6第六章-机械故障诊断的温度监测方法

1、第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 1 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 第一节第一节 接触式测温方法接触式测温方法 第二节第二节 非接触式测温方法非接触式测温方法 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 2 温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的 物理量，它体现物体内部微粒运动状态的特 征。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 3 自然界中许多物质的物理属性与温度有关， 如气体、液体的体积、导体的电阻、灼

2、热物 体的颜色和辐射能等都与其本身温度密切相 关。运用这些物质，便能制成测温工具，即 温度计。为了用它来表示温度的高低，于是 结合选用的温度计，以实验方法或经验公式 构成了温标，这种温标称为经验温标。早期 的温标属经验温标，它起源于温度计的制造。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 4 1592年，意大利的伽利略根据气体热膨胀 现象，制造了一个感温器，用它能定性地表示 温度的高低。1641年，意大利费狄南首次制造 了简易型玻璃液体温度计，在感温泡和毛细管 内充注酒精，并加以密封。定度的方法是以当 地即托斯卡纳(Tuscam)最冷的冬天为11

3、到12度， 以正在熔化的冰为13.5度，以该地夏天最热时 太阳下的温度为40度。接着，1694年哈克、 1665年玻意尔、 1667年马格罗蒂，1694年雷 纳尔迪尼和1701年牛顿以及1730年列莫等人都 各自提出了建立经验温标的方法。可是，在测 温史上影响大、使用广泛的为下述两种经验温 标。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 5 l 714年德国的仪器制造商华伦海特建立了 华氏温标，用冰水混合后的温度为32度，水 的沸腾温度为212度，中间均匀地分成180格。 每格为华氏温标1度(。F)， l 742年瑞典天文学家摄尔修斯创立了摄氏

4、百度温标，零度是冰的熔点，以水的沸腾温 度为100度，两点之间l00等分，每一等分为 摄氏温标1度()。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 6 为了统一温度量值，1887年国际计量委员 会(CIPM)作出决议，采用佩埃内脱和卡比 伊研制成的氢气气体温度汁测得的冰点(0) 和一个标准大气压下的水沸点(100)之间 百分之一作为统一使用的温度单位，名称 为百分度，符号为。1927年把它列入了 第一个国际温标的文本中。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 7 1948年第九届国际计量大会认为

5、：用水 三相点作为温度固定点时，其复现性比用冰 点高出两个数量级，因此决定用水的三相点 代替冰点，作为温标的零点，另一个固定点 仍为水沸点。冰点值用低于水三相点0.01度 表示、并决定温度单位用“摄氏度”代替百 分度。此时，其符号虽然仍为，但其含义 已与百分度所用的有所区别。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 8 1954年第十届国际计量大会决定用水三 相点为基本固定点，定义热力学温标，而 水三相点的准确温度为273.16开氏度。此决 定在1960年第十一届国际计量大会上再次 获得了通过，并把它列入新修改的国际实 用温标中。它决定以开氏度

6、作为表示热力 学温度的SI基本单位，它的符号为K。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 9 1968年第十二届国际计量大会对温度单位 作出新规定：“热力学温度(符号为T)是基本 物理量。其单位开尔文(符号为K)，定义为水 三相点热力学温度的1/273.16。由于历史原 因，允许继续使用摄氏度作为温度单位，其 符号仍为。用这种方法表示的热力学温度 称为摄氏温度(符号为t)，定义为 tT273.15K 根据定义，它的大小等于开尔文，温度差可 以用开尔文表示，也可以用摄氏度表示。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法

7、 中国矿业大学机电学院 10 目前国际上正式采用“1990年国际温 标”(简称ITS90)。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 11 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 12 第一节第一节 接触式测温方法接触式测温方法 一、热电偶法测温一、热电偶法测温 二、热电阻法测温二、热电阻法测温 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 13 一、热电偶法测温一、热电偶法测温 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国

8、矿业大学机电学院 14 1热电偶测温的性能特点 结构简单，只由两根偶丝和一个电压表组 成； 感温元件的质量及其热容量都可以做得很 小，因而其时间常数小，响应速度快； 测量范围大：利用不同材料做成的多种热 电偶可以测量从4K到3000K的温度； 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 15 准确度高(在某些情况下可达0.01)、灵 敏度较高(对金属元件在100V/以下，对 半导体元件则为mV /级)； 性能稳定，重复性好，有利于互换； 测量电路简单，便于温度的读出以及测温 过程自动化。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监

9、测方法 中国矿业大学机电学院 16 2热电偶测温的基本原理 热电效应(塞贝克效应) 热电势 = 接触电势 + 温差电势 将两种不同的导体A 和B组成闭合回路， 当12两个结点的温度 不同时，则闭合回路 中将会产生电动势， 即热电效应 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 17 接触电势 BT AT AB N N e kT TEln)( 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 18 (2) 温差电势 T T A A A tN Ne k TTE 0 )(d 1 ),( 0 第六章第六章 机械故障诊

10、断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 19 闭合回路热电势 ),()(),()(),( 0000 TTETETTETETTE AABBABAB )()(),( 00 TfTfTTE ABABAB 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 20 可通过检测EAB(T,T0)来对温度进行测量。 )()(),( 00 TfTfTTE ABABAB 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 21 3热电偶测温的应用法则 将热电特性用于实际温度的测量，有以下几 条由实验得出的、有很

11、大实用价值的法则： (1)马格纳斯法则 由一对各向均匀的导体组成的闭合回路， 其热电势只与两个接点的温度有关，而与沿 导体的温度分布无关。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 22 (2)均质导体法则 由一种均质导体组成的 闭合回路，不论导体的截面和长度如何，也 不论其温度如何分布，都不可能产生热电 势。此即说明：两根材料相同的导体不能 构成热电偶。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 23 (3)中间导体法则 在热电偶回路中，只要中间导体两端的 温度相等，则接入中间导体，不会对热电偶

12、回路的热电势产生影响。特此加以推广，在 由两导体组成的闭环回路中还可以引入第 四、第五种中间导体。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 24 (4)连接导体法则 在热电偶回路中，如果热电极A和B分别 与连接导线C和D相接，其接点温度分别为 T、T1和T0，则回路的总热电势等于各分热电 势的代数和，即： ),(),(),( 01101 TTETTETTTE CDABABCD 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 25 (5)中间温度法则 在连接导体法则中，当A与C、B与D的热电特性 相同时，

13、可将公式改写 ),(),(),( 01101 TTETTETTTE ABABAB ),(),(),( 01101 TTETTETTTE CDABABCD 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 26 T 待测温度 T1 环境温度 T0 参考温度(0) ),(),(),( 01101 TTETTETTTE ABABAB 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 27 (6)热电偶的组成法则 用三种不同的导体A、B、C各互相配对组成三个闭 合回路，如果热电极A和B分别与热电极C组成的闭 合回路所产生的

14、热电势已知，则由热电极A和B组成 的闭合回路的热电势为 ),(),(),( 000 TTETTETTE BCACAB 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 28 4热电偶材料： 物理稳定性高，长期稳定性好； 化学稳定性好，在高温下工作不受环境气 氛的氧化和腐蚀； 灵敏度高，热电势随温度的变化率足够 大； 热电势关于温度的变化关系简单，最好呈 线性或简单的函数关系； 复现性要好、以便于大批量生产和互换； 电阻温度系数小，电阻率低； 机械性能好，材质均匀。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院

15、29 贱金属热电偶 铜康铜热电偶 铜康铜热电偶的测 温范围为200350。在此范围内它是 最为准确的贱金属热电偶，主要是因为能 得到而无高纯度应变的铜。在200以下， 其热电势率随温度急剧下降，且对铜中少 量铁杂质和康铜的不均匀性都非常敏感。 在350以上，则主要是受铜易氧比的限制。 在我国，铜康铜热电偶已规定为有标 准化分度的通用热电偶。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 30 铁康铜热电偶 铁康铜热电偶已成 为很多国家在工业上最通用的热电偶。它价 廉、灵敏，并可在氧化或还原性气氛中应用。 它比铜康铜热电偶更灵敏，量值也大得多， 但其准

16、确性和稳定性不如铜康铜热电偶。 因为铁丝不易得到像铜那样的高纯度和均匀 性，很少在0以下使用。其测温上限在氧化 性气氛中可达750；在还原性气氛中可达 950。在上述温度下，其寿命可达约1000h。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 31 镍铬镍铝 这种热电偶的测温范围为 2001100，但在6001100的温度范 围内用得最为广泛。由于多种原因，该种热 电偶在我国目前多用镍铬镍硅热电偶代替， 两者使用同一个分度表。由于镍硅的抗氧化 性强，故其使用上限在短时间内可达1300。 这种热电偶在我国已规定为有标准化分度表 的通用热电偶。 第六章

17、第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 32 镍铬康铜热电偶 这种热电偶虽不及 镍铬镍铝热电偶那样应用广泛，但在要求 高热电势(200时可达25 V)、低导 热性并可允许有高电阻时常用的一种热电偶。 由于氧化限制，其最高工作温度约为l000。 这种热电偶在美国、日本等国用得较多。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 33 镍铬考铜热电偶 这种热电偶的 特性与前一种相似，只是负极的成分有些 差别，含铜多一点，所以热电特性也稍高 一点。这种热电偶主要为前苏联使用，在 我国，以前也规定为有标准化分度表的

18、通 用热电偶之一。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 34 (2)贵金属热电偶 虽然其热电势率（塞 贝克系数）一般比贱金属热电偶低，但贵 金属热电偶的准确度、复现性以及稳定性 较好。由于贵金属是具有化学惰性的高纯 材料，可制成高质量的热电偶丝。又由于 其熔点很高，故测温上限也高。贵金属热 电偶的种类很多，它们的热电特性如图6 8所示。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 35 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 36 （3）难熔金属

19、热电偶 难熔金属热电偶 属贱金属一类，因其测量上限高，故称之 为难熔金属热电偶。最常用的难熔金属热 电偶有；钨铼、钨钼和钨铱等几种， 它们的热电特性曲线如图69所示。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 37 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 38 6补偿导线和参比端温度 (1)补偿导线 普通工业用热电偶的接线盒距 被测对象很近，若从接线柱就用普通导线引 出，则这个热电偶的参比端温度就会很不稳 定。为此，人们经常要用与热电偶相同的材 料来做成导线，用以将热电偶延长到温度较 低而稳定的地

20、方。一般热电偶套管中的热电 极是棵线，而这种导线则被做成绝缘的。经 常还把一对导线做在一起，再在外面包上保 护材料，使之成为双芯的，这种特殊的导线 称为补偿导线。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 39 (2)参比端温度 从热电偶的测温原理可知，热电偶的热电 势不仅与测量端温度有关而且还与参比端温度有关。若不 确知参比端温度，即使测得热电势后，也不可能确知被测温 度，因此参比端温度的处理在热电偶测温中是一个非常重要 的问题。参比端温度的处理方法很多，如：冰点槽法：一 般用于实验室的精密测温，特别是在分度和校验热电偶时； 参考端温度测量计算

21、法：即在读被测温度t 的同时，利用另 一个温度计测量参比端温度t0，然后利用分度表查表，再计算 被测温度t；冷端补偿法；即用一个电路来补偿因参比端温 度不为0而造成的热电势变化。目前，常用的有称作为“冷 端补偿器”的标准化补偿电桥和输出电压可调的集成温度传 感器两种；仪表机械零点调整法。在这众多的参比端温度 处理方法中，和两种方法多用于以计算机为中心的自动 测控温系统。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 40 二、热电阻测温 1热电阻法测温的简单原理 几乎所有导体的电阻都会随着温度的变 而变化，热电阻法测温就是利用导体的这 种特性来进行的

22、。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 41 2热电阻法测温的特点 (1)测温范围宽：可测从272.161100范 围内的温度； (2)测温精度高：一般为千分之几或2左 右； (3)灵敏度高，响应速度快：由于可把热电阻 做成体积很小，因而其热惯性很小：响应速度 最快可达0.1s，甚至更高，这一点对于温度的 测控非常重要； 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 42 (4)性能稳定：由于热电阻一般都是纯度很高的金属 制成，其物理和化学稳定性良好，因而制出的热电阻 复现性较好，便于互换； (5

23、)不适于点温的测量：由于热电阻的阻值随温度的 改变与整个感温元件有关，尽管现代工艺可将热电阻 做成很小，但其感温元件总是要占据一定的空间，因 此，热电阻所测量的是某一空间的平均温度，这一点 与热电偶法测温不同。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 43 电阻温度系数 电阻温度系数的大小取决于材料的种类及其纯电阻温度系数的大小取决于材料的种类及其纯 度，对于同种金属材料，纯度越高，则度，对于同种金属材料，纯度越高，则越大。由越大。由 于一般电阻与温度的关系是非线性的，所以多用于一般电阻与温度的关系是非线性的，所以多用 R100R0代表代表01

24、00之间的平均温度系数。之间的平均温度系数。 t R R d d1 0 0 0 1 tt RR R t 或 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 44 铜热电阻 式中 R00时的电阻值； A、B、C常数，对于我国标准化的铜热电 阻分别为：4.28899103/、 2.133107/2 、 1.233109/3 。 )1 ( 32 0 CtBtAtRRt 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 45 铂热电阻 在2000之间 在0850之间 式中 R00时的电阻值； A、B、C分别为： 3.90

25、802103/、 5.802107/2 、 4.27351012/3 。 )100(1 32 0 tCtBtAtRRt )1 ( 2 0 BtAtRRt 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 46 (4)半导体热敏电阻 金属导体的电阻随温度升高而增加，即金 属导体具有正的温度系数。而半导体则不同， 有些半导体的电阻随温度升高而降低，具有负 的温度系数，我们就是利用半导体材料的这一 特性来测温的。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 47 半导体热敏电阻的温度特性 式中 RT温度为T时的电阻

26、值，； R0温度为T0时的电阻值，； B取决于热敏电阻材料和结构的常 数，常用半导体热敏电阻的B值约在1500 5000K之间。 0 11 0e TT B T RR 2 d/d T B R TR T T 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 48 半导体热敏电阻的性能持点 半导体热敏电阻常用于测量100300范围 内的温度，与金属热电阻相比，半导体热敏电阻的 性能特点如下： (a)灵敏度高，电阻温度系数约为(36)； (b)电阻率很大，即使体积很小，其电阻值也很 大，因此连接导线的电阻变化可略而不计； (c)结构简单，体积小，响应速度快； (

27、d)互换性差，稳定性差和测温精度较低(我国规定 半导体热敏电阻的误差在40l50范围内为2)， 从而限制了其应用范围，常用于实验室的恒温设备和仪 器仪表的恒温部件。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 49 第二节第二节 非接触式测温方法非接触式测温方法 一、辐射测温的基本原理一、辐射测温的基本原理 物体受热使物体内的原子或分子因获得能物体受热使物体内的原子或分子因获得能 量而从低能级跃迁到高能级，当它们向下跃量而从低能级跃迁到高能级，当它们向下跃 迁时，就可能发射出辐射能，这类辐射称之迁时，就可能发射出辐射能，这类辐射称之 为热辐射。热辐

28、射也是一种电磁波。为热辐射。热辐射也是一种电磁波。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 50 1辐射的基本概念辐射的基本概念 如图所示，由于物体的性质不同，入射到如图所示，由于物体的性质不同，入射到 物体表面的总辐射能物体表面的总辐射能Q0将有三个不同的去将有三个不同的去 处；其中一部分处；其中一部分(Q)被物体表面反射回去，被物体表面反射回去， 另有一部分另有一部分(Q)被物体吸收，而剩余部被物体吸收，而剩余部 分分(Q)则穿过物体透射出去。则穿过物体透射出去。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业

29、大学机电学院 51 0 QQQQ 000 1 Q QQ QQQ 1 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 52 当当1，而，而0时，说明入射到物体上的辐射时，说明入射到物体上的辐射 能全部被吸收，这样的物体称为能全部被吸收，这样的物体称为“绝对黑体绝对黑体”， 简称为简称为“黑体黑体”； 当当1，而，而0时，说明入射到物体上的辐射时，说明入射到物体上的辐射 能全部被反射，若反射是有规律的，则称此物体能全部被反射，若反射是有规律的，则称此物体 为为“镜体镜体”；若反射没有规律，则称此物体为；若反射没有规律，则称此物体为 “绝对白体绝对白体”；

30、当当1，而，而0时，说明入射到物体表面上的时，说明入射到物体表面上的 辐射能全部被透射出去，具有这种性质的物体称辐射能全部被透射出去，具有这种性质的物体称 为为“绝对透明体绝对透明体”。 1 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 53 2黑体辐射定律黑体辐射定律 (1)普朗克定律普朗克定律 普朗克普朗克(Max Plank)推导出了与实验结果完全相推导出了与实验结果完全相 符的黑体辐射公式，即单位面积黑体在半球面方向符的黑体辐射公式，即单位面积黑体在半球面方向 发射的光谱辐射强度为波长和温度的函数：发射的光谱辐射强度为波长和温度的函数： 2

31、1 5 1 ( , ) 1 cT c ET e 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 54 (2)维恩公式维恩公式 在普朗克公式在普朗克公式(6-15)中，当中，当T的值较小时，即的值较小时，即 ，此时，式，此时，式(6-15)可由如下的可由如下的 维恩公式来代替：维恩公式来代替： 22 1 cTcT ee 2 1 5 1 ( , ) cT c ET e (3)瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 当当T较大较大(T72cm.K)时，时， 普朗克公式可用如下的瑞利普朗克公式可用如下的瑞利-金斯公式代替：金斯公式代替： 1 4 2 ( , ) cT ET

32、 c 2 1 5 1 ( , ) 1 cT c ET e 615 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 55 (4)维恩位移定律维恩位移定律 根据式根据式(6-15) 可以描出如图可以描出如图6-22所示的黑体辐射所示的黑体辐射 光谱关于波长的分布特性图。由此可以看出，黑光谱关于波长的分布特性图。由此可以看出，黑 体光谱辐射强度关于波长不是均匀分布的，而是体光谱辐射强度关于波长不是均匀分布的，而是 有一个极值，与此极值对应的波长称为峰值波长，有一个极值，与此极值对应的波长称为峰值波长， 记为记为m。峰值波长。峰值波长m可如下求得：可如下求得：

33、 2897.6/(m) m T 2 1 5 1 ( , ) 1 cT c ET e 615 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 56 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 57 (5)斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律(全辐射定律全辐射定律) 普朗克公式给出的是温度为普朗克公式给出的是温度为T的绝对黑体的辐射强的绝对黑体的辐射强 度关于波长的分布情况，即单色辐射定律，而斯忒度关于波长的分布情况，即单色辐射定律，而斯忒 藩藩-玻耳兹曼定律则描述了绝对黑体的辐射能沿波玻耳兹曼定律则描述了绝

34、对黑体的辐射能沿波 长从零到无穷大的总和，即全辐射，用公式表示为长从零到无穷大的总和，即全辐射，用公式表示为 54 44 23 0 2 ( )( , ) 15 k E TET dTT c h (6)基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫研究发现，在任一温度下任何物体的发射基尔霍夫研究发现，在任一温度下任何物体的发射 率在数值上都等于其吸收率，即：率在数值上都等于其吸收率，即： 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 58 3灰体辐射灰体辐射 所谓灰体，是指其发射率所谓灰体，是指其发射率恒小于恒小于1且不随波长而且不随波长而 改变的一类物体。对于灰体

35、，上述辐射定律仍然改变的一类物体。对于灰体，上述辐射定律仍然 适用，只是要考虑其发射率的影响而已。适用，只是要考虑其发射率的影响而已。 普朗克定律普朗克定律 维恩定律维恩定律 斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 2 1 5 1 ( , )( ) 1 cT c ETT e 2 1 5 1 ( , )( ) cT c ETT e 4 ( )( )E TTT 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 59 二、辐射温度计二、辐射温度计 根据其工作原理及其检测波段的不同，常根据其工作原理及其检测波段的不同，常 可将辐射温度计分为可将辐射温度计分为单色

36、辐射温度计、辐射单色辐射温度计、辐射 温度计温度计和和比色温度计比色温度计三大类。三大类。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 60 (一一)单色辐射温度计单色辐射温度计(亮温仪亮温仪) 1亮温法的基本原理亮温法的基本原理 单色辐射温度计是以测量单色波长的辐射单色辐射温度计是以测量单色波长的辐射 能来实现温度测量的一类辐射温度计。能来实现温度测量的一类辐射温度计。 由于其对辐射能的检测是基于对物体辐射由于其对辐射能的检测是基于对物体辐射 亮度的检测而实现的，因此，这类检测方亮度的检测而实现的，因此，这类检测方 法常称为亮温法，单色辐射温度计

37、也因此法常称为亮温法，单色辐射温度计也因此 而称之为亮温仪。而称之为亮温仪。 在具体实现上，亮温仪是用亮度平衡的原在具体实现上，亮温仪是用亮度平衡的原 理来实现测温的仪表。理来实现测温的仪表。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 61 物体发出的亮度与物体的辐射强度成正比，由此物体发出的亮度与物体的辐射强度成正比，由此 可得当物体温度为可得当物体温度为T时，波长为时，波长为的单色辐射亮度的单色辐射亮度 为：为： 2 5 1 ( , )( , ) cT c LTTe 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业

38、大学机电学院 62 u亮温法的作用原理：亮温法的作用原理： 当波长当波长一定时，物体的辐射亮度一定时，物体的辐射亮度 只随物体只随物体 的温度的温度T 而改变，从而可通过检测物体的辐射亮度而改变，从而可通过检测物体的辐射亮度 来达到检测物体的温度的目的。来达到检测物体的温度的目的。 ( , )LT 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 63 2常用亮温仪常用亮温仪 根据亮度平衡具体实现方法的不同，亮温仪又可根据亮度平衡具体实现方法的不同，亮温仪又可 分为分为光学高温计光学高温计和和光电高温计光电高温计等类型。等类型。 (1)光学高温计光学高温

39、计 图图6-24所示是隐丝式工业用光学高温计的原理图。所示是隐丝式工业用光学高温计的原理图。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 64 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 65 (2)单色光电高温计单色光电高温计 用光电元件代替人眼进行亮度平衡的单色高温用光电元件代替人眼进行亮度平衡的单色高温 计，其中，利用硅光电池作为检测元件进行亮度计，其中，利用硅光电池作为检测元件进行亮度 测量的辐射温度计称为硅单色高温计。测量的辐射温度计称为硅单色高温计。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法

40、机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 66 ( (二二) )辐射温度计辐射温度计 辐射温度计是通过检测被测物体入射到探测元件辐射温度计是通过检测被测物体入射到探测元件 上的辐射能来实现温度测量的。上的辐射能来实现温度测量的。 根据其检测波段范围的不同，又可将辐射温度计根据其检测波段范围的不同，又可将辐射温度计 分为分为全辐射温度计全辐射温度计和和部分辐射温度计部分辐射温度计两大类。两大类。 1辐射温度计的基本原理辐射温度计的基本原理 由斯忒藩由斯忒藩-玻耳兹曼定律可知，温度为玻耳兹曼定律可知，温度为T 的绝对黑的绝对黑 体所辐射出来的总能量与体所辐射出来的总能量与T的四次方成正比，

41、即：的四次方成正比，即： 4 0 ( )( , )E TET dT 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 67 当考虑物体的发射率的影响时，上式变为：当考虑物体的发射率的影响时，上式变为： 4 ( )( )E TTT 即检测元件所接收到的是物体沿整个波长范围即检测元件所接收到的是物体沿整个波长范围 (0)内的总辐射能，因而称这种类型的辐射温度内的总辐射能，因而称这种类型的辐射温度 计为计为全辐射温度计全辐射温度计。 与全辐射温度计相对应，当探测元件只接收物体与全辐射温度计相对应，当探测元件只接收物体 所辐射出的某一个波段内的辐射能量时，即：所

42、辐射出的某一个波段内的辐射能量时，即： 2 2 1 1 5 1 ( ) 1 cT c E Td e 则称这种类型的温度计为则称这种类型的温度计为部分辐射温度计部分辐射温度计。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 68 辐射温度计的工作原理如图辐射温度计的工作原理如图6-27所示。所示。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 69 2辐射温度计的光学系统辐射温度计的光学系统 3检测元件检测元件 检测元件即感受物体辐射能的器件，是辐射温度检测元件即感受物体辐射能的器件，是辐射温度 计的核心部分

43、，其性能的高低将直接影响到辐射计的核心部分，其性能的高低将直接影响到辐射 温度计的精度和稳定性等。根据其作用原理的不温度计的精度和稳定性等。根据其作用原理的不 同，常将检测元件分为同，常将检测元件分为光电型光电型和和热电型热电型两大类。两大类。 (1)光电型检测元件光电型检测元件 作用原理：作用原理： 光电型检测元件的作用原理是当光照射到元件上光电型检测元件的作用原理是当光照射到元件上 后，检测元件材料中的电子吸收了辐射能而改变后，检测元件材料中的电子吸收了辐射能而改变 其运动状态，从而表现出光电效应。其运动状态，从而表现出光电效应。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度

44、监测方法 中国矿业大学机电学院 70 (2)热电型检测元件热电型检测元件 作用原理：作用原理： 热电型检测元件是利用其热电型检测元件是利用其 电特性因受热温度上升而改电特性因受热温度上升而改 变的原理来进行工作的。变的原理来进行工作的。 常用的热电型检测元件有常用的热电型检测元件有 热敏电阻、热电堆热敏电阻、热电堆和和热释电热释电 元件元件三大类。三大类。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 71 4滤光片滤光片 在辐射温度计中，常常为了选取或避开某在辐射温度计中，常常为了选取或避开某 一波段而加入一片或多片滤光片，按其材一波段而加入一片或

45、多片滤光片，按其材 料的不同，滤光片大体上可分为玻璃滤光料的不同，滤光片大体上可分为玻璃滤光 片、干涉滤光片和硅或锗滤光片三大类。片、干涉滤光片和硅或锗滤光片三大类。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 72 5辐射温度计的常见类型辐射温度计的常见类型 (1)辐射感温器辐射感温器 辐射感温器是一种常用的温度计，它用热辐射感温器是一种常用的温度计，它用热 电堆作为辐射检测元件，具有结构简单、电堆作为辐射检测元件，具有结构简单、 使用方便、价格便宜等诸多优点。使用方便、价格便宜等诸多优点。 (2)高温辐射温度计高温辐射温度计 高温辐射温度计的显

46、著特点在于其结构比高温辐射温度计的显著特点在于其结构比 较简单，没有瞄准目镜较简单，没有瞄准目镜(可以加装可以加装)，由于采，由于采 用硅光电池作检测元件，故在用硅光电池作检测元件，故在7002000 的测温范围内不需要电源和放大。的测温范围内不需要电源和放大。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 73 (3)低温辐射温度计低温辐射温度计 图图6-29所示为低温辐射温度计的原理图。这种仪所示为低温辐射温度计的原理图。这种仪 表属试验用类型，是专为测量超高压输电线路的表属试验用类型，是专为测量超高压输电线路的 电缆接头温度而设计的。电缆接头温

47、度而设计的。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 74 （4）图）图6-30所示为一种测量所示为一种测量400800范围范围 内的中温光电辐射温度计原理图。内的中温光电辐射温度计原理图。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 75 ( (三三) )比色温度计比色温度计 1比色法测温的基本原理比色法测温的基本原理 所谓比色法测温，就是利用被测物体在两个不同波所谓比色法测温，就是利用被测物体在两个不同波 段内的光谱辐射之比来实现对温度的测量。即：段内的光谱辐射之比来实现对温度的测量。即： 12

48、 12 ( )(, )/(, )R TETET 将维恩公式代入上式，可得：将维恩公式代入上式，可得： 2 21 21 22 5 11 5 () 112 5 121 ( ) c cT T cT ce R Te ce 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 76 更一般地，可将上式改写为：更一般地，可将上式改写为： 1111 2121 11 2222 2222 22 55 111 55 122 ( ) cTcT cTcT ceded R T ceded 物体在两个不同波段内的光谱辐射能之比物体在两个不同波段内的光谱辐射能之比R(T)与其与其 温度温

49、度T之间有一确定的对应关系，通过测量之间有一确定的对应关系，通过测量R(T)的大的大 小，即可推知被测物体的温度小，即可推知被测物体的温度T，这就是比色法测温，这就是比色法测温 的基本原理。的基本原理。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 77 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 78 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 79 用比色法所测得的温度称为用比色法所测得的温度称为比色温度比色温度，用，用TR表示。表示。 目前常用的比色温度

50、计都是按目前常用的比色温度计都是按“当温度为当温度为T的非黑的非黑 体和温度为体和温度为TR的黑体在两个波长的黑体在两个波长1和和2下的光谱辐下的光谱辐 射亮度之比相等时，则定义黑体的温度射亮度之比相等时，则定义黑体的温度TR为非黑体为非黑体 的比色温度的比色温度”这一定义设计的。以该定义为基础，这一定义设计的。以该定义为基础， 并利用维恩公式，可以推得物体的真实温度与其比并利用维恩公式，可以推得物体的真实温度与其比 色温度之间的关系为：色温度之间的关系为： 1 2 2 12 (, ) ln (, )11 11 () R T T TT c 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的

51、温度监测方法 中国矿业大学机电学院 80 2比色温度计的分类比色温度计的分类 根据其信号检测元件的个数，比色温度计可分为根据其信号检测元件的个数，比色温度计可分为 单通道型和双通道型单通道型和双通道型。 使用一个检测元件且热辐射体的辐射不经滤光片使用一个检测元件且热辐射体的辐射不经滤光片 直接入射到检测元件上的比色温度计称为直接入射到检测元件上的比色温度计称为单通道单通道 型比色温度计型比色温度计；使用两个检测元件且热辐射体的；使用两个检测元件且热辐射体的 辐射未被分光后分别通过各自的滤光片后入射到辐射未被分光后分别通过各自的滤光片后入射到 两个检测元件上的比色温度计属两个检测元件上的比色温度

52、计属双通道的双通道的。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 81 3几种常用的比色温度计几种常用的比色温度计 比色温度计由于具有灵敏度高、精度高等诸多优比色温度计由于具有灵敏度高、精度高等诸多优 点而在生产和科研领域获得了广泛的应用。点而在生产和科研领域获得了广泛的应用。 WDS型比色温度计型比色温度计 WDS型比色温度计是双通道无光调制式的，该种型比色温度计是双通道无光调制式的，该种 比色温度计的特点是测温范围宽、响应速度快、比色温度计的特点是测温范围宽、响应速度快、 测量目标大，可直接与显示仪表、调节器以及计测量目标大，可直接与显示仪表、调节器以及计 算机配套使用。算机配套使用。 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 82 第六章第六章 机械故障诊断的温度监测方法机械故障诊断的温度监测方法 中国矿业大学机电学院 83 ( (四四) )三种辐射测温方法比较三种辐射测温方法比较 一般而言：一般而言： 亮温法的灵敏度较高，与真实温度的偏差较小，亮温法的灵敏度较高，与真实温度的偏差较小， 适用于较高精度的测量；适用于较高精度的测量； 比色法受物体发射率变化的影响小，尤其适合于比色法受物体发射率变化的影响小，尤其适合于 “灰体灰体”温度的测量；温度的测量； 全辐射测温法在测量高