的物理基础一、基尔霍夫定律一、基尔霍夫定律 基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：任何物体的辐射能力与其吸收率之比是一个波任何物体的辐射能力与其吸收率之比是一个波长和温度的普适函数。（长和温度的普适函数。（4-11）基尔霍夫定律的积分形式：基尔霍夫定律的积分形式：(4-15)T：全发射率：全发射率(比辐射率比辐射率,黑度黑度,黑度系数黑度系数)；A(T)：全吸收率。：全吸收率。单色辐射：单色辐射：（4-16）4.1.3

32、4.1.3 辐射测温辐射测温二、黑体辐射定律二、黑体辐射定律 普朗克定律、斯蒂芬普朗克定律、斯蒂芬-玻耳兹曼定律和位移定律。玻耳兹曼定律和位移定律。普朗克定律：普朗克定律：在半球面方向所有辐射：在半球面方向所有辐射：(4-17)h为普朗克数，为普朗克数，6.626176 10-3JsT较小时，较小时，（4-18）维恩位移定律：维恩位移定律：随温度升高，发射能量最大的那个波长的长度随温度升高，发射能量最大的那个波长的长度向短的方向移动。对式向短的方向移动。对式(4-17)求导：求导：令令 ，得，得 （4-19）-200 3000：主要范围主要范围0.75 40m。在红外辐射区，这是在红外辐射区，

33、这是红外技术红外技术用于测温的重要原因。用于测温的重要原因。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温 斯蒂芬斯蒂芬玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律(全辐射定律、四次方定律全辐射定律、四次方定律)绝对黑体：绝对黑体每单位面积向半球方向发射的全部波长的绝对黑体：绝对黑体每单位面积向半球方向发射的全部波长的辐射与辐射与T的四次方成正比。的四次方成正比。（4-20）斯蒂芬斯蒂芬-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数=5.669710-8W/(m2K4)灰体：灰体：（4-21）2）辐射式测温方法和温度计）辐射式测温方法和温度计 按检测被测物体所辐射的能量不同分成：按检测被测物体所辐射的能量不同分成：全辐射测温法全辐射测温法

34、接收全部波长辐射的能量；接收全部波长辐射的能量；亮度测温法亮度测温法仅接收其中某一波长辐射的能量；仅接收其中某一波长辐射的能量；比色测温法比色测温法检测其中某两个波长所辐射能量之比。检测其中某两个波长所辐射能量之比。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温图图4-12 4-12 辐射式温度计的基本结构辐射式温度计的基本结构（1）全辐射法）全辐射法一、工作原理一、工作原理 将一个黑体将一个黑体(工业黑体模型工业黑体模型)加热至加热至TF，使其产生的辐射，使其产生的辐射M0(TF)与被测物体温度与被测物体温度T时的辐射时的辐射M(T)一样，则：一样，则：（4-22）关键：实现求得关键：实现求得T。

35、T越小，校正量越大。越小，校正量越大。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温二、全辐射高温计二、全辐射高温计 聚焦辐射能量的聚焦辐射能量的光学系统光学系统有透射式和反射式两种。有透射式和反射式两种。将辐射能量转换成电信号的将辐射能量转换成电信号的探测器探测器有热电偶有热电偶(或热电堆或热电堆)、热敏、热敏电阻和热释电元件。电阻和热释电元件。显示仪表显示仪表有自动平衡式、动圈式和数字式。有自动平衡式、动圈式和数字式。物镜物镜l 将被测温的辐射将被测温的辐射集中投射到热电堆集中投射到热电堆3 的测的测量端量端6 上，由此变换成热上，由此变换成热电势输出。电势输出。测温范围：测温范围：适合测量适合

36、测量700 1000，最低最低400。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温 特点：特点：结构简单，使用方便；输出是电信号，便于自动测温和结构简单，使用方便；输出是电信号，便于自动测温和控温应用，常用于生产过程中在线检测。控温应用，常用于生产过程中在线检测。注意：注意：测量距离，测量距离，中间介质的影响，中间介质的影响，环境温度的影响，环境温度的影响，全发射率全发射率T.应用：应用：箱式炉温度测量箱式炉温度测量 工件表面温度测量工件表面温度测量 高温盐浴炉温度测量高温盐浴炉温度测量4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温（2）亮度法）亮度法(单色辐射法单色辐射法)测温及光学高温计测温及光学高

37、温计一、工作原理一、工作原理 只接受被测体的某一波长辐射能，与黑体比对，据此来测温度只接受被测体的某一波长辐射能，与黑体比对，据此来测温度。（4-23）二、亮度高温计二、亮度高温计 根据亮度比较办法的不同分为：根据亮度比较办法的不同分为：灯丝隐灭式灯丝隐灭式光学高温计光学高温计4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温 恒定亮度恒定亮度光学高温计：灯丝电流恒定，亮度不变，吸收玻璃颜光学高温计：灯丝电流恒定，亮度不变，吸收玻璃颜色逐渐变深，吸收率随转动角度改变，调整玻璃角度，使被物镜色逐渐变深，吸收率随转动角度改变，调整玻璃角度，使被物镜引入的亮度与灯丝亮度一致，吸收玻璃的角度反映被测温度。引入的

38、亮度与灯丝亮度一致，吸收玻璃的角度反映被测温度。光电高温计光电高温计：将被测温的辐射能由检测变换器中的光敏元件变：将被测温的辐射能由检测变换器中的光敏元件变换成电信号，此电信号经放大后换成电信号，此电信号经放大后(直流或交流放大直流或交流放大)作温度显示作温度显示(直直接式接式)或作反馈信号完成平衡调节或作反馈信号完成平衡调节(平衡式平衡式)。(几百至两三千度几百至两三千度)4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温（3）比色法、比色温度）比色法、比色温度Ts及比色温度计及比色温度计一、原理：利用被测物两个波长一、原理：利用被测物两个波长1、2辐射能之比来反映温度。辐射能之比来反映温度。根据维恩

39、公式，两个特定波长根据维恩公式，两个特定波长1、2上的辐射之比上的辐射之比R：（4-24）当当1、2一定时，比值一定时，比值R是被测温度是被测温度T的函数。的函数。注意：注意：显示仪表的指示用绝对黑体标定。被测体非黑体时，仪显示仪表的指示用绝对黑体标定。被测体非黑体时，仪表指示的温度表指示的温度Ts并不是被测体的真实温度，而是说明此时被测体并不是被测体的真实温度，而是说明此时被测体在波长在波长1、2的单色辐射能量之比的单色辐射能量之比R和温度为和温度为Ts的绝对黑体在同样的绝对黑体在同样波长波长1、2的单色辐射能量之比值相等。的单色辐射能量之比值相等。Ts定义为被测物体的比色定义为被测物体的比

40、色温度。需修正：温度。需修正：（4-26）4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温二、比色高温计二、比色高温计 特点：特点：结构复杂，价格较贵，受结构复杂，价格较贵，受 变化及中间介质吸收影响变化及中间介质吸收影响小，温度校正量很小。小，温度校正量很小。工作原理：光线经分光镜工作原理：光线经分光镜3分成两路，多空盘分成两路，多空盘5 使两路光交替通使两路光交替通过，显示仪表过，显示仪表12 得到两路光辐射的得到两路光辐射的M1(1,T)和和M2(2,T)的比值的比值R，从而得到温度，从而得到温度T。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温3）三种测温法的比较）三种测温法的比较 辐射法：辐射法：

41、测量简单，响应速度快，相对灵敏度与被测温度辐测量简单，响应速度快，相对灵敏度与被测温度辐射波长射波长无关，受无关，受T和被测体与高温计之间的吸收介质影响较大，和被测体与高温计之间的吸收介质影响较大，测量距离小。测量距离小。亮度法：亮度法：相对灵敏度与被测温度和所选定的波长相对灵敏度与被测温度和所选定的波长成反比，成反比，相对误差与相对误差与、TL成正比，受成正比，受 影响小，误差中等。影响小，误差中等。比色法：比色法：相对灵敏度与被测温度相对灵敏度与被测温度T成反比，与成反比，与1、2的倒数之的倒数之差成正比，误差受差成正比，误差受影响小，且受被测物与仪表之间的中间介质影响小，且受被测物与仪表

42、之间的中间介质波动影响亦小。波动影响亦小。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温4）红外辐射测温）红外辐射测温 以往限于技术条件，测温范围限于以往限于技术条件，测温范围限于700以上。以上。由于透光材料通常对波长较长的红外光有吸收，因此红外测温由于透光材料通常对波长较长的红外光有吸收，因此红外测温技术较多采用反射系统。技术较多采用反射系统。大气对波长大气对波长1.8 2.8m、3.0 5.5m、8 14m三个波段具有良三个波段具有良好的透射率好的透射率(俗称俗称3个个“大气窗口大气窗口”)，而这三个波段正好处于红外，而这三个波段正好处于红外波段内，这对红外测温的应用十分有利。波段内，这对红外

43、测温的应用十分有利。4.1.3 4.1.3 辐射测温辐射测温 流体形状随容器变化，在外力作用下内部发生相对运动。在材流体形状随容器变化，在外力作用下内部发生相对运动。在材料科学与工程的生产过程与科学实验中，经常需要检测流体的压料科学与工程的生产过程与科学实验中，经常需要检测流体的压力、流速和流量等主要参数。特别是流体压力的测量与控制。力、流速和流量等主要参数。特别是流体压力的测量与控制。4.2.1 流体压力和压力测量单位流体压力和压力测量单位1）压力的概念）压力的概念 工程技术中流体压力的概念在物理学中定义为压强。工程技术中流体压力的概念在物理学中定义为压强。2）压力的表示方法）压力的表示方法

44、一、绝对压力一、绝对压力 以绝对零压为参考零点表示的压力，通常用符号以绝对零压为参考零点表示的压力，通常用符号p表示。表示。二、表压力二、表压力 以当前大气压力以当前大气压力p0为参考零点表示的压力，通常用符号为参考零点表示的压力，通常用符号pe表示。表示。材料工程测试技术领域中，除特别指出外，均使用表压力材料工程测试技术领域中，除特别指出外，均使用表压力pe。pe0时，称之为时，称之为正压正压；pe0时，称之为时，称之为负压负压。常用常用真空度真空度pv表示负压的大小：表示负压的大小：4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量3）压力的测量单位）压力的测量单位 国际单位：帕，国际单位：帕，

45、1 Pal N/m2 各种压力单位之间的换算关系：各种压力单位之间的换算关系：4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量4.2.2 常见的压力测量方法与压力表的分类常见的压力测量方法与压力表的分类 压力测量可以转变为作用在已知面积上力的测量。压力测量的压力测量可以转变为作用在已知面积上力的测量。压力测量的范围很宽，场合各异，测量方法丰富、测量仪表种类繁多。范围很宽，场合各异，测量方法丰富、测量仪表种类繁多。1）按测量范围分类）按测量范围分类 压力表压力表 超高压超高压6108Pa；高压；高压1076108Pa；低压；低压105107Pa；微压；微压0105Pa 真空压力表真空压力表 粗真空粗

46、真空103105Pa；低真空；低真空10-1103Pa；高真空；高真空10-610-1Pa；超；超高真空高真空10-1010-6Pa；极高真空；极高真空10-10Pa。2）按应用场合分类）按应用场合分类 工业用，实验室用，压力标准传递的标准压力计。工业用，实验室用，压力标准传递的标准压力计。4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量3）按测压方法和仪表工作原理分类）按测压方法和仪表工作原理分类（1）液柱平衡式：液柱产生的压力）液柱平衡式：液柱产生的压力(液柱式液柱式)或液柱传递的压力或液柱传递的压力(活塞式活塞式)与被测压力平衡。与被测压力平衡。（2）机械力平衡式：被测压力通过膜片等弹性元件

47、集中成作用力，）机械力平衡式：被测压力通过膜片等弹性元件集中成作用力，与仪表提供的气动力或电磁力产生的机械力达到平衡，此时产生与仪表提供的气动力或电磁力产生的机械力达到平衡，此时产生电磁力的电流大小，或产生气动力的气压大小反映被测压力。电磁力的电流大小，或产生气动力的气压大小反映被测压力。（3）弹性力平衡式：弹性元件）弹性力平衡式：弹性元件(弹簧管、膜片、膜盒等弹簧管、膜片、膜盒等)在被测压在被测压力作用下发生变形，产生的弹性力与被测压力平衡。弹性元件的力作用下发生变形，产生的弹性力与被测压力平衡。弹性元件的变形量反映被测压力。变形量反映被测压力。一、机械弹性式压力计：将弹性元件的变形量通过齿

48、轮、杠杆一、机械弹性式压力计：将弹性元件的变形量通过齿轮、杠杆等传动机构放大后测量。等传动机构放大后测量。二、电测式压力计：将弹性元件的变形量转换为电量后测量。二、电测式压力计：将弹性元件的变形量转换为电量后测量。常用变换方法：电阻式常用变换方法：电阻式(应变式与电位器式应变式与电位器式)，电感式，电容式，电感式，电容式，电磁式，霍尔式，压电式。电磁式，霍尔式，压电式。4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量（4）用于真空测量的热导式真空计与电离式真空计）用于真空测量的热导式真空计与电离式真空计 热导式真空计：气体压力降低，其导热性能变差。热导式真空计：气体压力降低，其导热性能变差。电离式

49、真空计：稀薄气体被电离时产生的离子数量与气体压力电离式真空计：稀薄气体被电离时产生的离子数量与气体压力有关。有关。（5）用于超高压）用于超高压(6108Pa)测量的压阻式压力计测量的压阻式压力计 利用金属或合金的压阻效应，将被测压力变换成相应的电阻值。利用金属或合金的压阻效应，将被测压力变换成相应的电阻值。4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量4.2.3 常用的压力测量仪表常用的压力测量仪表1）液柱式压力计）液柱式压力计 U形管压力计；单管压力计；倾斜管微压计：形管压力计；单管压力计；倾斜管微压计：影响因素：影响因素：环境温度，重力加速度的变化。环境温度，重力加速度的变化。特点：特点：结

50、构简单，直观，测量范围较窄，耐压能力差，毛细作结构简单，直观，测量范围较窄，耐压能力差，毛细作用有影响。用有影响。4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量2）活塞式压力计）活塞式压力计 影响因素：影响因素：重力加速度变化，摩擦力，粘滞力。重力加速度变化，摩擦力，粘滞力。特点：特点：计量范围广，结构简单，稳定可靠，准确度高，重复性计量范围广，结构简单，稳定可靠，准确度高，重复性好，可测量正压、负压及绝对压力。好，可测量正压、负压及绝对压力。应用：应用：用作压力基准器。精密测压，仪表准确度可达用作压力基准器。精密测压，仪表准确度可达0.02级。级。4.2 4.2 流体压力的测量流体压力的测量3