第07講幾種溫度傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)2輻射式溫度傳感器輻射式溫度傳感器 單色輻射高溫計單色輻射高溫計 比色高溫計比色高溫計 輻射測溫基本原理輻射測溫基本原理 全輻射高溫計全輻射高溫計 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)3輻射式溫度傳感器輻射式溫度傳感器 radiation temperature transducer/sensor 德國物理學(xué)家，量子力學(xué)的創(chuàng)始人，二十世紀(jì)最重要的物理學(xué)家之一，因發(fā)現(xiàn)能量量子而對物理學(xué)的進(jìn)展做出了重要貢獻(xiàn)，并在1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。 量子力學(xué)的發(fā)展被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)展，其重要性可以同愛因斯坦的相對論相媲美。馬克斯馬克

2、斯普朗克普朗克( 18581947)Max Karl Ernst Ludwig Planck傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4概述概述 l 輻射輻射(非接觸非接觸)式測溫方法：式測溫方法： 利用物體利用物體輻射能輻射能隨隨溫度溫度變化的性質(zhì)，通過測變化的性質(zhì)，通過測量物體的輻射能或與輻射能有關(guān)的信號來實現(xiàn)溫量物體的輻射能或與輻射能有關(guān)的信號來實現(xiàn)溫度測量。度測量。 用這種方法測溫時，感受件不需與被測介質(zhì)用這種方法測溫時，感受件不需與被測介質(zhì)相接觸。相接觸。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)5l 優(yōu)點：優(yōu)點： 1）感受件不需與被測介質(zhì)相接觸，儀表不會破）感受件不需與被測介質(zhì)相接觸，儀表不會破壞被測

3、介質(zhì)的溫度場；壞被測介質(zhì)的溫度場； 2）從理論上講儀表的測溫上限不受限制，可達(dá)）從理論上講儀表的測溫上限不受限制，可達(dá)2000 以上以上 ； 3）測溫過程中，儀表的滯后小，動態(tài)性能好，）測溫過程中，儀表的滯后小，動態(tài)性能好，反應(yīng)快；反應(yīng)快； 4）輸出信號大、靈敏度和準(zhǔn)確度高。）輸出信號大、靈敏度和準(zhǔn)確度高。 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)6l 通常用來測量高于通常用來測量高于700的溫度。的溫度。l 輻射式測溫儀表分類：輻射式測溫儀表分類： 普朗克定律普朗克定律 光學(xué)、光電、比色高溫計光學(xué)、光電、比色高溫計 和紅外測溫儀和紅外測溫儀 全輻射定律全輻射定律 全輻射高溫計全輻射高溫計傳感器與檢測

4、技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)7紅外熱圖紅外熱圖 張張XX 男男 53歲歲主訴：左側(cè)胸部偶爾疼痛，悶脹不適主訴：左側(cè)胸部偶爾疼痛，悶脹不適1年余。既往體年余。既往體健，胸部健，胸部X片、心電圖均未提示明顯異常。片、心電圖均未提示明顯異常。查體：胸背部無明顯壓痛。查體：胸背部無明顯壓痛。熱圖：紅外線檢查提示左側(cè)心前區(qū)低溫改變熱圖：紅外線檢查提示左側(cè)心前區(qū)低溫改變診斷：考慮心肌供血下降。診斷：考慮心肌供血下降。治療：予以星狀神經(jīng)節(jié)阻滯治療，自訴癥狀明顯好治療：予以星狀神經(jīng)節(jié)阻滯治療，自訴癥狀明顯好轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。復(fù)查熱圖：紅外熱圖提示雙側(cè)胸部溫度對稱改變復(fù)查熱圖：紅外熱圖提示雙側(cè)胸部溫度對稱改變傳感器與檢測技術(shù)傳感

5、器與檢測技術(shù)8l 輻射測溫過程：輻射測溫過程： 熱輻射源熱輻射源（被測介質(zhì)）（被測介質(zhì)） 傳輸通道傳輸通道（空氣、真空、光纖）（空氣、真空、光纖） 熱輻射接收和處理裝置熱輻射接收和處理裝置傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)9一、輻射測溫基本原理一、輻射測溫基本原理l 輻射熱輻射熱 thermal radiation： 任何物體的溫度高于絕對零度（任何物體的溫度高于絕對零度（0 K）時就有能量）時就有能量釋出，其中釋出，其中以熱能方式向外發(fā)射以熱能方式向外發(fā)射的那一部分電磁的那一部分電磁波稱為熱輻射。波稱為熱輻射。l 黑體黑體 能對落在它上面的輻射能量全部要吸收的物體。能對落在它上面的輻射能量全部

6、要吸收的物體。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)10l 全輻射體全輻射體熱輻射與溫度的關(guān)系熱輻射與溫度的關(guān)系 （1）普朗克定律）普朗克定律(1900年) ：全輻射體（黑體）全輻射體（黑體）的的光譜輻射出射強(qiáng)度光譜輻射出射強(qiáng)度E0(,T)與其與其波長波長和和溫度溫度T 的關(guān)系：的關(guān)系： 一種在任何溫度下對投射到其上的任何一種在任何溫度下對投射到其上的任何波長的熱輻射均能全部吸收的物體波長的熱輻射均能全部吸收的物體 單位表面積、單位時間單位表面積、單位時間內(nèi)所輻射的能量內(nèi)所輻射的能量 ) 1(),(2510TceCTE(2.5.1)此處教材上有錯！此處教材上有錯！P.49傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測

7、技術(shù)11普朗克函數(shù)曲線圖：普朗克函數(shù)曲線圖：傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)12 當(dāng)當(dāng) T 3000K 時，可用維恩公式代替，誤差時，可用維恩公式代替，誤差在在1%以內(nèi)。以內(nèi)。 維恩公式：維恩公式： TceCTE2510),( 單色輻射（光學(xué)、光電）高溫計單色輻射（光學(xué)、光電）高溫計 的理論依據(jù)的理論依據(jù)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)13全輻射體輻射定律（斯忒藩全輻射體輻射定律（斯忒藩- -波爾茲曼定律）波爾茲曼定律）000),()(dTETE25110(1)CTCed40T 全色輻射高溫計的理論依據(jù)全色輻射高溫計的理論依據(jù) 波長波長從從0 0之間的全部光譜輻射出射度的總和之間的全部光譜輻射

8、出射度的總和E0傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)14l 實際物體的熱輻射特性實際物體的熱輻射特性 0EE（同一（同一 T、下）下）（2）實際物體的發(fā)射率）實際物體的發(fā)射率：0EE（同一（同一 T 下）下）（1）實際物體在波長）實際物體在波長下的光譜發(fā)射率下的光譜發(fā)射率 ：傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)15n 實際物體的實際物體的隨波長隨波長而變化，但總小于而變化，但總小于1。 多數(shù)非金屬多數(shù)非金屬 ； 而多數(shù)金屬而多數(shù)金屬；n 若某物體的若某物體的不隨波長不隨波長而變化而變化灰體灰體傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)16二、單色輻射高溫計二、單色輻射高溫計1 1、測溫原理：、測溫原理： 物體在

9、高溫狀態(tài)下會發(fā)光，具有一定的亮度。物體在高溫狀態(tài)下會發(fā)光，具有一定的亮度。 物體在波長物體在波長下的亮度下的亮度L和它的光譜輻射出射和它的光譜輻射出射強(qiáng)度強(qiáng)度E成正比。成正比。)(512TCeCCCEL傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)172、燈絲隱滅式光學(xué)高溫計（亮度對比法）、燈絲隱滅式光學(xué)高溫計（亮度對比法）傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)181-物鏡物鏡(接受熱源接受熱源); 2-吸收玻璃吸收玻璃; 3-高溫計標(biāo)準(zhǔn)燈高溫計標(biāo)準(zhǔn)燈; 4-目鏡目鏡; 5-紅色濾光片紅色濾光片; 6-測量電表測量電表; 7-滑線電阻滑線電阻 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)19WGG2型光學(xué)高溫計型光學(xué)高溫計

10、傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)20測量范圍：測量范圍：700 2000 可用于冶可用于冶金、化工和機(jī)金、化工和機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)械等工業(yè)生產(chǎn)過程中，測量過程中，測量冶煉、燒鑄、冶煉、燒鑄、軋鋼、玻璃熔軋鋼、玻璃熔窖、鍛打、熱窖、鍛打、熱處理的溫度。處理的溫度。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)21n 全輻射體：全輻射體： )(51002sTCeCCCELn 實際物體：實際物體： )(512TCeCCCEL不同使得儀表無法統(tǒng)一分度；不同使得儀表無法統(tǒng)一分度；故故儀表按全輻射體亮度與溫度的關(guān)系式來分度儀表按全輻射體亮度與溫度的關(guān)系式來分度。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)223 3、亮度溫度、亮度溫度

11、）（）（sTLTL0 在波長為在波長為的單色輻射中，若的單色輻射中，若物體在溫度物體在溫度 T 時的時的亮度亮度 L和和全輻射體在溫度全輻射體在溫度 Ts 時的亮度時的亮度 L0相等，相等，則把則把 Ts 稱為被測物體在波長稱為被測物體在波長時的亮度溫度。時的亮度溫度。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)231ln112CTTS0 1，測到的亮度溫度總是低于物體真實溫度測到的亮度溫度總是低于物體真實溫度的，即的，即 Ts T；非金屬：；非金屬：T Tc cT） 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)33四、全輻射高溫計四、全輻射高溫計1 1、測溫原理：、測溫原理： 依據(jù)全輻射定律，依據(jù)全輻射定律，400

12、TE40TE或或因為光學(xué)系統(tǒng)和探測元件對光譜輻射的響應(yīng)有因為光學(xué)系統(tǒng)和探測元件對光譜輻射的響應(yīng)有選擇性，不可能完全接收全波長的輻射，因此選擇性，不可能完全接收全波長的輻射，因此全輻全輻射溫度計射溫度計也可稱為也可稱為寬帶輻射溫度計寬帶輻射溫度計。它是根據(jù)物體。它是根據(jù)物體的全波長輻射能與溫度之間的關(guān)系來測量溫度的。的全波長輻射能與溫度之間的關(guān)系來測量溫度的。被測物體向傳感器方向發(fā)射的輻射經(jīng)過透鏡聚被測物體向傳感器方向發(fā)射的輻射經(jīng)過透鏡聚焦到探測元件上，所產(chǎn)生的相應(yīng)信號可由測量儀表焦到探測元件上，所產(chǎn)生的相應(yīng)信號可由測量儀表顯示或記錄。顯示或記錄。 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)342、全輻射

13、高溫計的結(jié)構(gòu)、全輻射高溫計的結(jié)構(gòu) 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)35傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)36傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)37 若物體在溫度為 T 時的總輻射出射度與全輻射體在溫度為 Tp 時的總輻射出射度相等，則把 Tp稱為實際物體的輻射溫度。)()(0pTETE3 3、輻射溫度、輻射溫度傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)38n 被測物體實際溫度被測物體實際溫度T和輻射溫度和輻射溫度Tp之間的關(guān)系之間的關(guān)系 ：4pTT 0 1，測到的輻射溫度總是低于物體真測到的輻射溫度總是低于物體真實溫度的，即實溫度的，即 Tp T 。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)394 4、影響測量準(zhǔn)確度

14、的主要因素、影響測量準(zhǔn)確度的主要因素 ：（1 1）非全輻射體（）非全輻射體（）的影響。）的影響。（2 2）中間介質(zhì)的影響。）中間介質(zhì)的影響。（3 3）熱電堆冷端溫度的影響。）熱電堆冷端溫度的影響。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)40復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題 1、光學(xué)、輻射、比色高溫計的測溫原理（理論依據(jù)）？ 2、什么是亮度、輻射、比色溫度？與物體真實溫度的關(guān)系？ 3、各高溫計使用注意事項？傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)42 光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。 它是光纖和光通信

15、技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。 光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)43 因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強(qiáng)。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)44一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 光是一種電磁波，一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長而折射率變化緩慢的空間，可以用

16、“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此，采用幾何光學(xué)的方法來分析。 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)451、斯乃爾定理、斯乃爾定理（Snells Law）當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)( (折射率大折射率大) )入射至光疏物質(zhì)時發(fā)入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖生折射，如圖(a)(a)，其折射角大于入射角，即，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2時，時，r ri i。 n1n2ri(a)光的折射示意圖 可見，入射角可見，入射角i增大時，折射角增大時，折射角r也隨之增大，也隨之增大，且始終且始終ri。n1、n2、r、i之之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為間的數(shù)

17、學(xué)關(guān)系為 n1sini=n2sinr 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)46式中：式中：i0臨界角臨界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri(b)臨界狀態(tài)示意圖 當(dāng)當(dāng)r=90時，時，i仍仍90，此時，出射光線沿界，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。這時有），稱為臨界狀態(tài)。這時有傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)47當(dāng)當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時，并繼續(xù)增大時，r90，這時便發(fā)，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖生全反射現(xiàn)象，如圖(c) ，其出射光不再折射而全，其出射光不再折射而全部反射回來。部反射回來。n1n2ri(c)光全反射示意

18、圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)482、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)49分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。光纖呈圓柱形，它由玻璃須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯纖維芯( (纖芯纖芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包層包層) )兩個同心圓柱的雙兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。層結(jié)構(gòu)組成。 纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率纖心折射率n1比包層折射率比包層折射率n2稍大些兩層之間形稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個界面上反射

19、傳播。成良好的光學(xué)界面，光線在這個界面上反射傳播。 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)50傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)51功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)52功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳感器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)53傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)54傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)552 非功能性非功能性傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)56傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)57石英溫度傳感器石英溫度傳感器利用石英振子具有優(yōu)良的頻率穩(wěn)定性利用石英振子具有優(yōu)良的頻率穩(wěn)定性(10-10) 特特性制成的高精度晶振，已廣泛應(yīng)用于通信、檢測、性制

20、成的高精度晶振，已廣泛應(yīng)用于通信、檢測、控制儀器及微機(jī)等領(lǐng)域。石英振子根據(jù)需要可切割控制儀器及微機(jī)等領(lǐng)域。石英振子根據(jù)需要可切割成各種石英板。成各種石英板。主要切割形式有：主要切割形式有：AT、AC、RS、LC、Y等，等，其中，其中，AT切割都使用在相對溫度頻率誤差小的切切割都使用在相對溫度頻率誤差小的切割中。割中。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)58傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)59石英振子的固有振動頻率，可用下式表示：石英振子的固有振動頻率，可用下式表示：2iinCft式中：式中：f 固有頻率；固有頻率；n 諧波次數(shù)；諧波次數(shù)；t 振振子厚度；子厚度；水晶的密度；水晶的密度；Cii彈性常數(shù)。彈性常數(shù)。式中的式中的t、Cii 均是溫度的函數(shù)。均是溫度的函數(shù)。石英石英溫度傳感器溫度傳感器是