熱輻射的基本規(guī)律實(shí)用教案

1、1 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(huì)遇到各種形式的輻射源發(fā)出輻射的問題和測設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)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、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、斯特藩維恩位移定律、斯特藩- -玻耳茲曼定律的基本概念、定義及玻耳茲曼定律的基本概念、定義及計(jì)算。計(jì)算。 學(xué)時(shí)分配：學(xué)時(shí)分配：8 8 重點(diǎn)重點(diǎn)(zhngdin)(zh

2、ngdin)、難點(diǎn)：普朗克公式、維恩位移定律、難點(diǎn)：普朗克公式、維恩位移定律、斯特藩斯特藩- -玻耳茲曼定律的基本概念及計(jì)算。玻耳茲曼定律的基本概念及計(jì)算。 第1頁/共116頁第一頁，共116頁。2引言(ynyn)熱輻射紅外輻射 概念：物體以自身(zshn)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2頁/共116頁第二頁，共116頁。3發(fā)光(f un)分三種 光致發(fā)光（泵浦） 電致發(fā)光 化學(xué)發(fā)光（鬼火(guhu)） 放電(fng din) 激發(fā)輝光放電

3、 弧光放電第3頁/共116頁第三頁，共116頁。4普雷夫定則：在單位時(shí)間內(nèi)，如果(rgu)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4頁/共116頁第四頁，共116頁。53-1 基爾霍夫定律(dngl) 發(fā)射本領(lǐng)：即物體的輻射出射度M，通常寫成MT，因?yàn)镸=f（、T） 吸收本領(lǐng)：即物體的吸收比，也與波長(bchng)和溫度有關(guān)，故寫成T 。 二者之間關(guān)系（稱為基爾霍夫定律）第5頁/共116頁第五頁，共116頁。6 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)(chngsh)（在相

4、同溫度、相同波長條件下）。 式中 MbT黑體的輻射出射度。 bT黑體的吸收比， bT = 1 （黑體的定義）CMMMT3T3T2T2T1T1TbTbTbTbM1MMC第6頁/共116頁第六頁，共116頁。7 基爾霍夫定律的描述： 在給定溫度下，對(duì)某一波長來說，物體的吸收本領(lǐng)(bnlng)和發(fā)射本領(lǐng)(bnlng)的比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對(duì)于一切物體都是恒量。即MT/T對(duì)所有物體都是一個(gè)普適函數(shù)（即黑體的發(fā)射本領(lǐng)(bnlng)），而MT和T兩者中的每一個(gè)都隨著物體而不同。 “發(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7頁/共116頁第七頁，共116頁。8關(guān)于基爾霍夫定

5、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(duì)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(guzo)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(duì)其它發(fā)光不成立。第8頁/共116頁第八頁，共116頁。93-2 黑體及其輻射(fsh)定律黑體是一個(gè)抽象的概念，可以從幾個(gè)方面認(rèn)識(shí)： 1、（理論上講）=1的物體。全吸收，沒有反射(fnsh)和透射。 2、（結(jié)構(gòu)上講）封閉的等溫空腔內(nèi)的

6、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9頁/共116頁第九頁，共116頁。10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(cdng)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(duì)輻射的吸收或透射特性。主要做光源（輻射源）第10頁/共116頁第十頁，共116頁。11普朗克公式： M b黑體的光譜輻射出射度 c 真空光速 c1 第一(dy)輻射常數(shù) c1=2hc2=3.741810-16Wm2 c2 第二輻射

7、常數(shù) c2=hc/k=0.014388mK h 普朗克常數(shù) 6.62617610-34Js k 波爾茲曼常數(shù) 1.3810-23J/K11/512TcbecM第11頁/共116頁第十一頁，共116頁。12第12頁/共116頁第十二頁，共116頁。13曲線的說明（黑體的輻射特性）： M b隨波長連續(xù)變化。對(duì)應(yīng)某一個(gè)溫度就有固定的一條曲線。（一旦溫度確定，則M b在某波長處有唯一的固定值） 溫度越高，M b越大。（全輻射出射度Mb是曲線下面積） 隨著溫度T的升高，M b的峰值波長向短波方向移動(dòng)。（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(lingd)與觀察角度

8、無關(guān)。第13頁/共116頁第十三頁，共116頁。14普朗克公式在以下兩種極限條件下的情況： （1）當(dāng)c2/（T）1時(shí)，即hc/KBT，此時(shí)對(duì)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(fnm)中的1忽略，這時(shí)普朗克公式變?yōu)?這就是維恩公式，它僅適用于黑體輻射的短波部分 TcbecM251第14頁/共116頁第十四頁，共116頁。15（2）當(dāng)c2/（T）1時(shí)，即hc/KBT，此時(shí)對(duì)應(yīng)(duyng)長波或高溫情形，可將普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)展成級(jí)數(shù)，并取前兩項(xiàng) 這時(shí)普朗克公式變?yōu)?這就是瑞利普金公式，它僅適用于黑體輻射的長波部分。 )(122TceTc421TccMb第15頁/共1

9、16頁第十五頁，共116頁。16瑞利金斯公式(gngsh)和經(jīng)典輻射模型的困難 兩種近似(jn s)式在不同T值時(shí)的計(jì)算誤差第16頁/共116頁第十六頁，共116頁。17維恩位移(wiy)定律 令x = c2/T X何值時(shí)M最大，應(yīng) ).(11/512TfecMTcb1)(55251xexcTcxM0 xM2545251) 1() 1(5xxxeexexcTcxM第17頁/共116頁第十七頁，共116頁。18若上式為零 須 解此方程 x = 4.9651142 即：c2/T = 4.9651142 T = 2898 (mK) 此乃維恩位移(wiy)定律，其中的即某溫度T時(shí)黑體輻射出射度 Mb的

10、峰值波長m，通常寫為 xxexex54)1(5=0 Tbm第18頁/共116頁第十八頁，共116頁。19維恩（wien）最大發(fā)射本領(lǐng)定律： 描述黑體光譜輻射(fsh)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 = 1.286710-11Wm-2m-1K-5 （另書 1.286673210-5 Wm-3K-5 ）5/51112BTecMTcmbmm第19頁/共116頁第十九頁，共116頁。20意義： 1、只先知一個(gè)溫度T，便知最大M 所在(suzi)處的波長及M 值。 2、M 數(shù)值隨溫度升高很快。（M bm峰值升高，曲線下面積增大，M 也大）第20頁/共116頁第二十

11、頁，共116頁。21四、斯特番波爾茲曼定律(dngl)描述黑體全輻射出射度與溫度關(guān)系(gun x)的公式。 令 x = c2/T 則 = c2/xT d=-(c2/x2T)dx (積分限:0,則x:0) decdMMTcbb1/510) 1(/2第21頁/共116頁第二十一頁，共116頁。22 因?yàn)?yn wi) 所以 013442101434212210)/(521) 1() 1()() 1()/(22dxexTccdxeTxccdxTxcexTccMxxTxTccb043151dxexx043151dxexx第22頁/共116頁第二十二頁，共116頁。23接上式 令 則 此公式為斯特番波爾

12、茲曼定律(dngl) 其中 = 5.6703210-8Wm-2K-4 4442115TccMb154421cc4TMb第23頁/共116頁第二十三頁，共116頁。243-3 黑體輻射(fsh)的計(jì)算f(T)表 稱為相對(duì)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M和該溫度下峰值(fn zh)波長處的輻射出射度Mm之比。 即 根據(jù)普朗克公式 ()mMfTM11/512TcbecM第24頁/共116頁第二十四頁，共116頁。25根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律 所以 知道一個(gè)T值，就對(duì)應(yīng)一個(gè)f(T)值，即知道一個(gè)溫度T，則在某波長處的輻射出射度M為 這樣即可查表得到M，而不用(byng)普朗克公

13、式計(jì)算了。 5/51112BTecMTcmbmm1111)(/5515/5122TcTceTBcBTecMMTfm5)()(BTTfMTfMm第25頁/共116頁第二十五頁，共116頁。26由斯特番-波爾茲曼定律 則 可得到(d do)從0到某波長的輻射出射度 M0=F（T）T4 則某一波段（12）之間的輻射出射度為 M1-2 =M0-2-M0-1 = F（2T）-F（1T） T440TMTcTceTcdTcMMTF/232400221)()(15)(第26頁/共116頁第二十六頁，共116頁。27第27頁/共116頁第二十七頁，共116頁。28f（T）和F（1T）函數(shù)(hnsh)的規(guī)劃值，（

14、即歸一化，以最大值的地方為1，其它地方相對(duì)減?。?第28頁/共116頁第二十八頁，共116頁。29計(jì)算(j sun)舉例例.已知黑體溫度 T = 1000K，求：其峰值波長、光譜(gungp)輻射度峰值、在=4m處的光譜(gungp)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(gungp)輻射度峰值 根據(jù)維恩最大發(fā)射本領(lǐng)定律 mKKmTbm898. 2100028981245115102867. 1)1000(102867. 1mmWBTMm第29頁/共116頁第二十九頁，共116頁。303.在=4m處的光譜輻射(fsh)出射度 4.在=35m波段內(nèi)的輻射(f

15、sh)出射度 124454100297. 1102867. 1)10004()()(mmWfBTTfMTfMMmm244453100441. 2)2732263372. 0()10003 ()10005 (mWTTFFMm第30頁/共116頁第三十頁，共116頁。31 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(fn zh)波長為 2.全輻射出射度為mTm4 . 93102898289822484/102 . 53101067. 5mWTM第31頁/共116頁第三十一頁，共116頁。323.處于(chy)紫外區(qū)，波長（00.4m）的輻射出射度為 4、處于

16、(chy)可見光區(qū)，波長（0.40.75m）的波長輻射出射度為 5、處于(chy)紅外區(qū)，波長（0.75）的輻射出射度為 04.00M0.40.750MMM75. 0第32頁/共116頁第三十二頁，共116頁。33 例3 如太陽的溫度T=6000K并認(rèn)為是黑體，求其輻射特性(txng) 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 mm48.06000289827484/103 . 760001067. 5mWTMMM14. 04 . 00第33頁/共116頁第三十三頁，共116頁。344、可見光區(qū)的輻射(fsh)出射度為 5、紅外區(qū)的輻射(fsh)出射度為 MM42. 07

17、5. 04 . 0MM44.075.0第34頁/共116頁第三十四頁，共116頁。353.5 發(fā)射率和實(shí)際(shj)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(chn wi)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。 )()(TMTMbh第35頁/共116頁第三十五頁，共116頁。36 半球光譜發(fā)射率定義為 式中，M(T)是實(shí)際物體在溫度T時(shí)的光譜輻射(fsh)出射度，Mb(T)是黑體在相同溫度下的光譜輻射(fsh)出射度。 由以上式子可以得到任意物體在

18、溫度T時(shí)的半球光譜發(fā)射率為 )()(TMTMbh)()(TTh第36頁/共116頁第三十六頁，共116頁。37 可見，任何(rnh)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。 )()(TTh第37頁/共116頁第三十七頁，共116頁。382. 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角的小立體角內(nèi)測量的發(fā)射率。角為零的特殊情況(qngkung)叫做法向發(fā)射率n。n也分為全量和光譜量兩種。

19、方向全發(fā)射率定義為 bLL)(第38頁/共116頁第三十八頁，共116頁。39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(fsh)亮度。因?yàn)長一般與方向有關(guān)，所以()也與方向有關(guān)。 方向光譜發(fā)射率定義為 ( )bLL第39頁/共116頁第三十九頁，共116頁。40物體發(fā)射率的一般變化規(guī)律如下： （1）對(duì)于朗伯輻射體，三種發(fā)射率n，() 和h彼此相等。 對(duì)于電絕緣體，h/n在0.951.05之間，其平均值為0.98，對(duì)這種材料，在角不超過(chogu)65或70時(shí)，()與n仍然相等。 對(duì)于導(dǎo)電體，h/n在1.051.33之間，對(duì)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

20、率約大20%，當(dāng)角超過(chogu)45時(shí)，()與n差別明顯。第40頁/共116頁第四十頁，共116頁。41（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(ynghu)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(duì)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(huì)有差別。第41頁/共116頁第四十一頁，共116頁。42(5)介質(zhì)的光譜發(fā)射率

21、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3m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(duì)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(duì)溫度較高，這是由于(yuy)它在10m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42頁/共116頁第四十二頁，共116頁。43 各種材料的光譜發(fā)射率 第43頁/共116頁第四十三頁，共116頁。443.6 輻射(fsh)對(duì)比度和輻射(fsh)測溫輻射對(duì)比度 輻射

22、對(duì)比度定義為目標(biāo)和背景(bijng)輻射出射度之差與背景(bijng)輻射出射度之比，即 式中， 為目標(biāo)在12波 間隔的輻射出射度， 為背 在12波長間隔的輻射出射度。 TBBMMCMdTMMTT)(21dTMMBB)(21第44頁/共116頁第四十四頁，共116頁。45 能否通過選擇合適的系統(tǒng)光譜(gungp)通帶來獲得最大的輻射對(duì)比度。 計(jì)算波長從0全波帶的對(duì)比度 然后可算出 C3.5 5m=0.413，C814m=0.159可以看出，三種情況的對(duì)比度都較差，且寬帶的對(duì)比度比窄帶的更差。 4304TTTMTTMMMMMMCBBT133. 03001044TT第45頁/共116頁第四十五頁，

23、共116頁。46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(wnd)的微分叫做熱導(dǎo)數(shù)。因?yàn)樵?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(wnd)的微分關(guān)系為 1)(2Tce222)(22)(51)(51) 1(11222TcMeTcececTTMTcTcTcdTcMdTMTM22212121第46頁/共116頁第四十六頁，共116頁。47因?yàn)閷?duì)比度對(duì)溫度的變化率與相對(duì)應(yīng)，所以為求得對(duì)比度，只要求得 即可 采用推導(dǎo)維恩位移(wiy)定律的方法求得光譜輻射出射度變化率的峰值波長c與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為 TM21TM21mTc2411第47頁/共116頁第四十七頁，共116頁。4

24、8 關(guān)系曲線 第48頁/共116頁第四十八頁，共116頁。49 由于輻射的峰值波長m滿足mT=2898（mK），因此最大對(duì)比度的波長c與輻射峰值波長m的關(guān)系滿足 300K是通常地面背景的溫度。其c近似為8m，所以，在不考慮其他(qt)因素的情況下，熱像儀觀察地面目標(biāo)時(shí)，采用814m波段最為理想。 mmc832. 028982411第49頁/共116頁第四十九頁，共116頁。50 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(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(xingdng)時(shí)，這個(gè)黑體的溫度就叫做該物體的輻射溫度T。由 )()(TMT

25、Mb第50頁/共116頁第五十頁，共116頁。51即 得 對(duì)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(fsh)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。44)(TTT4)(TTT第51頁/共116頁第五十一頁，共116頁。522. 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(T)，光譜輻射亮度(lingd)為L(T)。當(dāng)該物體的光譜輻射亮度(lingd)與某一溫度的黑體的光譜輻射亮度(lingd)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 )()(lbTLTL第52頁/共116頁第五十二頁，共116頁。53 而 通常物體的亮溫度用光學(xué)高溫計(jì)

26、測量，對(duì)應(yīng)的波長是0.66m。用維恩近似簡化(jinhu)處理，得 1)(exp(1)()(251TccTTL1)(exp(1)(251llbTccTL22)(lncTTTcTll第53頁/共116頁第五十三頁，共116頁。543. 色溫度 設(shè)有一個(gè)物體的真實(shí)溫度為T，在波長1和2處的光譜發(fā)射率分別為1(T) 和2(T) ，光譜輻射亮度分別L1(T)和L2(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1=0.47m、2=0.66m，分別用維恩近似(jn s)表示，由定義有 第54頁/共116

27、頁第五十四頁，共116頁。55 將上面(shng min)兩式化簡并取對(duì)數(shù)解出T，得 ssTccTccTccTcc22521225211251112511expexpexpexp21)11 ()()(ln1121221cTTTTs第55頁/共116頁第五十五頁，共116頁。56 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(xin b)，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(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)射率隨波長的變化相對(duì)緩慢（一般物體多是這樣），就可以用色溫度來測得接近物體

28、表面(biomin)的真實(shí)溫度。特別是對(duì)于灰體，色溫Ts就準(zhǔn)確地反映了物體的真實(shí)溫度T。第56頁/共116頁第五十六頁，共116頁。57（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(zhji)影響亮溫度和輻射溫度的測量。而上述因素對(duì)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57頁/共116頁第五十七頁，共116頁。58溫度(wnd)檢測技術(shù)1 溫度與標(biāo)定2 測溫方法(fngf)分類及其特點(diǎn)3 熱膨脹式測溫

29、方法(fngf)4 熱阻式測溫方法(fngf)5 熱電式測溫方法(fngf)6 輻射法測溫7 新型溫度傳感器及其測溫技術(shù)第58頁/共116頁第五十八頁，共116頁。59前言(qin yn) 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( jngchng)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(dòng)劇烈程度的標(biāo)志； 溫度與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)。第59頁/共116頁第五十九頁，共116頁。601 溫標(biāo)(wnbio)與標(biāo)定11 溫標(biāo)(wnbio)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)(wnbio)熱力學(xué)溫標(biāo)(wnbio)絕對(duì)氣體溫標(biāo)(wnbio)國際實(shí)用溫標(biāo)(wnbi

30、o)和國際溫標(biāo)(wnbio)1. 2 標(biāo)定第60頁/共116頁第六十頁，共116頁。61溫標(biāo)(wnbio) 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)(wzh)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(duì)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(duì)氣體溫標(biāo) 國際實(shí)用溫標(biāo) 第61頁/共116頁第六十一頁，共116頁。62經(jīng)驗(yàn)(jngyn)溫標(biāo)華氏溫標(biāo) 1 7 1 4 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(nzho)華氏溫

31、標(biāo)，則水的冰點(diǎn)為32，沸點(diǎn)為212第62頁/共116頁第六十二頁，共116頁。63經(jīng)驗(yàn)(jngyn)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 1 7 4 0 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(hu sh wn d)的關(guān)系為 T = t + 32 (1)式中 T華氏溫度(hu sh wn d)值; t攝氏溫度值。第63頁/共116頁第六十三頁，共116頁。64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)(Carnot cycle)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)

32、為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力(yl)為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度絕對(duì)零度與水的三相點(diǎn)溫度分為27316份，每份為1 K (Kelvin) 。第64頁/共116頁第六十四頁，共116頁。65絕對(duì)(judu)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(duì)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(tj)； R普適常數(shù)； T熱力學(xué)溫度。 當(dāng)氣體的體積(tj)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65頁/共116頁第六十五頁，共116頁。66國際(guj)實(shí)用溫標(biāo) 指導(dǎo)思想：盡可能地接近( jij

33、n)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(huì)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(huì)批準(zhǔn)建立了新的國際溫標(biāo)，簡稱ITS一90。第66頁/共116頁第六十六頁，共116頁。67ITS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： 0.655.0K，用3He和4He蒸汽溫度計(jì)； 3.024.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計(jì)； 13.803K961.78，用鉑電

34、阻溫度計(jì)； 961.78以上，用光學(xué)或光電高溫計(jì)； 新確認(rèn)(qurn)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)。9090273.15tT第67頁/共116頁第六十七頁，共116頁。68第68頁/共116頁第六十八頁，共116頁。692 測溫方法(fngf)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常(tngchng)可分成接觸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69頁/共116頁第六十九頁，共116頁。70接觸式溫度(wnd)測量 測溫精度相對(duì)較高，直觀可靠及測溫儀表價(jià)格相對(duì)較低； 由于感溫元件與被測介質(zhì)直

35、接接觸，從而(cng r)要影響被測介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會(huì)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70頁/共116頁第七十頁，共116頁。71非接觸式溫度(wnd)測量 感溫元件不與被測對(duì)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(duì)象的溫度; 非接觸式測溫具有不改變(gibin)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(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn)。第71頁/共116頁第七十一頁，共116頁。72接觸式與非接觸式測溫特點(diǎn)(tdin)比較方 式 接 觸 式 非 接 觸 式 測量 條件 感溫元件要與

36、被測對(duì)象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對(duì)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(duì)象不對(duì)感溫元件產(chǎn)生腐蝕 需準(zhǔn)確知道被測對(duì)象表面發(fā)射率；被測對(duì)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(duì)象的連續(xù)在線測溫，對(duì)高于l 300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(dòng)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(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí) 通常為1.0、1.5、2.5級(jí) 響應(yīng) 速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘 快，通常為23秒鐘 其它 特點(diǎn) 整個(gè)測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

37、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72頁/共116頁第七十二頁，共116頁。73各類溫度檢測方法構(gòu)成(guchng)的測溫儀表的大體測溫范圍第73頁/共116頁第七十三頁，共116頁。743 熱膨脹式測溫方法(fngf) 3.1.玻璃(b l)溫度計(jì) 3.2壓力溫度計(jì) 3.3雙金屬溫度計(jì)第74頁/共116頁第七十四頁，共116頁。75玻璃(b l)溫度計(jì) 玻璃液體溫度計(jì)簡

38、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(nngyun)，易破損，測溫值難自動(dòng)遠(yuǎn)傳記錄。第75頁/共116頁第七十五頁，共116頁。76玻璃溫度計(jì)的分類：全浸式：測溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度(kd)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)(gngy)玻璃溫度計(jì)第76頁/共116頁第七十六頁，共116頁。77壓力(yl)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

39、汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)(hnsh)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77頁/共116頁第七十七頁，共116頁。78 這類壓力溫度計(jì)其毛細(xì)管細(xì)而長(規(guī)格為160m)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( jyu)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)(ji din)壓力式溫度計(jì)第78頁/共116頁第七十八頁，共116頁。79雙金屬溫度計(jì)固體(gt)長度隨溫度變化的情況可用下式表示：基于固體(gt)受熱膨脹原理，測量溫度通常是把兩片

40、線膨脹系數(shù)差異相對(duì)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(duì)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：10101LLk tt第79頁/共116頁第七十九頁，共116頁。80雙金屬溫度計(jì)原理圖第80頁/共116頁第八十頁，共116頁。81 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(dzh)為-80600，精度等級(jí)通常為1.5級(jí)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81頁/共116頁第八十一頁，共116頁。

41、824熱阻式測溫方法(fngf) 4.1鉑電阻(dinz)測溫 4.2銅電阻(dinz)和熱敏電阻(dinz)測溫第82頁/共116頁第八十二頁，共116頁。83 基于( jy)熱電阻原理測溫是根據(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(hào)，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(hào)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(lì)、有（會(huì)影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太

42、高。第83頁/共116頁第八十三頁，共116頁。84鉑電阻測溫概述鉑電阻(IEC)的電阻率較大，電阻溫度(wnd)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(hào)為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。 當(dāng) 時(shí) 當(dāng)時(shí) 2000t 0850t 2301100R tRAtBtCtt 201R tRAtBt第84頁/共116頁第八十四頁，共116頁。85銅電阻(dinz)和熱敏電阻(dinz)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/

43、2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250以上(yshng)溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號(hào)分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40120。其電阻值與溫度的關(guān)系為： 當(dāng)時(shí)50150t 2301R tRAtBtCt第85頁/共116頁第八十五頁，共116頁。86銅電阻(dinz)第86頁/共116頁第八十六頁，共116頁。87半導(dǎo)體熱敏電阻(r mn din z) 熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大12個(gè)數(shù)量級(jí)； 很好地與各種( zhn)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； 體積小； 熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合；

44、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)。第87頁/共116頁第八十七頁，共116頁。88 熱敏電阻的主要缺點(diǎn)(qudin)： 阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重； 元件的一致性差，互換性差； 元件易老化，穩(wěn)定性較差； 除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0150范圍，使用時(shí)必須注意。第88頁/共116頁第八十八頁，共116頁。89 熱敏電阻(r mn din z)圖示：第89頁/共116頁第八十九頁，共116頁。905熱電式測溫方法(fngf)5.1熱電偶測溫5.2集成(j chn)溫度傳感器AD590第90頁/共116頁第九十頁，共116頁。91熱電偶測溫原理(yunl) 熱電偶的測溫原理基

45、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(shuxin)發(fā)現(xiàn)提出，故又稱塞貝克效應(yīng)（如圖所示）。第91頁/共116頁第九十一頁，共116頁。92 熱電偶閉合回路(hul)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(dòng)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92頁/共116頁第九十二頁，共116頁。93

46、 熱電偶兩熱電極分別叫 A（為正極）和B（為負(fù)極），兩端(lin dun)溫度分別為 ，且 ；則熱電偶回路總電勢為： 0TT、0TT 0000ABABABABETTETETETTETT，第93頁/共116頁第九十三頁，共116頁。94 工業(yè)用熱電偶測溫范圍(fnwi)第94頁/共116頁第九十四頁，共116頁。95集成(j chn)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-50150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(o pn)晶體管大小的集成化半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。半導(dǎo)體A

47、D590第95頁/共116頁第九十五頁，共116頁。966 輻射(fsh)法測溫 6.1輻射(fsh)測溫的基本原理 6.2光譜輻射(fsh)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96頁/共116頁第九十六頁，共116頁。97 任何物體(wt)，其溫度超過絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體(wt)內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的，其中與物體(wt)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(duì)被測物體(wt)熱輻射能量進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定被測物體(wt)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(wt

48、)或被測介質(zhì)直接接觸。第97頁/共116頁第九十七頁，共116頁。98輻射(fsh)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(shy)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0.340m。 相關(guān)概念： 絕對(duì)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(duì)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98頁/共116頁第九十八頁，共116頁。99 輻 射 測 溫 的 物 理 基 礎(chǔ) 是 普 朗 克 ( P t a n c k ) 熱 輻 射 定 律 和 斯 蒂 潘 一 玻 耳 茲 曼(Stef

49、an Boltzmann)定律。絕對(duì)( judu)黑體的光譜輻射亮度L(，T)與其波長、熱力學(xué)溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定： 21/51CTCLTe ，第99頁/共116頁第九十九頁，共116頁。100 不同溫度下的輻射出射度曲線，其曲線峰值點(diǎn)的波長 m和溫度T均滿足維恩位移定律(dngl)。 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(dngl)：40)(TTM第100頁/共116頁第一百頁，共116頁。101光譜(gungp)輻射溫度計(jì) 依據(jù)物體光譜(gungp)輻射出射度或輻射亮度和其溫度T的關(guān)系，可以測出物體的溫度。 目前國內(nèi)外使用的光譜(gungp)輻射溫度計(jì)都是根據(jù)被測物體的光譜(gungp)輻射亮度來確定物體的溫度。第101頁/共116頁第一百零一頁，共116頁。102比色高溫計(jì) 比色溫度(wnd)定義為：絕對(duì)黑體輻射的兩個(gè)波長1和2的亮度比等于被測輻射體在相應(yīng)波長下的亮度比時(shí)，絕對(duì)黑體的溫度(wnd)就稱為這個(gè)被測輻射體的比色溫度(wnd)。 絕對(duì)黑體，對(duì)應(yīng)于波長1與2的光譜輻射亮度之比R，可用下式表示： 2010LLR5