热工基础培训讲义

1、第一章 温度计量第一节 温度和温标温度是表征物体冷热程度的物理量，是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，它是决定一系统是否与其它系统处于平衡的宏观性质。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。为了判断温度的高低，只能借助于某种物质的某种特性（如体积、长度和电阻等）随温度变化的规律来测量，于是就会有形形色色的温度计。但是，迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计（或物质）。比较理想的物质及相应的物理性质有：固体、液体、气体的热膨胀性质；导体或半导体受热后电阻值变化的性质；热电偶的热电势和物体的热辐射。利用这些物理性质制成的测温仪表被广泛的应用着。此外，也应用了一些新的测

2、温原理，如射流测温、涡流测温、激光测温等。 温度是一个很重要的物理量，是国际单位制中7个基本单位之一。（长度米（m）、质量千克（kg）、时间秒（s）、电流安培（a）、热力学温度开尔文（k）、物质的量摩尔（mol）、发光强度坎德拉（cd）七个国际制基本单位。） 在自然界任何物体的物理和化学性质都与温度有着密切的联系，如，水因温度降低而变成冰，又因温度升高而变为水蒸气，至于水的温度降低到什么程度才会结冰，什么程度才会变为水蒸气，这都需要对温度进行测量。许多物理性质均与温度有密切的关系。如物质的电阻率、电导率、磁化率、比容率、膨胀系数、热电动势等都与温度有关；其他如各种气体的压强、声波在气体中的传播

3、速度，以及各种液体、流体的密度、海水的盐度和空气的湿度等都随温度而变化。因而在科研和生产活动，甚至人们的日常生活中，都离不开温度。温度的特殊之处还在于必须有一个温标，给温度以数字表示。有了温标以后，人们就能比较不同时间、空间的各种温度量值。1.1 温标温标是温度的数值表示方法，是用来衡量物体温度的尺度。它规定了温度读数的起点(零点)和测量温度的单位，各种温度计的刻度值均由温标确定。常用的有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际温标等。一、摄氏温标和华氏温标摄氏温标是经验温标之一，亦称“百分温标”。温度符号为t，单位是摄氏度，国际代号是“”。分度方法是把标准大气压下水的冰点定为零度（0），把水的沸

4、点定为100度（100），用这两个固定点分度玻璃水银温度计，在这两固定点间划分100等分，每一等分为摄氏一度，计为1。华氏温标是目前欧美一些国家采用的一种温度表示方法，规定标准大气压下纯水的冰点为32 ，沸点为212 。华氏温标和摄氏温标的换算公式是：二、热力学温标(k)热力学温标是一种与工质无关的温标，它以热力学第二定律为基础，已由国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。热力学温标所确定的温度数值称为热力学温度（单位为k）。三、国际温标第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的温标，称为“1927年国际温标”，记为its-27。此后大约每隔20年进行一次大修改。1954年国际计量

5、大会决定把水三相点的热力学温度规定为273.16k，其单位为开尔文，符号为k。为了统一摄氏温标和热力学温标，1960年国际计量大会对摄氏温标予以新的定义，规定它应由热力学温标导出，即t=t-273.15例如水的三相点温度，用国际实用摄氏度表示为0.01 ，用国际实用开尔文温度表示为0.01+273.15273.16k。目前，国际上通用的国际温标是1989年7月第77届国际计量委员会（cipm）批准的新温标its-90，我国从1994年1月1日起实行新温标。its-90的热力学温度仍记作t，为了区别以前的温标，用“t90”代表新温标的热力学温度，其单位仍然是k。与此同时的摄氏温度记为t90，其单

6、位是“”。t90与t90的关系是t90=t90 - 273.151.1.3 温标的建立 国际实用温标的三要素 必须有在温度固定点上分度的标准器 必须有复现固定点的温度 必须确定各定义固定点温度间的内插公式一、固定点 物质有三种不同的状态，即气态、液态和固态。这三种状态也被称为三相。相是系统中物理性质均匀的部分，这是物质分子集结的特定形态。在特定的温度和压力下，一种相可以转变为另一种相，即相变。物质在相变的过程中，会呈现二态和三态共存，而温度是恒定不变的。物质不同相之间的可复现的平衡温度称为固定温度点，简称固定点。二、测温仪器 固定点被确定后，要选定一种测温物质制成测温仪器，即温度计，作为实现温

7、标的仪器。 自然界许多物质的物理性质随温度的改变而发生变化，正确利用这些性质，就可以制造出不同用途的温度计。例如，利用水银的体积随温度变化而相应变化的特征，制造水银温度计；利用铂丝的电阻值随温度变化的特性，制成铂电阻温度计等。三、内插公式在固定点的温度值确定后，用来确定任意点温度值的数学关系式，称为内插公式。例如：假定某一测温变量y于温度t的变化呈简单线性关系。有： ykt+c式中：k为比例系数，c为常数，即初始值。第二节 温度的测量方法和仪器2.1 测量方法测量方法一般分两大类，即接触式和非接触式。 接触式就是测温的传感器直接与被测介质接触，使被测介质与温度传感器充分进行热交换达到热平衡完成

8、测量。仪器的种类主要包括热膨胀（固、液、气），热电阻，热电偶。 非接触式即温度传感器不直接与被测物体接触，而是利用物体热辐射，通过辐射能量（或亮度）的检测实现测温。仪器的种类包括辐射法，亮度法，比色法。2.2 接触式测温仪表接触式测量方法所使用的测温仪表主要分为膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶。膨胀式温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。膨胀式温度计按选用的物质不同可分为液体膨胀式温度计（水银温度计、酒精温度计）、气体膨胀式温度计（压力式温度计）和固体膨胀式温度计三大类。对于液体膨胀式温度计，根据填充的工作液体不同又可分为水银温度计和有机液体温度计。固体膨胀温度计，按结构不同又可分为双金属温

9、度计和杆式温度计两种。玻璃液体温度计按结构划分，有棒式（杆状）、内标式（双套管）、外标式。2.3 玻璃液体温度计 玻璃液体温度计按浸没方式分为全浸式（要求液柱露出被测介质表面不得大于15mm）、局浸式（使用时要求温度计插入到温度计局浸刻度线，或温度计所标志的固定点）两大类。玻璃液体温度计是利用透明玻璃感温泡和毛细管内感温液体的热胀冷缩性质来测量温度。安全泡：毛细管顶部的扩大部位，其作用是当被测温度超过温度计上限一定温度时，保护温度计不致损坏 中间泡：毛细管内径的扩大部位，其作用是容纳部分感温液，以缩短温度计长度。2.4 双金属温度计双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它

10、是一种固体膨胀温度计。其结构简单、牢固，可将温度变化转换成机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。双金属温度计的工作原理如图8.2-1所示, 将其一端固定, 如果温度升高, 下面的金属b（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属a（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。图8.2-2为双金属温度计的结构。它的感温元件通常绕成螺旋形，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。2.5 热电偶热电偶温度计以热电偶作为

11、测温元件测得与温度相应的热电动势由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-200 1300范围内的温度，特殊情况下，可测至2800的高温或4k的低温。它具有结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制以及对温度信号的放大、变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。2.5.1 热电偶测温原理热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同材料的导体a和b串接成一个闭合回路，当两个接点电1和2的温度不同时，如果tt0 （如图1-1热电效应），在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效

12、应。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为eab，导体a，b称为热电极。接点1通常是焊接在一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端(或工作端热端)。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体a与b接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触

13、区的温度成正比。设导体a和b的自由电子密度为na和nb，且nanb，电子扩散的结果使导体a失去电子而带正电，导体b则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为式中k玻耳兹曼常数，k=1.3810-23j/k；e电子电荷量，e1.610-19 c；t接触处的温度，k；na，nb分别为导体a和b的自由电子密度。因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温端（t）电子将向低温端（t0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位

14、差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势，它与温度的关系为式中为汤姆逊系数，表示温差1所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。导体a和b组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eab(t)与eab(t0)，又因为tt0，在导体a和b中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势eab(t,t0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即： 对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度t的单值函数，即eab(,t0)=f(t)。这就是热电偶测量温度的基本原理。在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导

15、线和仪表。2.5.2有关热电偶测温的基本原则一、 均质导体定则。由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。二、 中间导体定则。在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。根据这一定则，可以将热电偶的一个接点断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入

16、第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。三、参考电极定则。两种导体a, b分别与参考电极c(或称标准电极)组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，a和b两极配对后的热电动势可用下式求得：由此可见，只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。由于铂的物理化学性质稳定、熔点高、易提纯，所以人们多采用高纯铂作为参考电极。2.5.3常用热电偶适于制作热

17、电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有4050种。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为s)、铂铑13-铂(r)、铂铑30-铂铑6(b)、镍铬-镍硅(k)、镍铬-康铜(e)、铁-康铜(j)、铜-康铜(t)和镍铬硅-镍硅(n)。下面简要介绍其中几种。一、铂铑10-铂热电偶由0.5mm的纯铂丝和直径相同的铂铑丝制成，分度号为s。铂铑丝为正极,纯铂丝为负极。它的特点是热电性能好，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期适用的温度为1400，超过此温度时，即使在空气中纯铂丝也将再结晶而使晶粒增大。短期使用温度为1600

18、。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高,通常用作标准或测量高温的热电偶，其使用温度范围广（01600），均质性及互换性好；其缺点是价格昂贵,热电势较小，需配灵敏度高的显示仪表。二、镍铬-镍硅(镍铝)热电偶镍铬为正极，镍硅为负极，分度号为k。其特点是：使用温度范围宽（-501300），高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000。三、镍铬康铜热电偶镍铬为正极，康铜为负极，分度号为e。它的最大特点是在常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高，适宜在250 870 范围内的

19、氧化性或惰性气氛中使用,尤其适宜在0以下使用。在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。四、铜-康铜热电偶 纯铜为正极，康铜为负极，分度号为t。其特点是：在贱金属热电偶中准确度最高，热电丝均匀性好，使用温度范围为-200 350。 此外，还有非标准化热电偶，有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑系列，铂钼系列及非金属热电偶等。2.5.4 热电偶冷端的温度补偿根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。常用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0为先决条件的。但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响

20、，不仅难于保持0，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用补偿导线法和参考端温度恒定法。通常，用补偿导线将热电偶的参考端引至显示仪表，而显示仪表放在恒温或温度波动较小的地方。采用某两种导线组成的热电偶补偿导线，在一定温度范围内（0100）具有与所连接的热电偶相同的热电性能。图1-4为补偿导线在回路中的连接示意。必须指出，不同的热电偶要配不同的导线，不能用错。采用参考端温度恒定法时，参考端的形式见表1-1所示。 表1-1参考端的形式和用途参考端形式用途冰点式常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物用于校正标准热电偶等高精度温度测量电子式利用半导体制

21、冷的原理, 冷却密封的水槽,从而把参考端温度保持在0,体积小,操作简单用于热电温度计的温度测量恒温槽式利用温度调节器将温度恒定。如果它的温度不是0, 要用其它温度计测出其温度并进行修正补偿式利用不平衡电桥进行补偿,又称补偿电桥法室温式无参考端恒定装置, 或将参考端置于油中利用油的惰性使参考端温度保持一致及接近室温用于精度不太高的测量当温度恒定或变化很小又不为0时，还必须用热电势修正法修正。 接线盒引出线套管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管等几个主要部分组成，其常见外形结构如图所示。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上

22、百米薄壁金属 保护套管（铠体） ba绝缘 材料铠装型热电偶横截面2.6 电阻温度计电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件，它由热电阻体（感温元件）、连接导线和显示或纪录仪表构成。习惯上将用作标准的热电阻体称为标准温度计,而将工作用的热电阻体直接称为热电阻。它们广泛用于测量-200850范围内的温度。在常用的电阻温度计中，标准铂电阻温度计的准确度最高，并作为国际温标中961.78以下内插用标准温度计。同热电偶相比，具有准确度高，输出信号大，灵敏度高，测温范围广，稳定性好,输出线性好等特性；但结构复杂，尺寸较大，因此热响应时间长，不适于测量体积狭小和温度瞬变区域。热电阻按

23、感温元件的材质分金属与半导体两类。金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻；半导体有锗、碳和热敏电阻等。按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。按结构分为绕线型、薄膜型和厚膜型等。2.6.1铂、铜热电阻铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是200850。除作为温度标准外，还广泛用于高精度的工业测量。常用的标准化铂电阻（ pt10和pt100，前者铂丝粗，可靠用于600 0c以上的测温，后者用的较多）由热电阻体至接线端子的连接导线称为引出线。内引出线要选用纯度高，与电阻丝、接线端子之间

24、产生的热电势小，而且在最高使用温度下不挥发、抗氧化、不变质的材料。工业用铂电阻用银丝作引出线，高温下用镍丝作引出线。铜和镍电阻可用铜丝和镍丝作引出线。引出线的直径比电阻丝的直径大得多，这样可减少引出线电阻。热电阻引出线有两线制，三线制，四线制三种。（1）两线制：在热电阻的电阻丝两端各连接一根导线的引出线方式。这种热电阻测温时都存在引出线电阻变化产生的附加误差。（2）三线制：在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出铜热电阻的使用范围是-50150，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250以上易氧化。铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。线。测温时

25、它可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制电阻。（3）四线制：在热电阻体的电阻丝两端各连出两根引出线。测温时，它不仅可以消除引出线电阻的影响，还可以消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响。四线制多用在标准铂电阻的引出线上。工业应用中提高温度测量精度，一般采用三线制，来消除线路电阻的影响薄膜型铂热电阻 普通型铠装铂热电阻汽车水温表铜热电阻2.6.2热敏电阻热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。广泛应用于家电、汽车、测量仪器等领域。优点如下：(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10100倍；(2)结构简单，体积小，可以测量“点”温度；(3)电阻率高，热惯性小

26、，适宜动态测量；(4)功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。缺点是阻值与温度的关系呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。除高温热敏电阻外，不能用于350以上的高温。热敏电阻是由两种以上的过渡金属mn、co、n、fe等复合氧化物构成的烧结体，根据组成的不同，可以调整它的常温电阻及温度特性。多数热敏电阻具有负温度系数，即当温度升高时电阻值下降，同时灵敏度也下降。此外，还有正温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻。负温度系数的热敏电阻-温度特性曲线可用如下经验公式描述式中rt ，rt0温度为t、t0时热敏电阻的阻值； b热敏指数。 热敏电阻由热敏探头，引线和壳体等构成，见图。根据不同的使用

27、需求，热敏电阻可制成不同的结构形式。2.7 非接触测温仪表2.7.1 全辐射温度计全辐射温度计由辐射感温器、显示仪表及辅助装置构成。其工作原理如图所示。被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆（由一组微细的热电偶串联而成）上并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。图中补偿光栏由双金属片控制，当环境温度变化时，光栏相应调节照射在热电堆上的热辐射能量，以补偿因温度变化影响热电势数值而引起的误差。绝对黑体的热辐射能量与温度之间的关系为e0=t 4(w/m)。但所有物体的全发射率t均小于1，则其辐射能量与温度之间的关系表示为e0=tt 4(w/m)。一般全辐射温度计

28、选择黑体作为标准体来分度仪表，此时所测的是物体的辐射温度，即相当于黑体的某一温度tp。在辐射感温器的工作谱段内，当表面温度为tp的黑体之积分辐射能量和表面温度为t的物体之积分辐射能量相等时，即tp4=tt 4，则物体的真实温度为因此，当已知物体的全发射率t和辐射温度计指示的辐射温度tp时，就可算出被测物体的真实表面温度。2.7.2光学高温计和光电高温计光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计之一。它结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。目前广泛用于高温熔体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业部门十分重要的高温仪表。光学高温计是利用受热物体的单色

29、辐射强度随温度升高而增加的原理制成的，由于采用单一波长进行亮度比较，因而也称单色辐射温度计。物体在高温下会发光，也就具有一定的亮度。物体的亮度b与其辐射强度e成正比，即：b=ce，式中c为比例系数。所以受热物体的亮度大小反映了物体的温度数值。通常先得到被测物体的亮度温度，然后转化为物体的真实温度。光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。最近，由于光电探测器、干涉滤光片及单色器的发展，使光学高温计在工业测量中的地位逐渐下降，正在被较灵敏、准确的光电高温计所代替。在光学高温计基础上发展起来的光电高温计用光敏元件代替人眼，实现了光电自动测量

30、。特点如下：(1)灵敏度和准确度高；(2)波长范围不受限制，可见光与红外范围均可，测温下限可向低温扩展；(3)响应时间短；(4)便于自动测量和控制，能自动记录和远距离传送。比色温度计通过测量热辐射体在两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为比色温度计。图8.2-8为光电高温比色计的工作原理。被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6上，它使长波（红外线）辐射线透过，而使短波（可见光）部分反射。透过分光镜的辐射线再经滤光片9将残余的短波滤去，尔后被红外光电元件硅光电池10接收，转换成电量输出；由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被可见光硅光电池8接收，转换成与波

31、长亮度成函数关系的电量输出。将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比，即可读出被测对象的温度值。光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上，在经反射镜11、目镜12和棱镜13，便能从观察系统中看到被观测对象的状态，以便校准仪器的位置。这种高温计属非接触测量，量程为8002000，精度为0.5，响应速度由光电元件及二次仪表记录速度而定。其优点是测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实温度，环境的粉尘、水气、烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业部门。2.7.3红外温测红外测测温也是基于辐射原理来测温的。一、红外探测器红外

32、探测器是红外探测系统的关键元件。目前已研制出几十种性能良好的探测器，大体可分为两类：热探测器。它基于热电效应，即入射辐射与探测器相互作用时引起探测元件的温度变化，进而引起探测器中与温度有关的电学性质变化。常用的热探测器有热电堆型、热释电型及热敏电阻型。光探测器（量子型）。它的工作原理基于光电效应,即入射辐射与探测器相互作用时激发电子。光探测器的响应时间比热探测器短得多。常用的光探测器有光导型（即光敏电阻型，常用的光敏电阻有pbs，pbte及hgcdte等）及光生伏特型（即光电池）。目前用于辐射测温的探测器已有长足进展。我国许多单位可生产硅光电池，钽酸钾热释电元件，薄膜热电堆热敏电阻及光敏电阻等

33、。二、红外测温仪红外测温仪的工作原理如图8.2-9所示。被测物体的热辐射线由光学系统聚焦，经光栅盘调制为一定频率的光能，落在热敏电阻探测器上，经电桥转换为交流电压信号，放大后输出显示或记录。光栅盘由两片扇型光栅板组成，一块固定，一块可动，可动板受光栅调制电路控制，并按一定频率正、反向转动，实现开(透光)、关(不透光)，使入射线变为一定频率的能量作用在探测器上。表面温度测量范围为0600，时间常数为410ms。三、红外热像仪红外热像仪测温基于被测物体的红外热辐射。它能在一定宽温域做不接触、无害、实时、连续的温度测量。被测物体的温度分布形成肉眼看不见的红外热能辐射，经红外热像仪转化为电视图像或照片

34、，其工作原理如图8.2-10所示。光学系统收集辐射线，经滤波处理后将景物图形聚集在探测器上，光学机械扫描包括两个扫描镜组：垂直扫描和水平扫描。扫描器位于光学系统和探测器之间，当镜子摆动时，从物体到达探测器的光束也随之移动，形成物点与物象互相对应。然后探测器将光学系统逐点扫描所依次搜集的景物温度空间分布信息，变为按时序排列的电信号，经过信号处理后，由显示器显示出可见图象物体温度的空间分布情况。目前许多国家都已有热像仪的产品出售。如日本的jtg-ja型热像仪，其测温范围为01500，并分为三个测量段。0180，适于测量机床温度场；100500和3001500，适于测量工件或刀具的温度场第二章 流体

35、静力学一、压力垂直作用在物体表面上的力叫做压力。当受力面积相同时，压力越大，压力作用效果越明显。当压力相同时，受力面积越小，压力作用效果越明显。二、压强的计算单位面积上所受到的压力大小叫做压强。m2=1pa 表示1米2面积上受到的压力是1牛。三、压强的增大与减小增大压强：压力一定时，减小受力面积 受力面积一定时，增大压力减小压强：压力一定时，增大受力面积 受力面积一定时，减小压力2.1 流体静压强及其特性一、流体静压强液体内部向各个方向都有压强，压强随深度的增加而增大，同种液体在同一深度的各处，各个方向的压强大小相等。不同的液体在同一深度产生的压强大小与液体的密度有关，密度越大，液体的压强越大

36、。二、液体压强的应用连通器：静止在连通器内的同一种液体，各部分直接与大气接触的液面总保持在同一高度。三、液体压强的传递加在密闭液体上的压强，能够大小不变地被液体向各个方向传递。如图2.2.1，在均质的静止流体中任取一分离体，将此分离体用一平面切成、两部分,并取走部分。去掉后，要保持部分的平衡，在面上必须加上原来部分流体对部分的作用力。设作用在m点周围微小面积上的合力为，根据压强的定义，其平均压强为 （n/m） 当面积无限缩小到点时，则得 （n/m或） 外部流体作用在流体内部点上而产生的压力，称流体静压力。流体静压强作用在单位面积上的力。 四、流体静压强的特性流体静压强有两个重要特性： (1)

37、流体静压强的方向必然重合于受力面的内法线方向。 (2) 平衡流体中任意点的静压强值只能由该点的坐标位置来决定，而与该压强的作用方向无关。即：平衡流体中各点的压强只是位置坐标()的连续函数,与作用方向无关。 证明略 2.2 流体的平衡微分方程一、流体平衡微分方程在平衡流体中取六面体流体微团，如图示。该微团在质量力和表面力的作用下处于平衡状态。质量力在、坐标轴方向的分量为=；=； = 1-2 面及3-4面的重心、处的压强分别为为 = 该微团在质量力和表面力的作用下处于平衡状态。 沿轴方向 即 得 -0 （） 图2.2.1 微小平行六面体同理，沿轴得 -=0 （） 沿轴得 -=0 （） 欧拉平衡微分

38、方程式（1755）。表明了单位质量流体所承受的质量力和表面力沿各轴的平衡关系，平衡流体微团的质量力与表面力无论在任何方向上都应保持平衡，即质量力与该方向上表面力的合力应该大小相等，方向相反。二、流体平衡微分方程的积分求在给定质量力作用下，平衡流体中压强的分布规律，将欧拉平衡微分方程各式依次乘以、，整理相加得在一般情况下，流体静压强只是坐标的函数，由数学知，这一多变量函数的全微分为 d=它表明：压强值在空间上的变化是由质量力引起并决定的。对不可压缩流体。=常量，上式的左边是压强的全微分，其右边亦应是该压强所对应的某一坐标函数的全微分，若此函数以表示，则 即 由此可以看出 这里，函数是一个决定流体

39、质量力的函数力的势函数。当质量力用这样的函数来表示时有势的质量力，简称为有势力。例如，重力、惯性力等都是有势力。对式积分得 积分常数，代入上式得 平衡流体中压强的分布规律。已知=f（），可求任意点的。三、帕斯卡定律（自学）要点：1什么是帕斯卡定律？2、帕斯卡定律的适用条件？3、帕斯卡定律有哪些应用？四、等压面在平衡流体中，压强相等的各点所组成的面称为等压面。 特征：（1）等压面为等势面。 （2）等压面是一个垂直于质量力的面。2.3 流体静力学基本方程 研究质量力只有重力，即绝对平衡流体中的压强分布规律及其计算等问题。一、 静止液体中压强分布规律如图示。单位质量力在各轴上的投影为 代入式 或 积

40、分得 （常数） 静止液体中压强的分布规律，称流体静力学基本方程。 图2.3.1 重力平衡液体 对静止流体中1、2两点，可写成如下形式 由上式看出： （1） 当时，则，即等压面为水平面。（2） 当时，则，即位置较低点处的压强恒大于位置较高点处的压强。（3） 当已知任一点的压强及其位置标高时,便可求得液体内其它点的压强。二、静止液体中的压强计算 积分常数， 因此 式中表示液体质点在自由表面以下的深度，若用表示，上式可写成 为静止液体中的压强计算公式。该式表明：任意位置处，h、p意义：静止流体中任一点c处的压强p等于表面压强与液柱重量之和：三、静止液体中的等压面（自学） 要点：1、静止液体中等压面的

41、形状2、各种复杂情况下等压面的判断？四、绝对压强、相对压强和真空度压强值的大小 ，从不同基准计算就有不同的表达方法。 (1) 绝对压强以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点（起量点）计量的压强，它表示该点压强的全部值 (2) 相对压强 以当时当地大气压强作为零点计量的压强，也称为表压强。 (3) 真空度 真空度是该点绝对压强小于当地大气压强的数值。 因为 所以 可见，有真空存在的点，相对压强为负值，真空度为正值。因而真空有时也称为负压。 真空原理在日常生活中的应用：滴管抽取液体、深井抽水等。 第三章 压力测量压力的定义为作用在单位面积上的力，压力的测试一般都是根据帕斯卡定律密闭容器（管路）中

42、的静压平衡来实现的。物理中液体压强部分有一条很有用的定律，叫做帕斯卡定律，是法国科学家帕斯卡提出来的。这个定律指出：加在密闭液体任一部分的压强，必然按其原来的大小，由液体向各个方向传递。3.1 压力标准分类压力标准根据其工作的原理可以分为两大类n 一类为通过平衡法来产生压力的标准装置机械式的压力标准装置n 另一类为通过传感器技术和测控技术来进行压力测试的标准装置数字式的压力标准装置。一、机械式压力标准工作原理 机械式的压力标准装置通过平衡法和帕斯卡定律来产生/测量压力，具体又可以分为活塞式和浮球式双活塞式压力真空计。这类压力标准从压力的定义出发，通过砝码的重力来产生压力，当活塞处于工作状态时，

43、压力计输出一个标准的压力值。aef1f2传压介质二等活塞式压力计一等活塞式压力计活塞式/浮球式压力标准具有操作简单、准确度高、稳定性好的优点。由于活塞或浮球的受力面积可以测量的非常准确，砝码的自重也可以测量的非常准确，所以机械式的压力标准一般精度都非常高，而且稳定性也非常好。浮球式压力计浮球式压力计是以压缩空气或氮气作为压力源，以精密浮球处于工作状态时的球体下部的压力作用面积为浮球有效面积的一种气动负荷式压力计。如图所示，精密浮球置于筒形的喷嘴内部，专用砝码通过砝码架作用在球体的顶端，喷嘴内的气压作用在球体下部，使浮球在喷嘴内飘浮起来。当已知质量的专用砝码所产生的重力与气压的作用力相平衡时，浮

44、球式压力计便输出一个稳定而精确的压力值。3.2 一般压力表、压力真空表和真空表弹性式压力计是利用弹簧等元件的弹性力来测量压力，它是测压仪表（如氧气表）中常用的压力计。由于弹性元件的结构和材料不同，因此各压力计的弹性位移与被测压力的关系不尽相同。物理化学实验室常用的是单管弹簧式压力计（如图所示）。被测压力系统的气体从弹簧管固定端进入，通过弹簧管自由端的位移带动指针运动，指示压力值。1.接头5.弹簧管2.衬盘6.传动机构（机芯）3.度盘7.连杆4.指针8.表壳常见压力表一、普通表一般压力表适用于测量无爆炸危险，不结晶，不凝固及对钢合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力二、耐震压力表和膜盒压

45、力表耐震压力表用于环境震动剧烈的场所，测量对铜和钢及其合金不起腐蚀作用的液体、气体和蒸汽压力，并可测量脉动、冲击、突然卸荷介质的压力。膜盒压力表用于测量对铜合金不起腐蚀作用，无爆炸危险的微压或负压。广泛应用于锅炉通风和气体等设备上。三、隔膜压力表适用于测量强腐蚀、高温、高粘度、易结晶、易凝固和有固体浮游物介质的压力，以及对某些测量介质不能直接进入通用型仪表内和便于清洗防止沉淀物质积聚的场合的压力检测时，采用由隔膜隔离器与通用型压力仪表组成一个系统的隔膜表。隔膜压力表由各种通用型压力仪表和不同结构的隔膜隔离器组成一个封闭系统，内充密封液。当被测介质的压力作用于隔膜时，则隔膜产生变形，压缩封闭系统

46、中的密封液。由于密封液的固有性质，使压力仪表中的弹性元件产生相应的弹性变形位移，经指示装置显示压力值。四、电接点压力表仪表由测量系统、指示装置、磁动电接点装置、外壳、调整装置和接线盒(插头座)等组成。工作原理是基于测量系统中的弹簧管在被测介质的压力作用下，迫使弹簧管之末端产生相应的弹性变形-位移，借助连杆经齿轮传动机构的传动并予放大，由固定于齿轮轴上的指示指针(连同触头)逐将被测值在度盘上指示出来。电接点压力表与此同时，当其与设定指针上的触头(上限或下限) 相接触(动断或动合)的瞬时，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信报警的目的。五、电阻式远传压力表本仪表由一个弹簧管压力

47、表和一个滑线电阻式发送器等的组成。 电阻发送器系设置在齿轮传动机构上，当齿轮传动机构中的扇形齿轮轴产生偏转时，电阻发送器的转臂(电刷)也相应地得以偏转，由于电刷在电阻器上滑行，使得被测压力值得变化变换为电阻值的变化。仪表除就地指示压力值外，还能连续输出与压力值成线性的010ma或420ma直流信号，可与ddz-ii或ddz-iii型变送单元组合仪表配合应用，组成显示、记录、调节、控制等自动化系统。 适用于一般环境，测量对铜和铜合金无腐蚀性气体、液体和蒸汽的压力。3.3 压力变送器变送器(传感器)这一词是指将被测的某一物理量按照一定转换规律转换成另一种已知的物理量的一种转换装置。它是一个用于检测

48、控制变量(信息)的器件, 它具有检测,转换,传输信息的功能。压力变送器是将压力转换为其他物理量，一般是（4-20）ma的电流值。它由压力传感器和变送器两部分组成。yszk-100系列压力变送器是一种固态压力变送器。用先进工艺制成的压阻式敏器件，在激励电压的作下，将作用在膜片上的被恻力所性趁形成的应力转换电压信号。yszk-1003.4 真空的测量 热偶真空规热偶真空规的结构示意如图所示。当气体压力低于某一定值时，气体的导热系数k与压力p存在的正比关系（式中b为一比例系数），热偶真空规就是基于这个原理设计的。测量时，将热偶规连入真空系统内，调节加热丝上的加热电流恒定不变，则热电偶温度将取决于真空

49、规内气体的导热系数；而热电偶的热电势又是随温度而变化的。因此，当与热偶规相连的真空系统的压力降低时，气体导热系数减小，加热丝的温度升高，热电偶的热电势便随之增高。由此可见，只要检测热电偶的热电势即可确定系统的真空度。补充材料:传感器的作用用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在那次革命中，火车、汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动。而用机械和电子装置来代替部分脑力劳动，可以说是第二次或第三次产业革命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感器的研究是一个不可忽视的内容。人通过感官来接收外界的信号，并将所接收的信号送人大脑，进行分析处理后获取有用的信息。对现有的或者正

50、在发展中的机械电子装置来说，电子计算机(即常称电脑)相当于人的大脑，而相应于人的感官部分的装置就是传感器。所以说，传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。在自动控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感

51、器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。 传感器的组成传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。一般把信号调理与转换电路归为

52、辅助器件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。 随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。 3.1.3 传感器的分类传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。 传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法。 (1)按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。 (2)按传感器工作的物理原