熱輻射的基本規(guī)律

熱輻射的基本規(guī)律演示文稿第一頁，共一百一十五頁。熱輻射的基本規(guī)律第二頁，共一百一十五頁。教學(xué)目的：在紅外物理（技術(shù)）及其應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐和工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會遇到各種形式的輻射源發(fā)出輻射的問題和測量問題，解決這些問題依據(jù)的就是本章所學(xué)習(xí)的幾個(gè)基本定律。本章要學(xué)習(xí)的基本規(guī)律有基爾霍夫定律、普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩-玻耳茲曼定律的基本概念、定義及計(jì)算。學(xué)時(shí)分配：8重點(diǎn)、難點(diǎn)：普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩-玻耳茲曼定律的基本概念及計(jì)算。

第三頁，共一百一十五頁。引言熱輻射——紅外輻射

概念：物體以自身溫度而向外發(fā)射能量稱熱輻射，亦稱溫度輻射。在光學(xué)范疇內(nèi)，在可見光范圍內(nèi)的輻射一般稱為發(fā)光，在紅外部分通常稱為輻射。紅外輻射的發(fā)射和接收是都熱交換。紅外技術(shù)的應(yīng)用都是基于熱交換的。

第四頁，共一百一十五頁。發(fā)光分三種

光致發(fā)光（泵浦）

電致發(fā)光

化學(xué)發(fā)光（鬼火）

放電

激發(fā)輝光放電

弧光放電第五頁，共一百一十五頁。普雷夫定則：在單位時(shí)間內(nèi)，如果兩個(gè)物體吸收的能量不同，則它們發(fā)射的能量也不同。即在單位時(shí)間內(nèi)，一個(gè)物體發(fā)出的能量等于它吸收的能量。普雷夫定則小實(shí)驗(yàn)

第六頁，共一百一十五頁?！?-1基爾霍夫定律發(fā)射本領(lǐng)：即物體的輻射出射度M，通常寫成MλT，因?yàn)镸=f（λ、T）

吸收本領(lǐng)：即物體的吸收比α，α也與波長和溫度有關(guān)，故寫成αλT。二者之間關(guān)系（稱為基爾霍夫定律）第七頁，共一百一十五頁。如果有三個(gè)物體，則

即所有的物體，它們的發(fā)射本領(lǐng)與發(fā)射本領(lǐng)之比都是相同的一個(gè)常數(shù)（在相同溫度、相同波長條件下）。

式中MbλT——黑體的輻射出射度。

αbλT——黑體的吸收比，αbλT=1（黑體的定義）第八頁，共一百一十五頁。基爾霍夫定律的描述：

在給定溫度下，對某一波長來說，物體的吸收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)的比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對于一切物體都是恒量。即MλT/αλT對所有物體都是一個(gè)普適函數(shù)（即黑體的發(fā)射本領(lǐng)），而MλT和αλT兩者中的每一個(gè)都隨著物體而不同?！鞍l(fā)射大的物體必吸收大”，或“善于發(fā)射的物體必善于接收”，反之亦然。第九頁，共一百一十五頁。關(guān)于基爾霍夫定律的說明：

1．基爾霍夫定律是平衡輻射定律，與物質(zhì)本身的性質(zhì)無關(guān)，（當(dāng)然對黑體也適用）；2．吸收和輻射的多少應(yīng)在同一溫度下比較，（溫度不同時(shí)就沒有意義了）；3．任何強(qiáng)烈的吸收必發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，無論吸收是由物體表面性質(zhì)決定的，還是由系統(tǒng)的構(gòu)造決定的；4．基爾霍夫定律所描述的輻射與波長有關(guān)，不與人眼的視覺特性和光度量有關(guān)；5．基爾霍夫定律只適用于溫度輻射，對其它發(fā)光不成立。第十頁，共一百一十五頁?！?-2黑體及其輻射定律黑體是一個(gè)抽象的概念，可以從幾個(gè)方面認(rèn)識：

1、（理論上講）ɑ=1的物體。全吸收，沒有反射和透射。2、（結(jié)構(gòu)上講）封閉的等溫空腔內(nèi)的輻射是黑體輻射。3、（從應(yīng)用角度）如果把等溫封閉空腔開一個(gè)小孔，則從小孔發(fā)出的輻射能夠逼真地模擬黑體輻射。這種裝置稱為黑體爐。第十一頁，共一百一十五頁。黑體的應(yīng)用價(jià)值（實(shí)用意義）：

1.標(biāo)定各類輻射探測器的響應(yīng)度；2.標(biāo)定其他輻射源的輻射強(qiáng)度；3.測定紅外光學(xué)系統(tǒng)的透射比；4.研究各種物質(zhì)表面的熱輻射特性；5.研究大氣或其他物質(zhì)對輻射的吸收或透射特性。主要做光源（輻射源）第十二頁，共一百一十五頁。普朗克公式：

Mbλ——黑體的光譜輻射出射度c——真空光速c1——第一輻射常數(shù)c1=2πhc2=3.7418×10-16W·m2

c2——第二輻射常數(shù)c2=hc/k=0.014388m·Kh——普朗克常數(shù)6.626176×10-34J·sk——波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K第十三頁，共一百一十五頁。第十四頁，共一百一十五頁。曲線的說明（黑體的輻射特性）：

Mbλ隨波長連續(xù)變化。對應(yīng)某一個(gè)溫度就有固定的一條曲線。（一旦溫度確定，則Mbλ在某波長處有唯一的固定值）溫度越高，Mbλ越大。（全輻射出射度Mb是曲線下面積）隨著溫度T的升高，Mbλ的峰值波長向短波方向移動。（T再高就可見了）黑體的輻射特性只與其溫度有關(guān)，與其它參數(shù)無關(guān)。黑體輻射亮度與觀察角度無關(guān)。第十五頁，共一百一十五頁。普朗克公式在以下兩種極限條件下的情況：

（1）當(dāng)c2/（λT）＞＞1時(shí)，即hc/λ＞＞KBT，此時(shí)對應(yīng)短波或低溫情形，普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于1，故可以把分母中的1忽略，這時(shí)普朗克公式變?yōu)?/p>

這就是維恩公式，它僅適用于黑體輻射的短波部分

第十六頁，共一百一十五頁。（2）當(dāng)c2/（λT）＜＜1時(shí)，即hc/λ＜＜KBT，此時(shí)對應(yīng)長波或高溫情形，可將普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)展成級數(shù)，并取前兩項(xiàng)

這時(shí)普朗克公式變?yōu)?/p>

這就是瑞利—普金公式，它僅適用于黑體輻射的長波部分。

第十七頁，共一百一十五頁。瑞利－金斯公式和經(jīng)典輻射模型的困難

兩種近似式在不同λT值時(shí)的計(jì)算誤差第十八頁，共一百一十五頁。維恩位移定律

令x=c2/λT

X何值時(shí)M最大，應(yīng)

第十九頁，共一百一十五頁。若上式為零須

解此方程x=4.9651142即：c2/λT=4.9651142

λT=2898(μm·K)此乃維恩位移定律，其中的λ即某溫度T時(shí)黑體輻射出射度

Mbλ的峰值波長λm，通常寫為=0第二十頁，共一百一十五頁。

維恩（wien）最大發(fā)射本領(lǐng)定律：

描述黑體光譜輻射出射度的峰值與溫度關(guān)系的公式。

將維恩位移定律代入普朗克公式

其中B=1.2867×10-11W·m-2·μm-1·K-5

（另書1.2866732×10-5W·m-3·K-5

）第二十一頁，共一百一十五頁。

意義：

1、只先知一個(gè)溫度T，便知最大M所在處的波長及M值。

2、M數(shù)值隨溫度升高很快。（Mbλm峰值升高，曲線下面積增大，M也大）第二十二頁，共一百一十五頁。四、斯特番—波爾茲曼定律

描述黑體全輻射出射度與溫度關(guān)系的公式。

令x=c2/λT則

λ=c2/xTdλ=-(c2/x2T)dx(積分限λ:0～∞,則x:∞～0)

第二十三頁，共一百一十五頁。

因?yàn)?/p>

所以

第二十四頁，共一百一十五頁。接上式

令

則

此公式為斯特番—波爾茲曼定律其中

σ=5.67032×10-8W·m-2·K-4

第二十五頁，共一百一十五頁?！?-3黑體輻射的計(jì)算f(λT)表

稱為相對光譜輻射出射度函數(shù)表，是某溫度下、某波長上的輻射出射度Mλ和該溫度下峰值波長處的輻射出射度Mλm之比。

即

根據(jù)普朗克公式

第二十六頁，共一百一十五頁。根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律

所以

知道一個(gè)λT值，就對應(yīng)一個(gè)f(λT)值，即知道一個(gè)溫度T，則在某波長處的輻射出射度Mλ為

這樣即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式計(jì)算了。

第二十七頁，共一百一十五頁。由斯特番-波爾茲曼定律

則

可得到從0到某波長λ的輻射出射度

M0～λ=F（λT）σT4則某一波段（λ1～λ2）之間的輻射出射度為Mλ1-λ2=M0-λ2-M0-λ1

=[F（λ2T）-F（λ1T）]σT4第二十八頁，共一百一十五頁。第二十九頁，共一百一十五頁。

f（λT）和F（λ1T）函數(shù)的規(guī)劃值，（即歸一化，以最大值的地方為1，其它地方相對減?。?/p>

第三十頁，共一百一十五頁。計(jì)算舉例例１.已知黑體溫度T=1000K，求：其峰值波長、光譜輻射度峰值、在λ=4μm處的光譜輻射出射度、某一波段的輻射出射度。1.峰值波長

根據(jù)維恩位移定律2.光譜輻射度峰值

根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律

第三十一頁，共一百一十五頁。3.在λ=4μm處的光譜輻射出射度

4.在λ=3～5μm波段內(nèi)的輻射出射度

第三十二頁，共一百一十五頁。例2

已知人體的溫度T=310K（假定人體的皮膚是黑體），求其輻射特性1.其峰值波長為

2.全輻射出射度為第三十三頁，共一百一十五頁。3.處于紫外區(qū)，波長（0～0.4μm）的輻射出射度為

4、處于可見光區(qū)，波長（0.4～0.75μm）的波長輻射出射度為

5、處于紅外區(qū)，波長（0.75～∞）的輻射出射度為

第三十四頁，共一百一十五頁。例3

如太陽的溫度T=6000K并認(rèn)為是黑體，求其輻射特性

1.其峰值波長為

2、全輻射出射度為

3、紫外區(qū)的輻射出射度為

第三十五頁，共一百一十五頁。4、可見光區(qū)的輻射出射度為

5、紅外區(qū)的輻射出射度為

第三十六頁，共一百一十五頁。3.5發(fā)射率和實(shí)際物體的輻射1．半球發(fā)射率

輻射體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比稱為半球發(fā)射率，分為全量和光譜量兩種。半球全發(fā)射率定義為

式中，M（T）是實(shí)際物體在溫度T時(shí)的全輻射出射度，Mb(T)是黑體在相同溫度下的全輻射出射度。第三十七頁，共一百一十五頁。

半球光譜發(fā)射率定義為

式中，Mλ(T)是實(shí)際物體在溫度T時(shí)的光譜輻射出射度，Mλb(T)是黑體在相同溫度下的光譜輻射出射度。

由以上式子可以得到任意物體在溫度T時(shí)的半球光譜發(fā)射率為

第三十八頁，共一百一十五頁。

可見，任何物體的半球光譜發(fā)射率與該物體在同溫度下的光譜吸收率相等。同理可得出物體的半球全發(fā)射率與該物體在同溫度下的全吸收率相等，即

以上兩個(gè)式子是基爾霍夫定律

又一表示形式，即物體吸收輻射的本領(lǐng)大，其發(fā)射輻射的本領(lǐng)也越大。第三十九頁，共一百一十五頁。2.方向發(fā)射率

方向發(fā)射率，也叫做角比輻射率或定向發(fā)射本領(lǐng)。它是在與輻射表面法線成θ角的小立體角內(nèi)測量的發(fā)射率。θ角為零的特殊情況叫做法向發(fā)射率εn。εn也分為全量和光譜量兩種。

方向全發(fā)射率定義為

第四十頁，共一百一十五頁。式中，L和Lb分別是實(shí)際物體和黑體在相同溫度下的輻射亮度。因?yàn)長一般與方向有關(guān)，所以ε(θ)也與方向有關(guān)。方向光譜發(fā)射率定義為

第四十一頁，共一百一十五頁。

物體發(fā)射率的一般變化規(guī)律如下：

（1）對于朗伯輻射體，三種發(fā)射率εn，ε(θ)和εh彼此相等。對于電絕緣體，εh/εn在0.95～1.05之間，其平均值為0.98，對這種材料，在θ角不超過65°或70°時(shí)，ε(θ)與εn仍然相等。對于導(dǎo)電體，εh/εn在1.05～1.33之間，對大多數(shù)磨光金屬，其平均值為1.20，即半球發(fā)射率比法向發(fā)射率約大20%，當(dāng)θ角超過45°時(shí)，ε(θ)與εn差別明顯。第四十二頁，共一百一十五頁。（2）金屬的發(fā)射率是較低的，但它隨溫度的升高而增高，并且當(dāng)表面形成氧化層時(shí)，可以成10倍或更大倍數(shù)地增高。（3）非金屬的發(fā)射率要高些，一般大于0.8，并隨溫度的增加而降低。（4）金屬及其他非透明材料的輻射，發(fā)生在表面幾微米內(nèi)，因此發(fā)射率是表面狀態(tài)的函數(shù)，而與尺寸無關(guān)。據(jù)此，涂敷或刷漆的表面發(fā)射率是涂層本身的特性，而不是基層表面的特性。對于同一種材料，由于樣品表面條件的不同，因此測得的發(fā)射率值會有差別。第四十三頁，共一百一十五頁。

(5)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長變化而變化，如圖3-4所示。在紅外區(qū)域，大多數(shù)介質(zhì)的光譜發(fā)射率隨波長的增加而降低。例如，白漆和涂料TiO2等在可見光區(qū)有較低的發(fā)射率，但當(dāng)波長超過3μm時(shí)，幾乎相當(dāng)于黑體。用它們覆蓋的物體在太陽光下溫度相對較低，這是因?yàn)樗粌H反射了部分太陽光，而且?guī)缀跸窈隗w一樣的重新輻射所吸收的能量。鋁板在直接太陽光照射下，相對溫度較高，這是由于它在10μm附近有相當(dāng)?shù)偷陌l(fā)射率，因此不能有效地輻射所吸收的能量。

第四十四頁，共一百一十五頁。

各種材料的光譜發(fā)射率

第四十五頁，共一百一十五頁。3.6輻射對比度和輻射測溫3.6.1輻射對比度

輻射對比度定義為目標(biāo)和背景輻射出射度之差與背景輻射出射度之比，即

式中，

為目標(biāo)在λ1～λ2波

間隔的輻射出射度，

為背

在λ1～λ2波長間隔的輻射出射度。

第四十六頁，共一百一十五頁。

能否通過選擇合適的系統(tǒng)光譜通帶來獲得最大的輻射對比度。

計(jì)算波長從0～∞全波帶的對比度

然后可算出

C3.5～5μm=0.413，C8～14μm=0.159可以看出，三種情況的對比度都較差，且寬帶的對比度比窄帶的更差。

第四十七頁，共一百一十五頁。

在表征熱成像系統(tǒng)的性能時(shí)，常把光譜輻射出射度與溫度的微分叫做熱導(dǎo)數(shù)。因?yàn)樵?/p>

的情況下，普朗克公式的熱導(dǎo)數(shù)為

所以，輻射出射度與溫度的微分關(guān)系為

第四十八頁，共一百一十五頁。

因?yàn)閷Ρ榷葘囟鹊淖兓逝c相對應(yīng)，所以為求得對比度，只要求得

即可．

采用推導(dǎo)維恩位移定律的方法求得光譜輻射出射度變化率的峰值波長λc與絕對溫度T的關(guān)系為

第四十九頁，共一百一十五頁。

關(guān)系曲線第五十頁，共一百一十五頁。

由于輻射的峰值波長λm滿足λmT=2898（μm·K），因此最大對比度的波長λc與輻射峰值波長λm的關(guān)系滿足

300K是通常地面背景的溫度。其λc近似為8μm，所以，在不考慮其他因素的情況下，熱像儀觀察地面目標(biāo)時(shí)，采用8～14μm波段最為理想。

第五十一頁，共一百一十五頁。3.6.2輻射測溫

1.輻射溫度

設(shè)有一物體的真實(shí)溫度為T，發(fā)射率為ε(T)，輻射出射度為M(T)。當(dāng)該物體的輻射出射度與某一溫度的黑體輻射出射度相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫做該物體的輻射溫度Tτ。由

第五十二頁，共一百一十五頁。

即

得

對于物體溫度與周圍環(huán)境物體溫度相近的場合，考慮物體的反射環(huán)境輻射帶來的影響是很有必要的，否則求得的真實(shí)溫度T將是不正確的。第五十三頁，共一百一十五頁。

2.亮溫度

設(shè)有一個(gè)物體的真實(shí)溫度為T，光譜發(fā)射率為ελ(T)，光譜輻射亮度為Lλ(T)。當(dāng)該物體的光譜輻射亮度與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫該物體的亮溫度Tl。這時(shí)有

第五十四頁，共一百一十五頁。

而

通常物體的亮溫度用光學(xué)高溫計(jì)測量，對應(yīng)的波長是0.66μm。用維恩近似簡化處理，得

第五十五頁，共一百一十五頁。

3.色溫度

設(shè)有一個(gè)物體的真實(shí)溫度為T，在波長λ1和λ2處的光譜發(fā)射率分別為ελ1(T)和ελ2(T)，光譜輻射亮度分別Lλ1(T)和Lλ2(T)。當(dāng)該物體在這兩個(gè)波長處的光譜輻射亮度與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫做該物體的色溫度Ts（簡稱色溫）。一般所選波長為λ1=0.47μm、λ2=0.66μm，分別用維恩近似表示，由定義有

第五十六頁，共一百一十五頁。

將上面兩式化簡并取對數(shù)解出T，得

第五十七頁，共一百一十五頁。

比色測溫儀是通過測量物體兩個(gè)（或三個(gè)）波段上的輻射亮度的比值來確定其溫度的。亮溫測溫儀相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是：（1）亮溫測溫儀和全光譜測溫儀（輻射溫度測溫儀）往往在被測物體的ε(T)已知的情況下才能使用，而比色測溫儀則不然，只要物體的發(fā)射率隨波長λ的變化相對緩慢（一般物體多是這樣），就可以用色溫度來測得接近物體表面的真實(shí)溫度。特別是對于灰體，色溫Ts就準(zhǔn)確地反映了物體的真實(shí)溫度T。第五十八頁，共一百一十五頁。（2）由于亮度測溫儀是通過測量物體的輻射來測溫的，因此在測量時(shí)，輻射功率的部分損失（例如光學(xué)系統(tǒng)效率、被測物體與儀器之間介質(zhì)吸收率的變化等）以及電子線路中放大倍數(shù)的變化等，都直接影響亮溫度和輻射溫度的測量。而上述因素對比色測溫儀的色溫測量則沒有影響或影響很弱。這是因?yàn)楸壬珳y溫儀的溫度測量是取決于輻射功率之比的緣故。第五十九頁，共一百一十五頁。溫度檢測技術(shù)1溫度與標(biāo)定2測溫方法分類及其特點(diǎn)3熱膨脹式測溫方法4熱阻式測溫方法5熱電式測溫方法6輻射法測溫7新型溫度傳感器及其測溫技術(shù)第六十頁，共一百一十五頁。前言溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)；從熱平衡的觀點(diǎn)看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動劇烈程度的標(biāo)志；溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)。第六十一頁，共一百一十五頁。1溫標(biāo)與標(biāo)定1．1溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)絕對氣體溫標(biāo)國際實(shí)用溫標(biāo)和國際溫標(biāo)1.2標(biāo)定第六十二頁，共一百一十五頁。溫標(biāo)為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強(qiáng)度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量來對溫度進(jìn)行間接測量。溫標(biāo)的發(fā)展過程：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)理想熱力學(xué)溫標(biāo)和絕對氣體溫標(biāo)國際實(shí)用溫標(biāo)

第六十三頁，共一百一十五頁。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)華氏溫標(biāo)

1714年德國人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)。按照華氏溫標(biāo)，則水的冰點(diǎn)為32℉，沸點(diǎn)為212℉第六十四頁，共一百一十五頁。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)

1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T

℉=t℃+32(1) 式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。第六十五頁，共一百一十五頁。熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)是由開爾文(Ketvin)在1848年提出的，以卡諾循環(huán)(Carnotcycle)為基礎(chǔ)。熱力學(xué)溫標(biāo)是國際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對應(yīng)的溫度——絕對零度與水的三相點(diǎn)溫度分為273．16份，每份為1K(Kelvin)。第六十六頁，共一百一十五頁。絕對氣體溫標(biāo)從理想氣體狀態(tài)方程入手，來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對氣體溫標(biāo)。由波義耳定律：

PV=RT(6-2) 式中 P——一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)； V——該氣體的體積； R——普適常數(shù)； T——熱力學(xué)溫度。當(dāng)氣體的體積為恒定(定容)時(shí)，其壓強(qiáng)就是溫度的單值函數(shù)。這樣就有：

T2/T1=P2/P1第六十七頁，共一百一十五頁。國際實(shí)用溫標(biāo)指導(dǎo)思想：盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度要高，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便；第一個(gè)國際溫標(biāo)是1927年第七屆國際計(jì)量大會決定采用的國際實(shí)用溫標(biāo)，后經(jīng)多次修訂，形成了普遍采用的國際實(shí)用溫標(biāo)IPTS一68；1989年7月第77屆國際計(jì)量委員會批準(zhǔn)建立了新的國際溫標(biāo)，簡稱ITS一90。第六十八頁，共一百一十五頁。ITS一90基本內(nèi)容為：

重申國際實(shí)用溫標(biāo)單位仍為K；

國際攝氏溫度和國際實(shí)用溫度關(guān)系為：把整個(gè)溫標(biāo)分成4個(gè)溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下：

①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽溫度計(jì)； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計(jì)； ③13.803K—961.78℃，用鉑電阻溫度計(jì)； ④961.78℃以上，用光學(xué)或光電高溫計(jì)；新確認(rèn)和規(guī)定17個(gè)固定點(diǎn)溫度值以及借助依據(jù)這些固定點(diǎn)和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器來實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力學(xué)溫標(biāo)。第六十九頁，共一百一十五頁。第七十頁，共一百一十五頁。2測溫方法分類及其特點(diǎn)根據(jù)傳感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測量非接觸式溫度測量第七十一頁，共一百一十五頁。接觸式溫度測量測溫精度相對較高，直觀可靠及測溫儀表價(jià)格相對較低；由于感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會增加測溫誤差；被測介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點(diǎn)。第七十二頁，共一百一十五頁。非接觸式溫度測量感溫元件不與被測對象直接接觸，而是通過接受被測物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測出被測對象的溫度;非接觸式測溫具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn)。第七十三頁，共一百一十五頁。接觸式與非接觸式測溫特點(diǎn)比較方式接觸式非接觸式測量條件

感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測對象表面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分照射到檢測元件上

測量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，對高于l300℃以上的溫度測量較困難原理上測量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測量誤差大，能測運(yùn)動物體和熱容小的物體溫度精度

工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級通常為1.0、1.5、2.5級

響應(yīng)速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘快，通常為2～3秒鐘其它特點(diǎn)

整個(gè)測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng)整個(gè)測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置第七十四頁，共一百一十五頁。各類溫度檢測方法構(gòu)成的測溫儀表的大體測溫范圍第七十五頁，共一百一十五頁。3熱膨脹式測溫方法3.1.玻璃溫度計(jì)3.2壓力溫度計(jì)3.3雙金屬溫度計(jì)第七十六頁，共一百一十五頁。玻璃溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)簡稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計(jì)最常用的液體，其凝固點(diǎn)為-38.9℃、測溫上限為538℃。玻璃溫度計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，價(jià)格低廉，測溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場直接讀數(shù)，一般無需能源，易破損，測溫值難自動遠(yuǎn)傳記錄。第七十七頁，共一百一十五頁。玻璃溫度計(jì)的分類：全浸式：測溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。局浸式：讀數(shù)容易，但測量誤差較大，即使采取修正措施其誤差比全浸式仍要大好幾倍或更多。V形工業(yè)玻璃溫度計(jì)第七十八頁，共一百一十五頁。壓力溫度計(jì)壓力溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)其測溫功能的。壓力溫度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)示意圖第七十九頁，共一百一十五頁。這類壓力溫度計(jì)其毛細(xì)管細(xì)而長(規(guī)格為1—60m)它的作用主要是傳遞壓力，長度愈長，則使溫度計(jì)響應(yīng)愈慢，在長度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈高。壓力溫度計(jì)和玻璃溫度計(jì)相比，具有強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準(zhǔn)確度較低、耐腐蝕性較差等特點(diǎn)。電接點(diǎn)壓力式溫度計(jì)

第八十頁，共一百一十五頁。雙金屬溫度計(jì)固體長度隨溫度變化的情況可用下式表示：基于固體受熱膨脹原理，測量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件當(dāng)溫度變化時(shí)，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形。下圖是雙金屬溫度計(jì)原理圖：第八十一頁，共一百一十五頁。雙金屬溫度計(jì)原理圖第八十二頁，共一百一十五頁。雙金屬溫度計(jì)的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測溫范圍大致為-80℃—600℃，精度等級通常為1.5級左右。雙金屬溫度計(jì)抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的工業(yè)用儀表。雙金屬溫度計(jì)第八十三頁，共一百一十五頁。4熱阻式測溫方法4.1鉑電阻測溫4.2銅電阻和熱敏電阻測溫第八十四頁，共一百一十五頁?；跓犭娮柙頊y溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而達(dá)到測溫的目的。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。熱電阻測溫的優(yōu)點(diǎn)是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠(yuǎn)傳、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵、有（會影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。第八十五頁，共一百一十五頁。鉑電阻測溫概述鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，但測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。

當(dāng) ℃時(shí) 當(dāng) ℃時(shí)

第八十六頁，共一百一十五頁。銅電阻和熱敏電阻測溫銅電阻

銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價(jià)格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40℃～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：當(dāng) ℃時(shí)第八十七頁，共一百一十五頁。銅電阻第八十八頁，共一百一十五頁。半導(dǎo)體熱敏電阻

熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個(gè)數(shù)量級；②很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測量時(shí)幾乎無需考慮連線電阻的影響；③體積?。虎軣釕T性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合；⑤結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動。第八十九頁，共一百一十五頁。熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：①阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重； ②元件的一致性差，互換性差； ③元件易老化，穩(wěn)定性較差； ④除特殊高溫?zé)崦綦娮柰猓^大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時(shí)必須注意。第九十頁，共一百一十五頁。熱敏電阻圖示：第九十一頁，共一百一十五頁。5熱電式測溫方法5.1熱電偶測溫5.2集成溫度傳感器AD590第九十二頁，共一百一十五頁。熱電偶測溫原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢，由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克（Seeback）首先發(fā)現(xiàn)提出，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖所示）。第九十三頁，共一百一十五頁。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由兩種電勢組成：溫差電勢和接觸電勢。溫差電勢是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，而熱電極接點(diǎn)接觸面處就產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢差。第九十四頁，共一百一十五頁。熱電偶兩熱電極分別叫A（為正極）和B（為負(fù)極），兩端溫度分別為 ，且 ；則熱電偶回路總電勢為：

第九十五頁，共一百一十五頁。工業(yè)用熱電偶測溫范圍第九十六頁，共一百一十五頁。集成溫度傳感器AD590利用晶體管P-N結(jié)其正向壓降隨溫度升高而降低的特性，可把晶體管P-N結(jié)作為-50℃～150℃范圍的感溫元件用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，美國AD公司于70年代末率先推出體積僅同一只小功率高頻晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。半導(dǎo)體AD590第九十七頁，共一百一十五頁。6輻射法測溫6.1輻射測溫的基本原理6.2光譜輻射溫度計(jì)6.3比色高溫計(jì)6.4紅外測溫6.5紅外成像測溫儀第九十八頁，共一百一十五頁。任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計(jì)。輻射式溫度計(jì)的感溫元件不需和被測物體或被測介質(zhì)直接接觸。第九十九頁，共一百一十五頁。輻射測溫的基本原理輻射式溫度計(jì)的感溫元件通常工作在屬于可見光和紅外光的波長區(qū)域。輻射式溫度計(jì)的感溫元件使用的波長范圍為0.3—40μm。相關(guān)概念：絕對黑體：在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量選擇吸收體：對輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關(guān)外，還與波長有關(guān)灰體：吸收(或輻射)本領(lǐng)與波長無關(guān)第一百頁，共一百一十五頁。輻射測溫的物理基礎(chǔ)是普朗克(Ptanck)熱輻射定律和斯蒂潘一玻耳茲曼(Stefan—Boltzmann)定律。絕對黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長λ、熱力學(xué)溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定：

第一百零一頁，共一百一十五頁。不同溫度下的輻射出射度曲線，其曲線峰值點(diǎn)的波長λm和溫度T均滿足維恩位移定律。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關(guān)系滿足斯蒂藩一玻耳茲曼定律：第一百零二頁，共一百一十五頁。光譜輻射溫度