特殊環(huán)境下的溫度測試5R

1、特殊條件下的高溫測試技術(shù)特殊條件下的高溫測試技術(shù)報告人：王報告人：王 高高 教授教授單位：單位： 中北大學(xué)測試技術(shù)研究所中北大學(xué)測試技術(shù)研究所聯(lián)系電話：聯(lián)系電話北大學(xué)中北大學(xué)2整體思路整體思路高溫測試引言高溫測試引言熱電偶測溫技術(shù)熱電偶測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)光纖測溫技術(shù)光纖測溫技術(shù)超聲測溫技術(shù)超聲測溫技術(shù)紅外測溫技術(shù)紅外測溫技術(shù)研究背景研究背景導(dǎo)彈發(fā)射瞬間導(dǎo)彈發(fā)射瞬間戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機火箭發(fā)射火箭發(fā)射臨近空間飛行器臨近空間飛行器核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆爆炸爆炸中北大學(xué)中北大學(xué)4測溫原理測溫原理1 1、溫度是國際單位制、溫度是國際單位制(SI)7(SI)7個基本物理量之一。

2、個基本物理量之一。2 2、溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運動平均動、溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運動平均動能大小的標志。能大小的標志。3 3、溫度的定量測量以熱平衡現(xiàn)象為、溫度的定量測量以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)基礎(chǔ)，兩個受熱程，兩個受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，達度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，達到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。 測溫方法及溫標測溫方法及溫標中北大學(xué)中北大學(xué)5 測溫方法及溫標測溫方法及溫標 世界上實際通用的溫標是國際實用溫標，由其來統(tǒng)一世界上實際通用的溫標是國際實用溫標，由其來統(tǒng)一各國之間的溫度計量，這是一種協(xié)

3、議溫標。各國之間的溫度計量，這是一種協(xié)議溫標。 第一個國際實用溫標自第一個國際實用溫標自 1927 1927 年開始采用，隨著科年開始采用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對國際實用溫標也在不斷地進行改學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對國際實用溫標也在不斷地進行改進和修訂，使之更符合熱力學(xué)溫標，有更好的復(fù)現(xiàn)進和修訂，使之更符合熱力學(xué)溫標，有更好的復(fù)現(xiàn)性和能夠更方便地使用。性和能夠更方便地使用。 目前推行的國際實用溫標定義為目前推行的國際實用溫標定義為 1990 1990 年國際溫標年國際溫標 ITS90 ITS90 。中北大學(xué)中北大學(xué)6 測溫方法及溫標測溫方法及溫標 溫標溫標 為了客觀地計量物體的溫度，必須建立一個衡量溫度

4、為了客觀地計量物體的溫度，必須建立一個衡量溫度的標尺，簡稱溫標。建立溫標就是規(guī)定溫度的起點及的標尺，簡稱溫標。建立溫標就是規(guī)定溫度的起點及其基本單位。早期建立的華氏溫標和攝氏溫標都是根其基本單位。早期建立的華氏溫標和攝氏溫標都是根據(jù)物體體積的熱脹冷縮現(xiàn)象制定的，通常稱為經(jīng)驗溫據(jù)物體體積的熱脹冷縮現(xiàn)象制定的，通常稱為經(jīng)驗溫標。標。 華氏溫標規(guī)定，冰點為華氏溫標規(guī)定，冰點為3232，水沸點為，水沸點為212 212 ， 兩者中間分兩者中間分180180等份。等份。 攝氏溫標規(guī)定，冰點為攝氏溫標規(guī)定，冰點為00，水沸點為，水沸點為100100，兩者，兩者中間分中間分100100等份。等份。 開氏溫標

5、規(guī)定，開氏溫標規(guī)定，冰、水、氯化銨和氯化鈉的混合物冰、水、氯化銨和氯化鈉的混合物的熔點為零度，以的熔點為零度，以表示之，把冰的熔點定為表示之，把冰的熔點定為32 32 ，把水的沸點定為，把水的沸點定為212 212 ，在，在3221232212的間隔內(nèi)均分的間隔內(nèi)均分180180等分等分 蘭氏溫標以蘭氏溫標以273.16K作為作為491.688R 。中北大學(xué)中北大學(xué)7測溫方法及溫標測溫方法及溫標四種溫標之間的關(guān)系四種溫標之間的關(guān)系 1.C=K-273.15 2.F=9/5C+32 3.R=F+459.67 KCFR123中北大學(xué)中北大學(xué)8四個溫區(qū)四個溫區(qū)1 1、第一溫區(qū)為、第一溫區(qū)為0.650

6、.65K K到到5.005.00K K之間之間, ,由由3 3HeHe和和4 4HeHe（氦（氦的同位素）的同位素）的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。2 2、第二溫區(qū)為、第二溫區(qū)為3.03.0K K到氖三相點到氖三相點(24.5661(24.5661K)K)之間之間，用氦氣體溫度計來定義。用氦氣體溫度計來定義。3 3、第三溫區(qū)為平衡氫三相點、第三溫區(qū)為平衡氫三相點(13.8033(13.8033K)K)到銀的凝到銀的凝固點固點(961.78)(961.78)之間之間, , 由鉑電阻溫度計來定義。由鉑電阻溫度計來定義。4 4、第四溫區(qū)為銀凝固點、第四溫區(qū)為銀凝固點(96

7、1.78)(961.78)以上的溫區(qū)以上的溫區(qū), , 按普朗克輻射定律來定義的按普朗克輻射定律來定義的, ,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計。計。測溫方法及溫標測溫方法及溫標中北大學(xué)中北大學(xué)9 測溫方法及溫標測溫方法及溫標溫標的傳遞溫標的傳遞1 1、國際實用溫標系由各國計量部門按規(guī)定分別保持和傳、國際實用溫標系由各國計量部門按規(guī)定分別保持和傳遞，由定義固定點及一整套基準儀表復(fù)現(xiàn)溫度標準，遞，由定義固定點及一整套基準儀表復(fù)現(xiàn)溫度標準，再通過基準和標準測溫儀表逐級傳遞，各類溫度計在再通過基準和標準測溫儀表逐級傳遞，各類溫度計在使用前均要按傳遞系統(tǒng)的要求進行檢定。使用前均要按傳遞系統(tǒng)的要求進行

8、檢定。2 2、一般實用工作溫度計的檢定裝置采用各種、一般實用工作溫度計的檢定裝置采用各種恒溫槽恒溫槽和和管管式電爐式電爐，用比較法進行檢定。，用比較法進行檢定。比較法是將標準溫度計和被校溫度計同時放入檢定裝比較法是將標準溫度計和被校溫度計同時放入檢定裝置內(nèi)，以標準溫度計測定的溫度為已知，將被校溫度置內(nèi)，以標準溫度計測定的溫度為已知，將被校溫度計的測量值與其相比較，從而確定被校溫度計的精度。計的測量值與其相比較，從而確定被校溫度計的精度。恒溫槽恒溫槽1700C高溫管式電爐高溫管式電爐中北大學(xué)中北大學(xué)10 溫度測量原理溫度測量原理 溫度測量原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理溫度測量

9、原理就是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質(zhì)（機械，電學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，化學(xué)）隨溫度而變化的特性為已性質(zhì)（機械，電學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，化學(xué)）隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，即可確定被測對象的溫度。即可確定被測對象的溫度。溫度測量方式溫度測量方式分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。測溫方法及溫標測溫方法及溫標接觸測溫接觸測溫非接觸紅外測溫非接觸紅外測溫中北大學(xué)中北大學(xué)11熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫?zé)犭妱莸漠a(chǎn)生熱電勢的產(chǎn)生2什么是熱電偶什么是熱電偶 1標準和非

10、標準熱電偶標準和非標準熱電偶3中北大學(xué)中北大學(xué)12熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫什么是熱電偶什么是熱電偶 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。它通過熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。它通過將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A A和和B B焊接起來，構(gòu)成一個焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A A和和B B的兩個接觸點之間存在溫差時，兩的兩個接觸點之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，并在回路中形成熱電流，因此，可者之間便產(chǎn)生電動勢，并在回路中形成熱電流，因此，可將溫度的變化轉(zhuǎn)變成熱電勢或熱電流的變化。將溫度的變化轉(zhuǎn)變成熱電勢或熱電流的變化。 ATBT0EA

11、B(T，T0)T T0鎢錸熱電偶鎢錸熱電偶中北大學(xué)中北大學(xué)13測量精度高；測量精度高；測量范圍廣；測量范圍廣；構(gòu)造簡單，使用方便；構(gòu)造簡單，使用方便；將溫度轉(zhuǎn)換成電信號，便于處理和遠傳。將溫度轉(zhuǎn)換成電信號，便于處理和遠傳。 熱電偶優(yōu)點熱電偶優(yōu)點 1 1、常用的熱電偶從、常用的熱電偶從-5 -5 +1600+1600均可連續(xù)測量，均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到某些特殊熱電偶最低可測到-269-269，最高可達，最高可達+2800+2800（鎢（鎢- -錸）。錸）。2 2、熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介、熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。質(zhì)的影響。熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫中北

12、大學(xué)中北大學(xué)14 熱電勢的產(chǎn)生熱電勢的產(chǎn)生 熱電勢接觸電勢溫差電勢熱電勢接觸電勢溫差電勢 1 1、接觸電勢：、接觸電勢：金屬導(dǎo)體的材料不同，導(dǎo)體內(nèi)部自由電子密度不同金屬導(dǎo)體的材料不同，導(dǎo)體內(nèi)部自由電子密度不同 自由電子擴散自由電子擴散 若若A A導(dǎo)體的自由電子密度較大，則導(dǎo)體的自由電子密度較大，則較多的自由較多的自由電子由電子由A A至至B B，而返回較少，而返回較少平衡時，平衡時，A A導(dǎo)體失去電子帶正電，導(dǎo)體失去電子帶正電，B B導(dǎo)體導(dǎo)體得到電子帶負電得到電子帶負電 A、B B 接觸處形成一定的電位差，即接觸電勢（接觸處形成一定的電位差，即接觸電勢（帕爾帖電勢）。帕爾帖電勢）。熱電偶測溫?zé)?/p>

13、電偶測溫 lnAABBNkTeTeNeAB(T)ABT+-k：玻爾茲曼常數(shù)：玻爾茲曼常數(shù)（k=1.381023J/K）e：電子電荷量：電子電荷量（e1.6021019）NA：導(dǎo)體：導(dǎo)體A電子密度電子密度NB：導(dǎo)體：導(dǎo)體B電子密度電子密度T：接觸點絕對溫度：接觸點絕對溫度帕爾帖帕爾帖中北大學(xué)中北大學(xué)15 2 2、溫差電勢：、溫差電勢：單一導(dǎo)體兩端溫度不同，導(dǎo)體內(nèi)部自由電單一導(dǎo)體兩端溫度不同，導(dǎo)體內(nèi)部自由電子高溫端具較大動能子高溫端具較大動能 自由電子向低溫端擴散自由電子向低溫端擴散 高溫高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電 導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)體內(nèi)部形成靜電場，

14、阻止電子繼續(xù)擴散形成靜電場，阻止電子繼續(xù)擴散動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一個電位差，即溫差電勢（湯姆遜電勢）。兩端產(chǎn)生一個電位差，即溫差電勢（湯姆遜電勢）。熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫AT+-電場電場T0eA(T，T0)00,TATeT TdT: :湯姆遜系數(shù)，表示溫差為湯姆遜系數(shù)，表示溫差為11時所產(chǎn)生時所產(chǎn)生的電動勢值，與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。的電動勢值，與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。湯姆遜湯姆遜中北大學(xué)中北大學(xué)16 1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時，回路中會產(chǎn)生

15、一個電勢，此所謂接觸處的溫度不同時，回路中會產(chǎn)生一個電勢，此所謂“塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)”。1834年，法國年，法國實驗科學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了它的反效應(yīng)：兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直實驗科學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了它的反效應(yīng)：兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產(chǎn)生溫差，此所謂流電流時，兩個接頭之間將產(chǎn)生溫差，此所謂珀爾帖效應(yīng)珀爾帖效應(yīng)。1837年，俄國物理學(xué)家愣次年，俄國物理學(xué)家愣次又發(fā)現(xiàn)，電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量，發(fā)熱（制冷）量的多少與電流的大小成又發(fā)現(xiàn)，電流的方向決定了吸收還是產(chǎn)生熱量，發(fā)熱（制冷）量的多少與電流的大小成正比。正比。 1856年，湯姆遜

16、利用他所創(chuàng)立的熱力學(xué)原理對塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)進行了全面年，湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學(xué)原理對塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)進行了全面分析，并將本來互不相干的塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系。湯姆遜認為，在分析，并將本來互不相干的塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系。湯姆遜認為，在絕對零度時，帕爾帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)之間存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，他又從絕對零度時，帕爾帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)之間存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，他又從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之

17、外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）?；蛘叻催^來，生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）?；蛘叻催^來，當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現(xiàn)象后叫當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現(xiàn)象后叫湯姆孫效應(yīng)湯姆孫效應(yīng)（Thomson effect），成為繼塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)之后的第三個熱電效應(yīng)），成為繼塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)之后的第三個熱電效應(yīng)（thermoelectric effect）。）。 歷史軌跡歷史軌跡熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫中北大學(xué)中北大學(xué)17熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫結(jié)論結(jié)論熱電勢的大小只與兩種導(dǎo)體材料熱電勢的大小只

18、與兩種導(dǎo)體材料A A、B B及冷熱端溫度有關(guān)及冷熱端溫度有關(guān), ,與熱與熱 電極的形狀、大小、長短，以及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。電極的形狀、大小、長短，以及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。若若T T0 00 0，則，則E EABAB(T(T，T T0 0) )f f（T T）, ,熱電勢和溫度之間為唯一熱電勢和溫度之間為唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系。若若T=TT=T0 0，則，則E EABAB(T(T，T T0 0) )0 0，即產(chǎn)生熱電勢的條件是兩接點溫，即產(chǎn)生熱電勢的條件是兩接點溫度不同；導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。度不同；導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。若兩個電極為同種導(dǎo)體，則若兩個電極為同種導(dǎo)體，則N NA A

19、=N=NB B，A A=B B，則，則E EABAB(T,T(T,T0 0) ) 0 0，即熱電偶必為兩種材料組成；，即熱電偶必為兩種材料組成；!中北大學(xué)中北大學(xué)18熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫標準和非標準熱電偶標準和非標準熱電偶任何兩種導(dǎo)體都可組成熱電偶，但作為測溫的熱電偶需滿足：任何兩種導(dǎo)體都可組成熱電偶，但作為測溫的熱電偶需滿足：1 1、電勢值大，隨溫度單調(diào)上升，最好線性、電勢值大，隨溫度單調(diào)上升，最好線性2 2、材料易獲得，有較好的延展性，易于加工、材料易獲得，有較好的延展性，易于加工3 3、熱電性質(zhì)穩(wěn)定；復(fù)現(xiàn)性好，價格低，物理、化學(xué)性穩(wěn)定、熱電性質(zhì)穩(wěn)定；復(fù)現(xiàn)性好，價格低，物理、化學(xué)性穩(wěn)定4

20、4、電極的電阻小，溫度系數(shù)小、電極的電阻小，溫度系數(shù)小按照工業(yè)標準化要求，可將熱電偶分為標準化和非標準化熱電偶兩種。按照工業(yè)標準化要求，可將熱電偶分為標準化和非標準化熱電偶兩種。標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶，標準化具有統(tǒng)一的分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶，標準化熱電偶可以互換，精度有一定的保證，并有配套的顯示和記錄儀表可熱電偶可以互換，精度有一定的保證，并有配套的顯示和記錄儀表可供選用。供選用。非標準化熱電偶：雖然已有產(chǎn)品，也能夠使用，

21、但沒有統(tǒng)一的標準，使非標準化熱電偶：雖然已有產(chǎn)品，也能夠使用，但沒有統(tǒng)一的標準，使用前仍需個別標定來確定熱電勢和溫度之間的關(guān)系的熱電偶，其存在用前仍需個別標定來確定熱電勢和溫度之間的關(guān)系的熱電偶，其存在的主要目的是進一步擴展高溫和低溫的范圍。的主要目的是進一步擴展高溫和低溫的范圍。中北大學(xué)中北大學(xué)19熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫?zé)犭娕济Q熱電偶名稱分度號分度號熱電極性識別熱電極性識別E(100，0)（mV）測溫范圍（測溫范圍（ ）對分度表允許偏差對分度表允許偏差新新極性極性識別識別長期長期短期短期 等級等級使用溫度使用溫度允差允差鉑銠鉑銠10鉑鉑S氧化氧化正正亮白較硬亮白較硬0.64601300160

22、06001.5 負負亮白較軟亮白較軟6000.25t鉑銠鉑銠13鉑鉑R正正較硬較硬0.6470130016001100 0.25t鉑銠鉑銠30鉑鉑6B正正較硬較硬0.0330160018006008004 負負較軟較軟800 0.5t鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅K正正不親磁不親磁41300-401300 2.5 或或 0.75t負負稍親磁稍親磁-200402.5 或或 1.5t鎳鉻硅鎳硅鎳鉻硅鎳硅N正正不親磁不親磁2.774-2001200 1300-401100 1.5 或或 0.4t負負稍親磁稍親磁-4013002.5 或或 0.75t鎳鉻康銅鎳鉻康銅E正正暗綠暗綠6.319

23、-200760850-40900 2.5 或或 0.75t負負亮黃亮黃-20040 2.5 或或 1.5t銅康銅銅康銅T正正紅色紅色4.279-200350400-403501 或或0.75 t負負銀白色銀白色-200401 或或1.5 t鐵康銅鐵康銅J正正親磁親磁5.269-40600750-40750 2.5 或或0.75 t負負不親磁不親磁 標準化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)標準化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)中北大學(xué)中北大學(xué)20優(yōu)點：熱電特性穩(wěn)定，抗氧化性強，使用壽命長，測溫范圍廣，測量精度高優(yōu)點：熱電特性穩(wěn)定，抗氧化性強，使用壽命長，測溫范圍廣，測量精度高缺點：熱電勢小，靈敏度低，線性差，高溫情況下機械強度下降，

24、對污染敏感缺點：熱電勢小，靈敏度低，線性差，高溫情況下機械強度下降，對污染敏感用途：可做為基準熱電偶，用于精密測量用途：可做為基準熱電偶，用于精密測量S與與S型熱電偶的綜合性能相當(dāng)，但穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于型熱電偶的綜合性能相當(dāng)，但穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于S型，熱電勢比型，熱電勢比S型大型大15主要用于進口設(shè)備的附帶測溫裝置主要用于進口設(shè)備的附帶測溫裝置R優(yōu)點：測量上限高，穩(wěn)定性好，在冷端溫度低于優(yōu)點：測量上限高，穩(wěn)定性好，在冷端溫度低于100 時不用考慮溫度補償問題，時不用考慮溫度補償問題，缺點：熱電勢小，線性較差，線性差，高溫情況下機械強度下降，抗污染能力差缺點：熱電勢小，線性較差，線性差，高溫情況

25、下機械強度下降，抗污染能力差BKNETJ熱電勢大，靈敏度高、線性好，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好、價格較便宜，廣泛用于高熱電勢大，靈敏度高、線性好，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好、價格較便宜，廣泛用于高溫測量，是目前用量最大的廉金屬熱電偶溫測量，是目前用量最大的廉金屬熱電偶在相同條件下，特別是在相同條件下，特別是11001300高溫條件下，高溫穩(wěn)定性和使用壽命高溫條件下，高溫穩(wěn)定性和使用壽命較較K型有成倍提高，價格遠低于型有成倍提高，價格遠低于S型熱電偶，而性能相近，在型熱電偶，而性能相近，在2001300范圍內(nèi)，有全面代替廉價金屬熱電偶和部分范圍內(nèi)，有全面代替廉價金屬熱電偶和部分S型熱電偶的趨勢型熱電偶的趨勢準確

26、度較高，靈敏度是所有標準熱電偶中最高的，穩(wěn)定性好，價格便宜，廣泛準確度較高，靈敏度是所有標準熱電偶中最高的，穩(wěn)定性好，價格便宜，廣泛用于低溫測量，可用于濕度較大的環(huán)境中用于低溫測量，可用于濕度較大的環(huán)境中熱電勢較大，靈敏度高，線性度和復(fù)現(xiàn)性好，中低溫穩(wěn)定性好，耐磨蝕，價熱電勢較大，靈敏度高，線性度和復(fù)現(xiàn)性好，中低溫穩(wěn)定性好，耐磨蝕，價格便宜，廣泛用于中低溫測量格便宜，廣泛用于中低溫測量價格便宜，耐價格便宜，耐H2和和CO2氣體腐蝕，在含碳或鐵的條件下使用也很穩(wěn)定，可用氣體腐蝕，在含碳或鐵的條件下使用也很穩(wěn)定，可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中，適用于化工生產(chǎn)過程的穩(wěn)定測量于真空、氧化、還原和惰

27、性氣氛中，適用于化工生產(chǎn)過程的穩(wěn)定測量熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫中北大學(xué)中北大學(xué)21熱電偶測溫?zé)犭娕紲y溫非標準化熱電偶非標準化熱電偶1 1、貴金屬熱電偶：鉑銠系列（最高測溫、貴金屬熱電偶：鉑銠系列（最高測溫18501850，熱電勢為線性，穩(wěn)定性，熱電勢為線性，穩(wěn)定性好）好） 銥銠系列銥銠系列 （最高測溫（最高測溫22502250，熱電勢大，線性好），熱電勢大，線性好） 鉑金（鉑金（穩(wěn)定性好，主要用于航天技術(shù)和高精度測量領(lǐng)域）穩(wěn)定性好，主要用于航天技術(shù)和高精度測量領(lǐng)域）2 2、貴廉金屬混合式熱電偶：金鐵合金（主要用于低溫測量，測溫范圍、貴廉金屬混合式熱電偶：金鐵合金（主要用于低溫測量，測溫范圍2702

28、700 0 ）雙鉑鉬系列（正負極均為鉑鉬合金，但合金中元素比）雙鉑鉬系列（正負極均為鉑鉬合金，但合金中元素比例不同，如鉑例不同，如鉑5 5鉬鉑鉬鉑1 1鉬熱電偶可用于核輻射場合中，也可在真空和鉬熱電偶可用于核輻射場合中，也可在真空和惰性氣體中長期使用，最高溫度為惰性氣體中長期使用，最高溫度為1600 1600 ）3 3、難熔金屬熱電偶：鎢錸合金熱電偶（熔點高于、難熔金屬熱電偶：鎢錸合金熱電偶（熔點高于3000 3000 ，最高測溫，最高測溫250025002800 2800 ，在冶金、建材、航空航天和核能工業(yè)中應(yīng)用廣泛），在冶金、建材、航空航天和核能工業(yè)中應(yīng)用廣泛）鎢鉬熱電偶（最高測溫鎢鉬熱電

29、偶（最高測溫2000 2000 ，價格便宜，但熱電勢小），價格便宜，但熱電勢?。? 4、非金屬熱電偶：目前處于研究階段，瓶頸問題是復(fù)現(xiàn)性和機械強度差、非金屬熱電偶：目前處于研究階段，瓶頸問題是復(fù)現(xiàn)性和機械強度差，但熱電勢非常大，如碳硅碳熱電偶在，但熱電勢非常大，如碳硅碳熱電偶在1700 1700 可達可達508mV508mV，是金屬，是金屬熱電偶的近百倍，測溫上限可達熱電偶的近百倍，測溫上限可達3000 3000 中北大學(xué)中北大學(xué)22Nanmac快速快速E型熱電偶型熱電偶 中北大學(xué)中北大學(xué)23 ？中北大學(xué)中北大學(xué)24輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)全輻射高溫計全輻射高溫計 4比色高溫計比色高溫計3輻射

30、測溫基本原理輻射測溫基本原理 1單色輻射高溫計單色輻射高溫計 2中北大學(xué)中北大學(xué)25非接觸式測溫方法非接觸式測溫方法 利用物體輻射能隨溫度變化的性質(zhì)，通過測量物體的輻射能或與輻射利用物體輻射能隨溫度變化的性質(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)溫度測量。用這種方法測溫時，感受件不需與被測介能有關(guān)的信號來實現(xiàn)溫度測量。用這種方法測溫時，感受件不需與被測介質(zhì)相接觸。質(zhì)相接觸。非接觸式測溫方法的優(yōu)點非接觸式測溫方法的優(yōu)點 （1 1）感受件不需與被測介質(zhì)相接觸，儀表不會破壞被測介質(zhì)的溫度場；）感受件不需與被測介質(zhì)相接觸，儀表不會破壞被測介質(zhì)的溫度場； （2 2）從理論上講儀表的測溫上限不

31、受限制，可達）從理論上講儀表的測溫上限不受限制，可達3000 3000 以上以上 ； （3 3）測溫過程中，儀表的滯后小，動態(tài)性能好，反應(yīng)快；）測溫過程中，儀表的滯后小，動態(tài)性能好，反應(yīng)快； （4 4）輸出信號大、靈敏度和準確度高。）輸出信號大、靈敏度和準確度高。 輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)Observe colourv 暗紅色：暗紅色：600攝氏度左右。攝氏度左右。v 深紅色：深紅色：700攝氏度左右。攝氏度左右。v 橘紅色：橘紅色：1000攝氏度左右。攝氏度左右。v 純橘色：純橘色：1100攝氏度左右。攝氏度左右。v 金橘色：金橘色：1200攝氏度左右。攝氏度左右。v 金黃色：金黃色：130

32、0攝氏度左右。攝氏度左右。v 金白色：金白色：1400攝氏度左右。攝氏度左右。v 純白色：純白色：1500攝氏度左右。攝氏度左右。v 白藍色：白藍色：1500攝氏度以上。攝氏度以上。中北大學(xué)中北大學(xué)27輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)普朗克函數(shù)曲線圖普朗克函數(shù)曲線圖 輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)中北大學(xué)中北大學(xué)29輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)中北大學(xué)中北大學(xué)30 實際物體的熱輻射特性實際物體的熱輻射特性 0MM（同一（同一 T、下）下）（2 2）實際物體的發(fā)射率）實際物體的發(fā)射率：0MM（同一同一 T 下）下）（1 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 ： 實際物體的實際物體的隨波長

33、隨波長而變化，但總小于而變化，但總小于1 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； 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輻射測溫技術(shù)輻射測溫技術(shù)31中北大學(xué)中北大學(xué)32WGG2型光學(xué)高溫計型光學(xué)高溫計 可用于冶金、化工和機械等可用于冶金、化工和機械等工業(yè)生產(chǎn)過程中工業(yè)生產(chǎn)過程中,測量冶煉、測量冶煉、燒鑄、軋鋼、玻璃熔窖、鍛燒鑄、軋鋼、玻璃熔窖、鍛打、熱處理的溫度。打、熱處理的溫度。 測量范圍：測量范圍：700 2000 3.3.使用注意事項使用注意事項 （1 1）非全體輻射（）非全體輻射（）的影響。）的影響。 物體物體不是常數(shù)，它的波長、物體表面情況及溫度不是

34、常數(shù)，它的波長、物體表面情況及溫度高低有關(guān)，是最大誤差源。為消除其影響，可人為創(chuàng)造全高低有關(guān)，是最大誤差源。為消除其影響，可人為創(chuàng)造全輻射體的條件。輻射體的條件。 （2 2） 中間介質(zhì)的影響。中間介質(zhì)的影響。 （3 3） 反射光的影響。反射光的影響。4.4.光電高溫計光電高溫計（1 1）既可使用可見光，又可使用紅外光譜，有利于測低溫。）既可使用可見光，又可使用紅外光譜，有利于測低溫。（2 2）準確度高，靈敏度高。）準確度高，靈敏度高。（3 3） 可以連續(xù)、自動測量和記錄，信號可以遠傳?？梢赃B續(xù)、自動測量和記錄，信號可以遠傳。中北大學(xué)中北大學(xué)35三、比色高溫計三、比色高溫計中北大學(xué)中北大學(xué)362

35、 2、雙通道比色高溫計、雙通道比色高溫計1-物鏡物鏡; 2-反射鏡反射鏡; 3-倒像鏡倒像鏡; 4-目鏡目鏡; 5-人眼人眼; 7-分光鏡分光鏡; 9-場鏡場鏡; 10-視場光欄視場光欄;6-紅外濾光片硅光電池紅外濾光片硅光電池E1; 8-可見光濾光片硅光電池可見光濾光片硅光電池E2; 中北大學(xué)中北大學(xué)37中北大學(xué)中北大學(xué)38四、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40400TMTM或2 2、全輻射高溫計的結(jié)構(gòu)、全輻射高溫計的結(jié)構(gòu) 中北大學(xué)中北大學(xué)39中北大學(xué)中北大學(xué)40中北大學(xué)中北大學(xué)41多光譜測試多光譜測試Key pointsKey poin

36、ts中北大學(xué)中北大學(xué)46接觸式測溫接觸式測溫非接觸式測溫非接觸式測溫標準熱電偶標準熱電偶鎢錸熱電偶鎢錸熱電偶輻射法輻射法長期測溫極限長期測溫極限16001600C C 長期測溫極限長期測溫極限20002000C C美國美國NanmacNanmac公司公司英國英國LAND LAND S4S4紅外測溫儀紅外測溫儀0-26000-2600 DNFDNF模塊化紅外測模塊化紅外測溫儀測溫范圍溫儀測溫范圍（1500-30001500-3000）美國美國IRCONIRCON公司公司熱電勢，熱電勢率較熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對下機械強度下降，對污染非常敏感污染非常

37、敏感鎢錸熱電偶極易氧化，鎢錸熱電偶極易氧化，適于在惰性或干燥氫適于在惰性或干燥氫氣中使用氣中使用受環(huán)境因素影響大受環(huán)境因素影響大只能測定目標表面上確定只能測定目標表面上確定面積的平均值面積的平均值只限于測量物體表面溫度只限于測量物體表面溫度受物體發(fā)射率影響大受物體發(fā)射率影響大兩種測溫方式比較兩種測溫方式比較 ？中北大學(xué)中北大學(xué)47中北大學(xué)中北大學(xué)48光纖測溫光纖測溫光纖傳感器優(yōu)點光纖傳感器優(yōu)點1光纖傳感器測溫基本原理光纖傳感器測溫基本原理 2光纖傳感器測溫系統(tǒng)光纖傳感器測溫系統(tǒng) 3光纖傳感器測溫應(yīng)用光纖傳感器測溫應(yīng)用 4分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器5中北大學(xué)中北大學(xué)49光纖測溫光纖

38、測溫光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器1 1、采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構(gòu)成的新型、采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構(gòu)成的新型測溫儀表，它有接觸式和非接觸式等多種型式測溫儀表，它有接觸式和非接觸式等多種型式2 2、特點：、特點： 靈敏度高靈敏度高 電絕緣性能好，可適用于強烈電磁干擾、強輻射的電絕緣性能好，可適用于強烈電磁干擾、強輻射的 惡劣環(huán)境惡劣環(huán)境 體積小、重量輕、可彎曲體積小、重量輕、可彎曲 可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭等可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭等“光纖之父光纖之父”高錕高錕中北大學(xué)中北大學(xué)50非接觸式光纖測溫非接觸式光纖測溫接觸式光纖測溫接觸式光纖測溫黑體腔光纖傳感器黑體腔光纖傳感

39、器光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)51耐高溫光纖黑體腔制備耐高溫光纖黑體腔制備激光加熱基座法激光加熱基座法晶纖生長示意圖晶纖生長示意圖高溫光纖特點：物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點高，強度大，熱膨脹小，高溫光纖特點：物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點高，強度大，熱膨脹小，導(dǎo)熱性好，具有很好的光傳輸特性導(dǎo)熱性好，具有很好的光傳輸特性典型耐高溫光纖：藍寶石單晶光纖，氧化鋯單晶光纖典型耐高溫光纖：藍寶石單晶光纖，氧化鋯單晶光纖光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)521鍍層鍍層 2藍寶石光纖藍寶石光纖光纖黑體腔光纖黑體腔單晶光纖單晶光纖氧化鋯粉末氧化鋯粉末黑體腔鍍膜原理黑體腔鍍膜原理鍍膜鍍膜碳化硅粉末碳化硅粉末鍍膜材料鍍膜材料

40、光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)53黑體腔鍍膜工藝黑體腔鍍膜工藝1 1 磁控濺射磁控濺射兩大特點，沉兩大特點，沉積速率比化學(xué)積速率比化學(xué)氣相沉積法氣相沉積法（CVD）高出）高出一個數(shù)量級；一個數(shù)量級；所需氣壓不高、所需氣壓不高、成膜粘附性好成膜粘附性好光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)542 等離子體等離子體 噴涂噴涂原理：原理：等離子弧通?？扛叩入x子弧通?？扛哳l放電火花引燃。粉末形式頻放電火花引燃。粉末形式的噴涂材料由惰性氣體攜帶的噴涂材料由惰性氣體攜帶注入射流后，射流將其加速、注入射流后，射流將其加速、加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，噴射到基體的表面。飛行的噴射到基體的表面。

41、飛行的高溫粒子因沖擊變形以及隨高溫粒子因沖擊變形以及隨后的快速凝固和冷卻，成為后的快速凝固和冷卻，成為激冷薄片，粘附在經(jīng)過處理激冷薄片，粘附在經(jīng)過處理的基體表面上。這些激冷薄的基體表面上。這些激冷薄片的不斷堆積形成了層狀結(jié)片的不斷堆積形成了層狀結(jié)構(gòu)涂層。構(gòu)涂層。等離子體熱噴涂工藝原理等離子體熱噴涂工藝原理特點：等離子射流具有高焓、高溫和高速等能量特征，最難熔的材料（如碳化鉭，熔點特點：等離子射流具有高焓、高溫和高速等能量特征，最難熔的材料（如碳化鉭，熔點為為3875）也能在等離子射流中熔化并噴涂成形。等離子弧溫度高，可熔化目前已知的）也能在等離子射流中熔化并噴涂成形。等離子弧溫度高，可熔化目前

42、已知的任何固體材料；噴射出的微粒速度快、溫度高，形成的噴射涂層質(zhì)量好、結(jié)合強度高。任何固體材料；噴射出的微粒速度快、溫度高，形成的噴射涂層質(zhì)量好、結(jié)合強度高。光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)55藍寶石黑體腔光纖傳感器藍寶石黑體腔光纖傳感器測溫原理測溫原理根據(jù)普朗克定根據(jù)普朗克定律，黑體單色輻射能力律，黑體單色輻射能力 與波長和溫度的關(guān)系。與波長和溫度的關(guān)系。 ）（1ecMTC510T2式中式中 C1為第一輻射常數(shù)，為第一輻射常數(shù)， C2為第二為第二輻射常數(shù)，輻射常數(shù)，T為黑體的熱力學(xué)溫度。為黑體的熱力學(xué)溫度。在溫度在溫度T3000K和波長和波長1，普朗克定律，普朗克定律可以由維恩近似公式代替。

43、可以由維恩近似公式代替。TC510T2ecM原理：原理：藍寶石光纖傳感器藍寶石光纖傳感器光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)56藍寶石光纖傳感器溫度測試系統(tǒng)藍寶石光纖傳感器溫度測試系統(tǒng)光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)57光纖傳感器性能測試光纖傳感器性能測試響應(yīng)時間測試裝置響應(yīng)時間測試裝置采用階躍上升的高功率采用階躍上升的高功率CO2激光束經(jīng)反射鏡后聚焦到涂敷藍寶石黑體腔溫度傳感頭激光束經(jīng)反射鏡后聚焦到涂敷藍寶石黑體腔溫度傳感頭上，成為周期性的熱信號，感溫介質(zhì)膜層吸收上，成為周期性的熱信號，感溫介質(zhì)膜層吸收CO2激光束能量產(chǎn)生熱輻射，用示波激光束能量產(chǎn)生熱輻射，用示波器記錄窄帶光電探測器的輸出，其輸

44、出溫度電壓信號隨階躍激光信號變化而變化，器記錄窄帶光電探測器的輸出，其輸出溫度電壓信號隨階躍激光信號變化而變化，得出傳感器的時間相應(yīng)性能。得出傳感器的時間相應(yīng)性能。藍寶石光纖傳感器響應(yīng)時間波形圖（藍寶石光纖傳感器響應(yīng)時間波形圖（20.0ms）光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)58某導(dǎo)彈發(fā)射箱前框表面溫度測量某導(dǎo)彈發(fā)射箱前框表面溫度測量（1465.56）光纖傳感器瞬態(tài)表面測溫光纖傳感器瞬態(tài)表面測溫火箭發(fā)動機溫度時間曲線火箭發(fā)動機溫度時間曲線（1900.56）導(dǎo)彈發(fā)射瞬間導(dǎo)彈發(fā)射瞬間光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)59光纖傳感器飛機發(fā)動機總溫測量光纖傳感器飛機發(fā)動機總溫測量中國中國J-20戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗

45、機太行發(fā)動機太行發(fā)動機T0總溫，單位為總溫，單位為K；T靜溫，單位為靜溫，單位為K，k常數(shù)常數(shù)總溫與靜溫總溫與靜溫20112kTMaT光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)60幾種典型的總溫?zé)犭娕冀Y(jié)構(gòu)示意圖幾種典型的總溫?zé)犭娕冀Y(jié)構(gòu)示意圖1-1-滯止罩，滯止罩，2-2-氣流進口，氣流進口，3-3-熱電偶熱端，熱電偶熱端，4-4-排氣口，排氣口，5-5-熱電偶套管熱電偶套管光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)61傳感器附近局部溫度分布圖傳感器附近局部溫度分布圖 流體域模型流體域模型光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)62反射光波波長與柵距反射光波波長與柵距的關(guān)系的關(guān)系effn2B式中式中 n neffeff為光

46、柵的等效折射率。當(dāng)光柵插入溫為光柵的等效折射率。當(dāng)光柵插入溫度場時，引起度場時，引起或或n neffeff變化，從而調(diào)制反射光變化，從而調(diào)制反射光波波長。同時，由于熱膨脹也引起柵距的變化波波長。同時，由于熱膨脹也引起柵距的變化，不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，光纖光柵具有以下溫度響，不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，光纖光柵具有以下溫度響應(yīng)特性，應(yīng)特性，TBB其中其中為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖光柵的熱光系數(shù)，所以，光纖光為光纖光柵的熱光系數(shù)，所以，光纖光柵波長的變化與環(huán)境溫度的變化呈線性變柵波長的變化與環(huán)境溫度的變化呈線性變化關(guān)系?；P(guān)系。光纖光柵測溫光纖光柵測溫光纖測溫光纖測溫中北大學(xué)中北大學(xué)63分布式光纖測溫分布式光纖測溫分布式光纖測溫系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感系分布式光纖測溫系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)，它是