特殊环境下的温度测试5R

1、特殊条件下的高温测试技术特殊条件下的高温测试技术报告人：王报告人：王 高高 教授教授单位：单位： 中北大学测试技术研究所中北大学测试技术研究所联系电话：联系电话北大学中北大学2整体思路整体思路高温测试引言高温测试引言热电偶测温技术热电偶测温技术辐射测温技术辐射测温技术光纤测温技术光纤测温技术超声测温技术超声测温技术红外测温技术红外测温技术研究背景研究背景导弹发射瞬间导弹发射瞬间战斗机战斗机火箭发射火箭发射临近空间飞行器临近空间飞行器核反应堆核反应堆爆炸爆炸中北大学中北大学4测温原理测温原理1 1、温度是国际单位制、温度是国际单位制(SI)7(SI)7个基本物理量之一。

2、个基本物理量之一。2 2、温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动、温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。能大小的标志。3 3、温度的定量测量以热平衡现象为、温度的定量测量以热平衡现象为基础基础，两个受热程，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。到共同的平衡态后具有相同的温度。 测温方法及温标测温方法及温标中北大学中北大学5 测温方法及温标测温方法及温标 世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其来统一世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其来统一各国之间的温度计量，这是一种协

3、议温标。各国之间的温度计量，这是一种协议温标。 第一个国际实用温标自第一个国际实用温标自 1927 1927 年开始采用，随着科年开始采用，随着科学技术的发展，对国际实用温标也在不断地进行改学技术的发展，对国际实用温标也在不断地进行改进和修订，使之更符合热力学温标，有更好的复现进和修订，使之更符合热力学温标，有更好的复现性和能够更方便地使用。性和能够更方便地使用。 目前推行的国际实用温标定义为目前推行的国际实用温标定义为 1990 1990 年国际温标年国际温标 ITS90 ITS90 。中北大学中北大学6 测温方法及温标测温方法及温标 温标温标 为了客观地计量物体的温度，必须建立一个衡量温度

4、为了客观地计量物体的温度，必须建立一个衡量温度的标尺，简称温标。建立温标就是规定温度的起点及的标尺，简称温标。建立温标就是规定温度的起点及其基本单位。早期建立的华氏温标和摄氏温标都是根其基本单位。早期建立的华氏温标和摄氏温标都是根据物体体积的热胀冷缩现象制定的，通常称为经验温据物体体积的热胀冷缩现象制定的，通常称为经验温标。标。 华氏温标规定，冰点为华氏温标规定，冰点为3232，水沸点为，水沸点为212 212 ， 两者中间分两者中间分180180等份。等份。 摄氏温标规定，冰点为摄氏温标规定，冰点为00，水沸点为，水沸点为100100，两者，两者中间分中间分100100等份。等份。 开氏温标

5、规定，开氏温标规定，冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点为零度，以的熔点为零度，以表示之，把冰的熔点定为表示之，把冰的熔点定为32 32 ，把水的沸点定为，把水的沸点定为212 212 ，在，在3221232212的间隔内均分的间隔内均分180180等分等分 兰氏温标以兰氏温标以273.16K作为作为491.688R 。中北大学中北大学7测温方法及温标测温方法及温标四种温标之间的关系四种温标之间的关系 1.C=K-273.15 2.F=9/5C+32 3.R=F+459.67 KCFR123中北大学中北大学8四个温区四个温区1 1、第一温区为、第一温区为0.650

6、.65K K到到5.005.00K K之间之间, ,由由3 3HeHe和和4 4HeHe（氦（氦的同位素）的同位素）的蒸气压与温度的关系式来定义。的蒸气压与温度的关系式来定义。2 2、第二温区为、第二温区为3.03.0K K到氖三相点到氖三相点(24.5661(24.5661K)K)之间之间，用氦气体温度计来定义。用氦气体温度计来定义。3 3、第三温区为平衡氢三相点、第三温区为平衡氢三相点(13.8033(13.8033K)K)到银的凝到银的凝固点固点(961.78)(961.78)之间之间, , 由铂电阻温度计来定义。由铂电阻温度计来定义。4 4、第四温区为银凝固点、第四温区为银凝固点(96

7、1.78)(961.78)以上的温区以上的温区, , 按普朗克辐射定律来定义的按普朗克辐射定律来定义的, ,复现仪器为光学高温复现仪器为光学高温计。计。测温方法及温标测温方法及温标中北大学中北大学9 测温方法及温标测温方法及温标温标的传递温标的传递1 1、国际实用温标系由各国计量部门按规定分别保持和传、国际实用温标系由各国计量部门按规定分别保持和传递，由定义固定点及一整套基准仪表复现温度标准，递，由定义固定点及一整套基准仪表复现温度标准，再通过基准和标准测温仪表逐级传递，各类温度计在再通过基准和标准测温仪表逐级传递，各类温度计在使用前均要按传递系统的要求进行检定。使用前均要按传递系统的要求进行

8、检定。2 2、一般实用工作温度计的检定装置采用各种、一般实用工作温度计的检定装置采用各种恒温槽恒温槽和和管管式电炉式电炉，用比较法进行检定。，用比较法进行检定。比较法是将标准温度计和被校温度计同时放入检定装比较法是将标准温度计和被校温度计同时放入检定装置内，以标准温度计测定的温度为已知，将被校温度置内，以标准温度计测定的温度为已知，将被校温度计的测量值与其相比较，从而确定被校温度计的精度。计的测量值与其相比较，从而确定被校温度计的精度。恒温槽恒温槽1700C高温管式电炉高温管式电炉中北大学中北大学10 温度测量原理温度测量原理 温度测量原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理温度测量

9、原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质（机械，电学，光学，声学，化学）随温度而变化的特性为已性质（机械，电学，光学，声学，化学）随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。即可确定被测对象的温度。温度测量方式温度测量方式分为接触式测温和非接触式测温两大类。分为接触式测温和非接触式测温两大类。测温方法及温标测温方法及温标接触测温接触测温非接触红外测温非接触红外测温中北大学中北大学11热电偶测温热电偶测温热电势的产生热电势的产生2什么是热电偶什么是热电偶 1标准和非

10、标准热电偶标准和非标准热电偶3中北大学中北大学12热电偶测温热电偶测温什么是热电偶什么是热电偶 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。它通过热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。它通过将两种不同材料的导体或半导体将两种不同材料的导体或半导体A A和和B B焊接起来，构成一个焊接起来，构成一个闭合回路，当导体闭合回路，当导体A A和和B B的两个接触点之间存在温差时，两的两个接触点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，并在回路中形成热电流，因此，可者之间便产生电动势，并在回路中形成热电流，因此，可将温度的变化转变成热电势或热电流的变化。将温度的变化转变成热电势或热电流的变化。 ATBT0EA

11、B(T，T0)T T0钨铼热电偶钨铼热电偶中北大学中北大学13测量精度高；测量精度高；测量范围广；测量范围广；构造简单，使用方便；构造简单，使用方便；将温度转换成电信号，便于处理和远传。将温度转换成电信号，便于处理和远传。 热电偶优点热电偶优点 1 1、常用的热电偶从、常用的热电偶从-5 -5 +1600+1600均可连续测量，均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到某些特殊热电偶最低可测到-269-269，最高可达，最高可达+2800+2800（钨（钨- -铼）。铼）。2 2、热电偶直接与被测对象接触，不受中间介、热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。质的影响。热电偶测温热电偶测温中北

12、大学中北大学14 热电势的产生热电势的产生 热电势接触电势温差电势热电势接触电势温差电势 1 1、接触电势：、接触电势：金属导体的材料不同，导体内部自由电子密度不同金属导体的材料不同，导体内部自由电子密度不同 自由电子扩散自由电子扩散 若若A A导体的自由电子密度较大，则导体的自由电子密度较大，则较多的自由较多的自由电子由电子由A A至至B B，而返回较少，而返回较少平衡时，平衡时，A A导体失去电子带正电，导体失去电子带正电，B B导体导体得到电子带负电得到电子带负电 A、B B 接触处形成一定的电位差，即接触电势（接触处形成一定的电位差，即接触电势（帕尔帖电势）。帕尔帖电势）。热电偶测温热

13、电偶测温 lnAABBNkTeTeNeAB(T)ABT+-k：玻尔兹曼常数：玻尔兹曼常数（k=1.381023J/K）e：电子电荷量：电子电荷量（e1.6021019）NA：导体：导体A电子密度电子密度NB：导体：导体B电子密度电子密度T：接触点绝对温度：接触点绝对温度帕尔帖帕尔帖中北大学中北大学15 2 2、温差电势：、温差电势：单一导体两端温度不同，导体内部自由电单一导体两端温度不同，导体内部自由电子高温端具较大动能子高温端具较大动能 自由电子向低温端扩散自由电子向低温端扩散 高温高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电端失去电子带正电，低温端得到电子带负电 导体内部导体内部形成静电场，

14、阻止电子继续扩散形成静电场，阻止电子继续扩散动态平衡时，在导体动态平衡时，在导体两端产生一个电位差，即温差电势（汤姆逊电势）。两端产生一个电位差，即温差电势（汤姆逊电势）。热电偶测温热电偶测温AT+-电场电场T0eA(T，T0)00,TATeT TdT: :汤姆逊系数，表示温差为汤姆逊系数，表示温差为11时所产生时所产生的电动势值，与导体材料的性质有关。的电动势值，与导体材料的性质有关。汤姆逊汤姆逊中北大学中北大学16 1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生

15、一个电势，此所谓接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应塞贝克效应”。1834年，法国年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应珀尔帖效应。1837年，俄国物理学家愣次年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。正比。 1856年，汤姆逊

16、利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之

17、外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。）。 历史轨迹历史轨迹热电偶测温热电偶测温中北大学中北大学17热电偶测温热电偶测温结论结论热电势的大小只与两种导体材料热电势的大小只

18、与两种导体材料A A、B B及冷热端温度有关及冷热端温度有关, ,与热与热 电极的形状、大小、长短，以及两导体接触面积无关。电极的形状、大小、长短，以及两导体接触面积无关。若若T T0 00 0，则，则E EABAB(T(T，T T0 0) )f f（T T）, ,热电势和温度之间为唯一热电势和温度之间为唯一对应的单值函数关系。对应的单值函数关系。若若T=TT=T0 0，则，则E EABAB(T(T，T T0 0) )0 0，即产生热电势的条件是两接点温，即产生热电势的条件是两接点温度不同；导体接触面积无关。度不同；导体接触面积无关。若两个电极为同种导体，则若两个电极为同种导体，则N NA A

19、=N=NB B，A A=B B，则，则E EABAB(T,T(T,T0 0) ) 0 0，即热电偶必为两种材料组成；，即热电偶必为两种材料组成；!中北大学中北大学18热电偶测温热电偶测温标准和非标准热电偶标准和非标准热电偶任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：1 1、电势值大，随温度单调上升，最好线性、电势值大，随温度单调上升，最好线性2 2、材料易获得，有较好的延展性，易于加工、材料易获得，有较好的延展性，易于加工3 3、热电性质稳定；复现性好，价格低，物理、化学性稳定、热电性质稳定；复现性好，价格低，物理、化学性稳定4

20、4、电极的电阻小，温度系数小、电极的电阻小，温度系数小按照工业标准化要求，可将热电偶分为标准化和非标准化热电偶两种。按照工业标准化要求，可将热电偶分为标准化和非标准化热电偶两种。标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产，性能稳定、应用广泛，标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产，性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶，标准化具有统一的分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶，标准化热电偶可以互换，精度有一定的保证，并有配套的显示和记录仪表可热电偶可以互换，精度有一定的保证，并有配套的显示和记录仪表可供选用。供选用。非标准化热电偶：虽然已有产品，也能够使用，

21、但没有统一的标准，使非标准化热电偶：虽然已有产品，也能够使用，但没有统一的标准，使用前仍需个别标定来确定热电势和温度之间的关系的热电偶，其存在用前仍需个别标定来确定热电势和温度之间的关系的热电偶，其存在的主要目的是进一步扩展高温和低温的范围。的主要目的是进一步扩展高温和低温的范围。中北大学中北大学19热电偶测温热电偶测温热电偶名称热电偶名称分度号分度号热电极性识别热电极性识别E(100，0)（mV）测温范围（测温范围（ ）对分度表允许偏差对分度表允许偏差新新极性极性识别识别长期长期短期短期 等级等级使用温度使用温度允差允差铂铑铂铑10铂铂S氧化氧化正正亮白较硬亮白较硬0.64601300160

22、06001.5 负负亮白较软亮白较软6000.25t铂铑铂铑13铂铂R正正较硬较硬0.6470130016001100 0.25t铂铑铂铑30铂铂6B正正较硬较硬0.0330160018006008004 负负较软较软800 0.5t镍铬镍硅镍铬镍硅K正正不亲磁不亲磁41300-401300 2.5 或或 0.75t负负稍亲磁稍亲磁-200402.5 或或 1.5t镍铬硅镍硅镍铬硅镍硅N正正不亲磁不亲磁2.774-2001200 1300-401100 1.5 或或 0.4t负负稍亲磁稍亲磁-4013002.5 或或 0.75t镍铬康铜镍铬康铜E正正暗绿暗绿6.319

23、-200760850-40900 2.5 或或 0.75t负负亮黄亮黄-20040 2.5 或或 1.5t铜康铜铜康铜T正正红色红色4.279-200350400-403501 或或0.75 t负负银白色银白色-200401 或或1.5 t铁康铜铁康铜J正正亲磁亲磁5.269-40600750-40750 2.5 或或0.75 t负负不亲磁不亲磁 标准化热电偶技术数据标准化热电偶技术数据中北大学中北大学20优点：热电特性稳定，抗氧化性强，使用寿命长，测温范围广，测量精度高优点：热电特性稳定，抗氧化性强，使用寿命长，测温范围广，测量精度高缺点：热电势小，灵敏度低，线性差，高温情况下机械强度下降，

24、对污染敏感缺点：热电势小，灵敏度低，线性差，高温情况下机械强度下降，对污染敏感用途：可做为基准热电偶，用于精密测量用途：可做为基准热电偶，用于精密测量S与与S型热电偶的综合性能相当，但稳定性和复现性优于型热电偶的综合性能相当，但稳定性和复现性优于S型，热电势比型，热电势比S型大型大15主要用于进口设备的附带测温装置主要用于进口设备的附带测温装置R优点：测量上限高，稳定性好，在冷端温度低于优点：测量上限高，稳定性好，在冷端温度低于100 时不用考虑温度补偿问题，时不用考虑温度补偿问题，缺点：热电势小，线性较差，线性差，高温情况下机械强度下降，抗污染能力差缺点：热电势小，线性较差，线性差，高温情况

25、下机械强度下降，抗污染能力差BKNETJ热电势大，灵敏度高、线性好，性能稳定，复现性好、价格较便宜，广泛用于高热电势大，灵敏度高、线性好，性能稳定，复现性好、价格较便宜，广泛用于高温测量，是目前用量最大的廉金属热电偶温测量，是目前用量最大的廉金属热电偶在相同条件下，特别是在相同条件下，特别是11001300高温条件下，高温稳定性和使用寿命高温条件下，高温稳定性和使用寿命较较K型有成倍提高，价格远低于型有成倍提高，价格远低于S型热电偶，而性能相近，在型热电偶，而性能相近，在2001300范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的趋势型热电偶的趋势准确

26、度较高，灵敏度是所有标准热电偶中最高的，稳定性好，价格便宜，广泛准确度较高，灵敏度是所有标准热电偶中最高的，稳定性好，价格便宜，广泛用于低温测量，可用于湿度较大的环境中用于低温测量，可用于湿度较大的环境中热电势较大，灵敏度高，线性度和复现性好，中低温稳定性好，耐磨蚀，价热电势较大，灵敏度高，线性度和复现性好，中低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜，广泛用于中低温测量格便宜，广泛用于中低温测量价格便宜，耐价格便宜，耐H2和和CO2气体腐蚀，在含碳或铁的条件下使用也很稳定，可用气体腐蚀，在含碳或铁的条件下使用也很稳定，可用于真空、氧化、还原和惰性气氛中，适用于化工生产过程的稳定测量于真空、氧化、还原和惰

27、性气氛中，适用于化工生产过程的稳定测量热电偶测温热电偶测温中北大学中北大学21热电偶测温热电偶测温非标准化热电偶非标准化热电偶1 1、贵金属热电偶：铂铑系列（最高测温、贵金属热电偶：铂铑系列（最高测温18501850，热电势为线性，稳定性，热电势为线性，稳定性好）好） 铱铑系列铱铑系列 （最高测温（最高测温22502250，热电势大，线性好），热电势大，线性好） 铂金（铂金（稳定性好，主要用于航天技术和高精度测量领域）稳定性好，主要用于航天技术和高精度测量领域）2 2、贵廉金属混合式热电偶：金铁合金（主要用于低温测量，测温范围、贵廉金属混合式热电偶：金铁合金（主要用于低温测量，测温范围2702

28、700 0 ）双铂钼系列（正负极均为铂钼合金，但合金中元素比）双铂钼系列（正负极均为铂钼合金，但合金中元素比例不同，如铂例不同，如铂5 5钼铂钼铂1 1钼热电偶可用于核辐射场合中，也可在真空和钼热电偶可用于核辐射场合中，也可在真空和惰性气体中长期使用，最高温度为惰性气体中长期使用，最高温度为1600 1600 ）3 3、难熔金属热电偶：钨铼合金热电偶（熔点高于、难熔金属热电偶：钨铼合金热电偶（熔点高于3000 3000 ，最高测温，最高测温250025002800 2800 ，在冶金、建材、航空航天和核能工业中应用广泛），在冶金、建材、航空航天和核能工业中应用广泛）钨钼热电偶（最高测温钨钼热电

29、偶（最高测温2000 2000 ，价格便宜，但热电势小），价格便宜，但热电势小）4 4、非金属热电偶：目前处于研究阶段，瓶颈问题是复现性和机械强度差、非金属热电偶：目前处于研究阶段，瓶颈问题是复现性和机械强度差，但热电势非常大，如碳硅碳热电偶在，但热电势非常大，如碳硅碳热电偶在1700 1700 可达可达508mV508mV，是金属，是金属热电偶的近百倍，测温上限可达热电偶的近百倍，测温上限可达3000 3000 中北大学中北大学22Nanmac快速快速E型热电偶型热电偶 中北大学中北大学23 ？中北大学中北大学24辐射测温技术辐射测温技术全辐射高温计全辐射高温计 4比色高温计比色高温计3辐射

30、测温基本原理辐射测温基本原理 1单色辐射高温计单色辐射高温计 2中北大学中北大学25非接触式测温方法非接触式测温方法 利用物体辐射能随温度变化的性质，通过测量物体的辐射能或与辐射利用物体辐射能随温度变化的性质，通过测量物体的辐射能或与辐射 能有关的信号来实现温度测量。用这种方法测温时，感受件不需与被测介能有关的信号来实现温度测量。用这种方法测温时，感受件不需与被测介质相接触。质相接触。非接触式测温方法的优点非接触式测温方法的优点 （1 1）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破坏被测介质的温度场；）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破坏被测介质的温度场； （2 2）从理论上讲仪表的测温上限不

31、受限制，可达）从理论上讲仪表的测温上限不受限制，可达3000 3000 以上以上 ； （3 3）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，反应快；）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，反应快； （4 4）输出信号大、灵敏度和准确度高。）输出信号大、灵敏度和准确度高。 辐射测温技术辐射测温技术Observe colourv 暗红色：暗红色：600摄氏度左右。摄氏度左右。v 深红色：深红色：700摄氏度左右。摄氏度左右。v 橘红色：橘红色：1000摄氏度左右。摄氏度左右。v 纯橘色：纯橘色：1100摄氏度左右。摄氏度左右。v 金橘色：金橘色：1200摄氏度左右。摄氏度左右。v 金黄色：金黄色：130

32、0摄氏度左右。摄氏度左右。v 金白色：金白色：1400摄氏度左右。摄氏度左右。v 纯白色：纯白色：1500摄氏度左右。摄氏度左右。v 白蓝色：白蓝色：1500摄氏度以上。摄氏度以上。中北大学中北大学27辐射测温技术辐射测温技术普朗克函数曲线图普朗克函数曲线图 辐射测温技术辐射测温技术中北大学中北大学29辐射测温技术辐射测温技术中北大学中北大学30 实际物体的热辐射特性实际物体的热辐射特性 0MM（同一（同一 T、下）下）（2 2）实际物体的发射率）实际物体的发射率：0MM（同一同一 T 下）下）（1 1）实际物体在波长）实际物体在波长下的光谱发射率下的光谱发射率 ： 实际物体的实际物体的随波长

33、随波长而变化，但总小于而变化，但总小于1 1。 多数非金属多数非金属 ； 而多数金属而多数金属； 若某物体的若某物体的不随波长不随波长而变化而变化灰体灰体辐射测温技术辐射测温技术31中北大学中北大学32WGG2型光学高温计型光学高温计 可用于冶金、化工和机械等可用于冶金、化工和机械等工业生产过程中工业生产过程中,测量冶炼、测量冶炼、烧铸、轧钢、玻璃熔窖、锻烧铸、轧钢、玻璃熔窖、锻打、热处理的温度。打、热处理的温度。 测量范围：测量范围：700 2000 3.3.使用注意事项使用注意事项 （1 1）非全体辐射（）非全体辐射（）的影响。）的影响。 物体物体不是常数，它的波长、物体表面情况及温度不是

34、常数，它的波长、物体表面情况及温度高低有关，是最大误差源。为消除其影响，可人为创造全高低有关，是最大误差源。为消除其影响，可人为创造全辐射体的条件。辐射体的条件。 （2 2） 中间介质的影响。中间介质的影响。 （3 3） 反射光的影响。反射光的影响。4.4.光电高温计光电高温计（1 1）既可使用可见光，又可使用红外光谱，有利于测低温。）既可使用可见光，又可使用红外光谱，有利于测低温。（2 2）准确度高，灵敏度高。）准确度高，灵敏度高。（3 3） 可以连续、自动测量和记录，信号可以远传。可以连续、自动测量和记录，信号可以远传。中北大学中北大学35三、比色高温计三、比色高温计中北大学中北大学362

35、 2、双通道比色高温计、双通道比色高温计1-物镜物镜; 2-反射镜反射镜; 3-倒像镜倒像镜; 4-目镜目镜; 5-人眼人眼; 7-分光镜分光镜; 9-场镜场镜; 10-视场光栏视场光栏;6-红外滤光片硅光电池红外滤光片硅光电池E1; 8-可见光滤光片硅光电池可见光滤光片硅光电池E2; 中北大学中北大学37中北大学中北大学38四、全辐射高温计四、全辐射高温计1 1、测温原理、测温原理 依据全辐射定律依据全辐射定律40400TMTM或2 2、全辐射高温计的结构、全辐射高温计的结构 中北大学中北大学39中北大学中北大学40中北大学中北大学41多光谱测试多光谱测试Key pointsKey poin

36、ts中北大学中北大学46接触式测温接触式测温非接触式测温非接触式测温标准热电偶标准热电偶钨铼热电偶钨铼热电偶辐射法辐射法长期测温极限长期测温极限16001600C C 长期测温极限长期测温极限20002000C C美国美国NanmacNanmac公司公司英国英国LAND LAND S4S4红外测温仪红外测温仪0-26000-2600 DNFDNF模块化红外测模块化红外测温仪测温范围温仪测温范围（1500-30001500-3000）美国美国IRCONIRCON公司公司热电势，热电势率较热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对下机械强度下降，对污染非常敏感污染非常

37、敏感钨铼热电偶极易氧化，钨铼热电偶极易氧化，适于在惰性或干燥氢适于在惰性或干燥氢气中使用气中使用受环境因素影响大受环境因素影响大只能测定目标表面上确定只能测定目标表面上确定面积的平均值面积的平均值只限于测量物体表面温度只限于测量物体表面温度受物体发射率影响大受物体发射率影响大两种测温方式比较两种测温方式比较 ？中北大学中北大学47中北大学中北大学48光纤测温光纤测温光纤传感器优点光纤传感器优点1光纤传感器测温基本原理光纤传感器测温基本原理 2光纤传感器测温系统光纤传感器测温系统 3光纤传感器测温应用光纤传感器测温应用 4分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器5中北大学中北大学49光纤测温光纤

38、测温光纤温度传感器光纤温度传感器1 1、采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型、采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温仪表，它有接触式和非接触式等多种型式测温仪表，它有接触式和非接触式等多种型式2 2、特点：、特点： 灵敏度高灵敏度高 电绝缘性能好，可适用于强烈电磁干扰、强辐射的电绝缘性能好，可适用于强烈电磁干扰、强辐射的 恶劣环境恶劣环境 体积小、重量轻、可弯曲体积小、重量轻、可弯曲 可实现不带电的全光型探头等可实现不带电的全光型探头等“光纤之父光纤之父”高锟高锟中北大学中北大学50非接触式光纤测温非接触式光纤测温接触式光纤测温接触式光纤测温黑体腔光纤传感器黑体腔光纤传感

39、器光纤测温光纤测温中北大学中北大学51耐高温光纤黑体腔制备耐高温光纤黑体腔制备激光加热基座法激光加热基座法晶纤生长示意图晶纤生长示意图高温光纤特点：物理化学性能稳定，熔点高，强度大，热膨胀小，高温光纤特点：物理化学性能稳定，熔点高，强度大，热膨胀小，导热性好，具有很好的光传输特性导热性好，具有很好的光传输特性典型耐高温光纤：蓝宝石单晶光纤，氧化锆单晶光纤典型耐高温光纤：蓝宝石单晶光纤，氧化锆单晶光纤光纤测温光纤测温中北大学中北大学521镀层镀层 2蓝宝石光纤蓝宝石光纤光纤黑体腔光纤黑体腔单晶光纤单晶光纤氧化锆粉末氧化锆粉末黑体腔镀膜原理黑体腔镀膜原理镀膜镀膜碳化硅粉末碳化硅粉末镀膜材料镀膜材料

40、光纤测温光纤测温中北大学中北大学53黑体腔镀膜工艺黑体腔镀膜工艺1 1 磁控溅射磁控溅射两大特点，沉两大特点，沉积速率比化学积速率比化学气相沉积法气相沉积法（CVD）高出）高出一个数量级；一个数量级；所需气压不高、所需气压不高、成膜粘附性好成膜粘附性好光纤测温光纤测温中北大学中北大学542 等离子体等离子体 喷涂喷涂原理：原理：等离子弧通常靠高等离子弧通常靠高频放电火花引燃。粉末形式频放电火花引燃。粉末形式的喷涂材料由惰性气体携带的喷涂材料由惰性气体携带注入射流后，射流将其加速、注入射流后，射流将其加速、加热到熔化或半熔化状态，加热到熔化或半熔化状态，喷射到基体的表面。飞行的喷射到基体的表面。

41、飞行的高温粒子因冲击变形以及随高温粒子因冲击变形以及随后的快速凝固和冷却，成为后的快速凝固和冷却，成为激冷薄片，粘附在经过处理激冷薄片，粘附在经过处理的基体表面上。这些激冷薄的基体表面上。这些激冷薄片的不断堆积形成了层状结片的不断堆积形成了层状结构涂层。构涂层。等离子体热喷涂工艺原理等离子体热喷涂工艺原理特点：等离子射流具有高焓、高温和高速等能量特征，最难熔的材料（如碳化钽，熔点特点：等离子射流具有高焓、高温和高速等能量特征，最难熔的材料（如碳化钽，熔点为为3875）也能在等离子射流中熔化并喷涂成形。等离子弧温度高，可熔化目前已知的）也能在等离子射流中熔化并喷涂成形。等离子弧温度高，可熔化目前

42、已知的任何固体材料；喷射出的微粒速度快、温度高，形成的喷射涂层质量好、结合强度高。任何固体材料；喷射出的微粒速度快、温度高，形成的喷射涂层质量好、结合强度高。光纤测温光纤测温中北大学中北大学55蓝宝石黑体腔光纤传感器蓝宝石黑体腔光纤传感器测温原理测温原理根据普朗克定根据普朗克定律，黑体单色辐射能力律，黑体单色辐射能力 与波长和温度的关系。与波长和温度的关系。 ）（1ecMTC510T2式中式中 C1为第一辐射常数，为第一辐射常数， C2为第二为第二辐射常数，辐射常数，T为黑体的热力学温度。为黑体的热力学温度。在温度在温度T3000K和波长和波长1，普朗克定律，普朗克定律可以由维恩近似公式代替。

43、可以由维恩近似公式代替。TC510T2ecM原理：原理：蓝宝石光纤传感器蓝宝石光纤传感器光纤测温光纤测温中北大学中北大学56蓝宝石光纤传感器温度测试系统蓝宝石光纤传感器温度测试系统光纤测温光纤测温中北大学中北大学57光纤传感器性能测试光纤传感器性能测试响应时间测试装置响应时间测试装置采用阶跃上升的高功率采用阶跃上升的高功率CO2激光束经反射镜后聚焦到涂敷蓝宝石黑体腔温度传感头激光束经反射镜后聚焦到涂敷蓝宝石黑体腔温度传感头上，成为周期性的热信号，感温介质膜层吸收上，成为周期性的热信号，感温介质膜层吸收CO2激光束能量产生热辐射，用示波激光束能量产生热辐射，用示波器记录窄带光电探测器的输出，其输

44、出温度电压信号随阶跃激光信号变化而变化，器记录窄带光电探测器的输出，其输出温度电压信号随阶跃激光信号变化而变化，得出传感器的时间相应性能。得出传感器的时间相应性能。蓝宝石光纤传感器响应时间波形图（蓝宝石光纤传感器响应时间波形图（20.0ms）光纤测温光纤测温中北大学中北大学58某导弹发射箱前框表面温度测量某导弹发射箱前框表面温度测量（1465.56）光纤传感器瞬态表面测温光纤传感器瞬态表面测温火箭发动机温度时间曲线火箭发动机温度时间曲线（1900.56）导弹发射瞬间导弹发射瞬间光纤测温光纤测温中北大学中北大学59光纤传感器飞机发动机总温测量光纤传感器飞机发动机总温测量中国中国J-20战斗机战斗

45、机太行发动机太行发动机T0总温，单位为总温，单位为K；T静温，单位为静温，单位为K，k常数常数总温与静温总温与静温20112kTMaT光纤测温光纤测温中北大学中北大学60几种典型的总温热电偶结构示意图几种典型的总温热电偶结构示意图1-1-滞止罩，滞止罩，2-2-气流进口，气流进口，3-3-热电偶热端，热电偶热端，4-4-排气口，排气口，5-5-热电偶套管热电偶套管光纤测温光纤测温中北大学中北大学61传感器附近局部温度分布图传感器附近局部温度分布图 流体域模型流体域模型光纤测温光纤测温中北大学中北大学62反射光波波长与栅距反射光波波长与栅距的关系的关系effn2B式中式中 n neffeff为光

46、栅的等效折射率。当光栅插入温为光栅的等效折射率。当光栅插入温度场时，引起度场时，引起或或n neffeff变化，从而调制反射光变化，从而调制反射光波波长。同时，由于热膨胀也引起栅距的变化波波长。同时，由于热膨胀也引起栅距的变化，不考虑波导效应，光纤光栅具有以下温度响，不考虑波导效应，光纤光栅具有以下温度响应特性，应特性，TBB其中其中为光纤的热膨胀系数，为光纤的热膨胀系数，为光纤光栅的热光系数，所以，光纤光为光纤光栅的热光系数，所以，光纤光栅波长的变化与环境温度的变化呈线性变栅波长的变化与环境温度的变化呈线性变化关系。化关系。光纤光栅测温光纤光栅测温光纤测温光纤测温中北大学中北大学63分布式光纤测温分布式光纤测温分布式光纤测温系统是近年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系分布式光纤测温系统是近年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统，它是