第一节传感器的静特性-64非接触式测温重点.doc

• 讦测珮丨 ，主耍应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等II业生产过程 中•任何物体处J;绝对零度以上时，都会以一定波长电磁 波的形式向外辐射能讹辐射式测温仪表就是利川物体 的辐射能谥随其温度而变化的原理制成的•测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体， 而不必9物体接触，内此可以测址运动物体的温度并不 会破坏物体的温度场此外，由丁•感温元件只接收辐射 能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没 有上限，可以测最高温•卄接触测温仪表分处 光学高温计.辐射式温度计•辐射换热是三种基木的热交换形式Z—波长范I @: 103m〜10_8m•在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是 红外线挺若温度的升禹，辐射施址急剧単 加,辐射向短波方向移动,生500°C左专 时辐射光谱包括了部分可见光;到800°C时可 见光大大增加,即呈现“红热如果到3000°C 时，辐射光谱包括更多的短波成分,使得物体 呈现“百热”•辐射测血的基木原理：观察灼热物体农血的“颜 色”來大致判断物体的温度•为物体接受到辐射能竝以际，根据物体木口的性质，会 发生部分能量吸收、透射和反射Q-辐射能单位为焦耳(J)a 一吸收率： T 一透射率； P 一反射率。

•黑体(绝对黑体):照射到物体I：的辐射能全部被吸收，既无反射也无•透明体：照鮎到物体I：的辐射能全部透射过去，既无吸收乂 无反射•镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去若物体农现 平整光滑，反射貝倚一左规律，则该物体称Z为 “镜也'I若反诸无一定规律，则该物体称为“绝对 白命'或者简称为“白体•在n然界中黑体、白体和透明体都是不存在 的•般固体和液体的丫值很小或等于冬，而 气体的T值较大对于•般工程材料來讲，T =0而a + P=l,称为灰体•从传热学角度看，可以人为制造黑体(a)有小孔的空腔(b)工业黑淖模型① 44JQ以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为 辐射能，单位为焦耳(J)② 仁射能迪L是辐射能随时间的变化率,乂称辐射率:

辐射亮度 实你匕包括所仃波氏的辐射能疑如果是辐对光谱中杲 一波氏的辐射能W：则称为在此波反下的光谱辐射亮度•备物体的辐射出射度和吸收率的比值都和同，和物体的 性质无关，是物体的温度和发射波长的函数MQ.T) _ M",T) _ M吐九门 a0(A,T)务(入门 a2(29T)式中：Mo( X ,T), Mt( X ,T), M2(X ,T)-物体的单色(入)辐射出射度; a入,T), a *入,T), a /入，T)-物体的单色(入)吸收率•若物体A°绝对黑体，那么a ()( X ,T),根据基氏疋律==・.. = Af0(x,T)Af,(z,n A/2(X.D务(入 T) a2(z,T)物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下, 相同波长时的辐射出射度这是基氏定律的另一种说法设mc,t)为物体a在波长为入，温度为t下的辐射出射度式中，£称为物体A的单色辐射率，或称为单色黑度系数 它表明了在一定的温度和波长下，物体A的辐射出射度与 相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射 出射度在全波长内的积分M(T)= ( M(2.Tk/x = £ T(A,7)= A(T)£ A/n(^D

基氏定律的积分形式为M(T)MQ)=A(T) = cT它表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下 黑体的辐射出射度之比一般物体的e T<1, £ 丁越接近1，表明它与黑体的辐射能力越接近① 普朗克定律(单色辐射强度定律)② 维恩公式③ 斯蒂芬一波尔兹曼定律(金辐射强度定律，也称为四次方定律)a普朗克定律(单色辐射强度定律)温度为T的单位面枳元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的 波长为的辎射出射度为he C2A/0(z,D = 2^c2Zs(e^ -1)_, = C/"2茹一 1尸式中，c—光速；h-普朗克常数,6.626176X 10 ^Js；k-波尔兹曼常数，1.38066244 X1(Ej/k；G—第一辐射常数，=3・7418Xl(H6w・m2；C2—第二辐射常数，=1・4388XI(H2m・K； T 一绝对温度公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的②维恩公式•理论上说明了黑体在各种温度卜•能量波长分布的规律C,(入丁)= G才〉万公式简单，但是仅适用于不超过3000K的温度范围 黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时， 黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即Woa,T) = /(T)上式就是光学髙温计和比色高温计测温的理论根据③斯蒂芬一波尔兹曼定律•温度为T的绝对黑体，单位面积元在、卜球方向上所发射的 全部波长的辐射出射度打温度T的四次方成正比。

[ MQ・T)d入=j^C,A \e & 一 I)怙久式中，o—斯蒂芬一波尔兹曼常数，5.66961 X 103W/(m2-K4)o 上式就是辐射式温度计测温的理论根据全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果6.4.1热辐射基本定理6.4.2比学高温计6.4.3光电高温计6.4.4辐射温度计6.4.5比色温度计椿密光学髙温汁用于科学实验中的精密测试； 标笊光学岛温计用于量值的传递,例如，在物 质熔点、热容量和相变点的测定中使用光7高温讣可用来测虽：800〜3200°C的高温由采用川肉眼进行色度比较，所以测量误差 与人的经验有关光学高温计测量的温度称为亮度温度（TJ,被 测对象为非黑体时，要通过修疋才能得到非黑 体的真实温度•隐丝式利用调肖电阻来改变高温灯泡的工作电流,当 灯丝的亮度与被测物体的亮度•致时，灯泡的 亮度就代表了被测物体的亮度温度•恒定亮度式利用减光楔來改变被测物体的亮度，使它与W 定亮度温度的高温火丁泡411比较，当两者亮度相 等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体 的亮度温度由于隐丝式光学高温计的结构和 使用方法都优于恒定壳度式，所以应用广泛•光学系统红色滤波片，造成一个较窄的冇效波长吸收玻璃，目的是扩展量程目镜和物镜是一套光学系统•电测系统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部 分。

光学高温灯泡：标准辐射源电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路 原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电 桥和平衡电桥式四种WGG2-201型光学高温计I 一物镜：2—吸收玻璃：3—灯泡：4一红色滤波片:5—冃镜：6—指示仪器：7—滑线电阻；E—电源：K—开关；弘一刻线调密电阻为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实 温度偏低的偏差建义：当被测物体为非黑体，在同•波长下的光 谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等 I甘，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的 亮度温度左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度£l -9对上式两边取对数，并加以整理，得式中，£入T-被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数;T-被测物体的真实温度； 一被测物体的亮度温度已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实温度6.4.1热辐射基本定理6.4.2光学高温计6.4.3光电高温计644辐射温度计6.4.5比色温度计6.4.3光电高温计•光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差它不能 进行连续测量和记录，当被测温度低于800°C时, 光学高温计对亮度无法进行平衡。

•光电高泪il是在光学高温计测量理论的基础上发 展起来的一种新型测温仪表它采用新型的光电 器件，自动进行平衡，达到连续测量的H的① 采川光敏电阳或者•光电池作为感受辐射源的敏感尤件來 代替人眼的观察；② 采川•参考辐射源与被测物体进行虫度比较，市光敏元 件和电｝放人器组成鉴别和调幣环节，使参考辐射源点选 疋的波K范围内的壳度自动跟踪被测物体的辐射壳度，'“I 送到平衡时即可得到测量值;③ 在平衡式测量方式中，光敏尤件只起指零作用，它的特 性如冇变化，对测虽结果影响较小，参考辐射源选用们丝 灯泡，能保持较高的稳怎性，因此具有较高的粘度和连续 测量的特性：④ 设计了手动值修止环节，可显示物体的真实温度；⑤ 采用新型光敏元件，测最范围宽，约为200〜16000CWDL-31型光电高温计的工作原理1 一物镜；2—同步信号发生器；3—调制镜；4一微电机;5—反光镜；6—聚光镜；7—参比灯；8—探测元件•山物镜対0.5m〜8处被测物体调焦成像在分划板ho 通过II镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位1-调制镜：2-微电机；3-反光镜；J-nJ变光创；5—聚光镜组：6-参比灯；7.冃備组 *、9.保护10一物镜；11•入射光Mh 12•衰减玻璃：13—探测元件：14•滤光片；15•保护 光爾；16•分划板：17—透镜玻璃；M出射光阑：19.保护玻躋物镜将被测物体的辐射能吊••会聚.经过衰减玻璃及与物 镜光轴成45。

角的调制镜的反射，进入视场光阑孔中， 由探测元件接收3)参比光路参比灯辐射的能量经聚光灯组会聚后，通过可变光阑， 由反射镜反射，再穿过调制镜叶片的空间，进入视场 光阑孔中，经滤波片也山探测元件接收随电机高速转动的调制镜，対两路辆射通量作切换调 制，使其交替被探测元件接收在参比光路中的町变光阑用作黑度系数的手动修正ht程范ffl点400〜800°C及以下乞址程，采川硫化铅光敏电 阻作探测元件，并配介错滤光片光谱范困短限由诸滤光 片确定，长限曲光学玻璃材质的物镜确定，约在1.8〜2.7 峰值山探测元件确定，约为2.5最程范围600〜1000°C及以上各量程,采用硅光电池作探测 尤件，并配介HBX50有色玻璃滤光片光谱范用的短限也 由滤光片确定，t限和峰值山探测元件确定光谱范用约 在0.8〜1.1,峰值约为0.95,均在红外线波长范围内仪器的駅程范围用光学衰减的方式改变°各种斎程都保持参比灯匸作电流在某一固定范IH内变化. 即在量程上限时工作电流不超过250mA对丁-低温最程，将参比灯的辐射能駅衰减：对于拓温量程，则将被测辐射能星进行衰减探测元件为硫化铅光嫩电阻时，衰减玻璃选用GRB］隔热玻 璃。

探测元件为硅光电池时，采用LB&绿。