自动检测技术-温度测量(及课后答案)

5温度测量接触式测温技术与误差分析5.4概述5.1热电偶测温5.2热电阻测温5.3主要内容：辐射式测温法5.5红外测温仪与红外热像仪5.65.1概述5.1.1温度的概念①宏观上：是物体冷热程度的表示。②微观上：是物体内部分子运动平均动能的表示。分子平均平动动能；k玻尔兹曼常数；温度不具有叠加性。热平衡的主要条件：

系统温度相等。

5.1.2温标温标三要素：

①可实现的固定点温度； ②表示固定点之间温度的内插仪器； ③确定相邻固定温度点之间的内插公式；（1）经验温标为了保证温度测量的精确性和一致性，需定量描述温度，即建立科学的、统一的标尺，称为“温标”。温标主要有：经验温标、热力学温标和国际实用温标摄氏温度和华氏温度称为经验温标。经验温标的温度特性取决于所选测温物质的性质，具有一定的局限性和任意性。摄氏温标：①水银玻璃温度计；②水的冰点为0℃、沸点为100℃；③100等份。举例：五种温度计，测温质分别是氢气、空气、铂丝、电偶和水银，其测温的物理性质分别为气体的压强、电阻、电动势和水银的长度；基准点都是以冰的熔点和水的沸点为0度和100度。结论:对应同一个冷热程度，各种温度计的读数是不一样的。华氏温标：选取氯化铵和冰水混合物的温度为0℉，水的沸点为212℉，冰点为32℉，中间均等分为180份，每一份为1℉华氏度tF与摄氏度tC的换算关系：（2）热力学温标温度为T1的热源给予热机Q1的热量；热机传给温度为T2的冷源Q2的热量；卡诺定理：定义T2为水的三相（固、液、气）共存温度（0.01℃），为273.16K。任意点温度为：——热力学温标注：仅与传热量有关，与工质无关。建立在热力学基础上的经验温标。卡诺循环：开尔文K——仅具物理意义，因为理想可逆过程无法实现，故热力学温标也无法实现。理想气体温标（等价于热力学温标）理想气体状态方程（V一定时）任意点温度：技术上可实现，但不方便。经验温标热力学温标理想气体温标国际温标定容式气体温度计：通过压强的变化测出温度的变化。（3）国际温标:ITS-90（InternationalTemperatureScale-1990）t90:摄氏温度T90:热力学温度或绝对温度ITS-90定义的固定点ITS-90定义的内插仪器①0.65~5.0K间为He3和He4蒸汽温度计；②3.0~24.556K间为He3和He4定容气体温度计；③13.8033K~961.78℃间为铂电阻温度计；④961.78℃以上为光学或光电温度计。为了克服气体温度计在实用上的不便，国际上建立了一种用内插公式表示的与热力学温度很接近，又使用方便的协议温标——国际温标。开尔文K5.1.3温度标准的传递温度标准定期逐渐地校验比较过程称为温度标准的传递。①基准温度计，工作基准温度计；②一等标准温度计和二等标准温度计；③工业用温度计。5.1.4测温方法与测温仪表的分类按测量范围分：

按用途分：

高温计、温度计标准仪表、实用仪表

按工作原理分：

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计

按测量方式分：

接触式与非接触式

温度计量仪按精度等级可分为3类：测温方式温度计种类测温范围／℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难常用温度计的种类及优缺点ThomasJohannSeebeck（1780～1831）5.2.1热电效应(Seebeckeffect)5.2热电偶测温1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属导线连接在一起，组成闭合回路。并用酒精灯加热其中一个接触点而另一个结点保持低温。他突然发现，放在旁边的指南针发生了偏转。为什么会产生磁场？温度梯度导致了电势，继而在闭合回路中形成变化的电流，由此产生了磁场。

回路周围产生了磁场！这说明了什么？用毫伏表代替指南针，来演示Seebeck的实验注意观察两个现象：1.用酒精灯给其中一个结点加热时,回路中是否有电势出现？注意指针偏转的方向。2.如果对两个结点同时加热，毫伏计的偏转角会发生怎样的变化?AB用毫伏表代替指南针，来演示Seebeck的实验结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。AB热电效应热电效应——将的导体或半导体连接成,如果时,则在该回路里就会，这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。两种不同闭合回路两接点的温度不同产生热电势热电偶塞贝克效应(Seebeckeffect)的反效应塞贝克效应：结论：两端温度不同时产生热电势条件：两个不同的金属丝，闭合回路塞贝克效应的反效应条件：两个不同的金属丝，闭合回路结论：回路中接入电源。。。课外思考:1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现…

帕尔帖效应（Peltiereffect）塞贝克效应(Seebeckeffect)的反效应课外思考:为什么会产生热电势呢？（重点+难点）温度差热电偶热电势（热电效应）热电偶的测温原理定义：接触电势是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种电势。ABeAB(t)Tk：波尔兹曼常数；t:接触点的温度；e：单位电荷电量；NAT、NBT：温度为t时,导体A、B的自由电子密度公式：由上式可知：接触电势取决于两种导体的性质和接触点的温度，与导体的形状及尺寸无关。_+（1）接触电势A定义：温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电势。tt0eA(t,t0)t>t0为导体的汤姆逊系数，表示温差为1℃时所产生的电动势数值。由上式可知：温差电势只与导体的材料性质和两端的温度有关，与导体的长度、截面大小及温度场分布无关。（2）温差电势定义：热电偶回路中总的热电势是接触电势与温差电势之和。下标A表示正电极，B表示负电极。由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，因而热电偶的热电势可表示为：（3）热电偶回路的总热电势本节小结:1.热电效应

(Seebeckeffect)2.热电偶的测温原理练习题：热电偶中热电势的大小与

和

有关，而与热电极尺寸、形状及

分布无关。5.2.2热电偶基本定律（1）均质导体定律 一种均质导体组成闭合回路：不产生热电势。回路中总的热电势：（2）中间导体定律图3-58热电偶测温系统连接图因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，是否会对热电偶回路产生影响呢？答：不会产生影响的。如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:tABCt0t0ABtt0当t＝t0时，有于是可得

同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种……导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。tt0ABCC毫伏计（3）标准电极定律TT0TT0TT0ABABCC4）连接导体定律与中间温度定律连接导体定律：在热电偶回路中，若导体A和B分别与导线A’和B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，如图所示，则回路总电势等于热电偶电势与连接导线电势之和。意义：工业上运用补偿导线进行测量的理论基础。4）连接导体定律与中间温度定律中间温度定律：当A与A’、B与B’材料分别相同时，则有意义：只要得到参考端温度T0=0℃时的热电势，则通过测量中间温度的热电势，将两者直接求和，即可反映出测量端温度。这为热电势分度奠定了理论基础。重要性质：1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零；2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零；3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。

①两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系；②能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）；③具有较高的导电率和较低电阻温度系数；④材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。5.2.3常用热电偶的材料、特点和结构工业上对热电极材料的要求热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表5.3工业用热电偶（1）贵金属热电偶：铂铑30-铂铑6(B偶)，铂铑13-铂（R偶），铂铑10-铂（S偶），测温范围宽，性能稳定，精度高，热电势小，热电特性非线性大，价格贵。（2）廉价金属热电偶：镍铬-镍硅（K偶），镍铬-铜镍（E偶），灵敏度高，热电势大，热电特性线性度好，价格低，测温范围较窄。（3）难熔金属热电偶：钨铼合金构成，用于高温测量。热电偶的结构①普通型热电偶图5.10热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒热电偶工作端（热端）接线盒固定螺纹（出厂时用塑料包裹）不锈钢保护套管材料工作温度/℃橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管80150500120014001700常用绝缘子材料常用保护套管材料工作温度/℃无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上②铠装热电偶铠装型热电偶是由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。优点铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。绝缘材料热电极绝缘材料金属套管热电极铠装型热电偶断面结构金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等。保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，外径0.25~12mm不等，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶测温迅速，可以任意弯曲，适用场合更广。③表面型热电偶

专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。优点反应速度极快、热惯性极小。

④快速热电偶

测量高温熔融物体一种专用热电偶。主要由测温偶头与大纸管构成。偶头主要有正负偶丝焊接在补偿导线上，补偿导线穿嵌在支架上，支架外套有小纸管，偶丝以石英支撑和保护。最外装有防渣帽，全部零组件集中装入泥头中并以耐火填充剂粘合成一整体，而不可拆卸，故为一次性使用。结构：使用方法：１、根据测量的对象和范围，选择适当保护纸管长度及适用的测温枪。２、把快速热电偶装在测温枪上，并使二次仪表指针（或数显器）回零，这时说明接触良好，可以进行测量。３、快速热电偶插入钢水深度以３００－４００ｍｍ为宜，测量时不要测到炉壁或渣子上，做到：快、稳、准，当二次仪表得到结果时，应立即提枪，快速热电偶在钢水中浸渍时间不得超过５秒，否则易烧毁测温枪。４、测温枪从炉内提出后，取下使用过的热电偶，并装上新的，停顿几分钟，准备下次测量。不得连测连拆，否则造成温差波动。①热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势才是温度T的单值函数。②热电偶分度表中，热电势-温度的对应值以Ｔ0＝０℃为基础。5.2.4热电偶的参比端（冷端）温度补偿补偿方法（1）冰点法；（2）热电势修正；（3）冷端补偿器法；（4）补偿导线法；（5）采用集成电路。（1）冰点法T0=0℃精度最高；溯源性好，用于热电偶校准。（2）热电势修正法中间温度定律得方法：测T0→查表→测→计算→查表求T。用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。注意举例1：S热偶参比端温度为30℃，测量的热电势为6.526mV，试问此时真实的温度应为多少？解：举例2：用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t1）＝66982μV，而自由端的温度t1＝30℃，求被测的实际温度。

解：由分度表可以查得

则可以查得68783μV对应的温度为900℃。（3）冷端补偿器法当T0=0℃时，R4=1Ω，四臂电阻相等，电桥平衡，桥路输出电压Uba=0。指示仪表总的热电势为：R4（铜丝）R1=R2=R3=1Ω(锰铜丝)Rg（限流）在设计的冷端温度（例如t0＝0℃）下，满足R1=R4，R3＝R2，这时电桥平衡，无电压输出，即Uba=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势（3）冷端补偿器法当T0↑→R4↑→a点电位↓，同时由于T0↑→↓当冷端温度由t0变化到t‘0时，不妨设t’0>t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中R4随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uba(t’0)，此时回路中输出的热电势为:经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即（4）补偿导线法在0~100°C范围内，热电特性与所取代的热电偶丝基本一致；电阻率低；价格必须比热电偶丝便宜。根据连接导体定律，回路电势：材料：热电性质与热电偶相近（0~100°C）：热电势修正法（中间温度定律）在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。热电偶名称补偿导线工作端为100℃，冷端为0℃时的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑10-铂镍铬-镍硅（镍铝）镍铬-铜镍铜-铜镍铜铜镍铬铜红红红红铜镍铜镍铜镍铜镍绿蓝棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047常用热电偶的补偿导线35（5）补偿热电偶法

图3-63补偿热电偶连接线路在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。设置补偿热电偶CD的目的是为了使多只热电偶的冷端保持恒定。热电偶测温特点：①构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围宽；②常用测温范围：-50~+1600℃；特殊材料，测温范围可扩为:-180~2800℃；常用于测量300℃以上的温度；③应用极为广泛；可用于测温空间微小的场合；④热电势小；⑤需冷端补偿。5.2.5热电偶测温回路（1）热电偶测量线路A。热电偶反接：测两点温差B。热电偶并联：测平均温度C。热电偶串联：测低温或温度变化很小的场合电子电位差计

是用来测量直流电压信号的，凡是能转换成毫伏级直流电压信号的工艺变量都能用它来测量。根据自动平衡原理工作，测量精度高，工作可靠。1.手动电位差计工作原理

根据平衡法将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。图4-1电压平衡原理图图中R为线性度很高的锰铜线绕制的电阻，它由稳压电源供电，以保证电流I是恒定的。G为检流计，是灵敏度很高的电流计，Et为被测的未知热电势。（2）热电势测量仪表当UCB>Et时，检流计中就有电流通过，指针就向一方偏转；当UCB<Et时，检流计中也有电流通过，指针就向另一方偏转；只有当UCB=Et时，检流计中无电流流过，此时，I检=0。此时的已知电压UCB正好和未知热电势Et相平衡测量时，可调节滑动触点C的位置，使RCB上的压降UCB变化根据滑动触点的位置就可以读出UCB，从而测得未知电势。应该在工作回路中加调整工作电流的电位器RH和标准电阻RN。以确保工作电流恒定。步骤：1.校准工作电流（将开关K合在”1”位置）2.测量未知电势（将开关K合在”2”位置）如果用电池代替稳压电源应该有何改进？以上两种测量热电势的方法极为准确，因为：1。由于在进行测量读数时，热电偶回路中是没有电流通过的，因此被测热电势本身引起的电压降损失和导线上的电压降损失就不存在了，对测量结果无影响。只要检流计具有足够高的灵敏度，这种手动电位差计就可以获得较高的测量精度。2。测量结果的准确性依赖于精度很高的标准电阻和标准电池。3。应用了高灵敏度检流计作为检测元件

手动电位差计的测量过程十分缓慢，自始至终需要人工参与，即经常要调滑线电阻的滑动触点已找到新的平衡位置。这样就不能连续进行测量，且不能自动记录。根据电压平衡原理来进行工作。特点

用可逆电动机及一套机械传动机构代替了人手进行电压平衡操作；

用放大器代替了检流计来检测不平衡电压并控制可逆电机的工作。图4-2电子电位差计原理图电子电位差计既保持了手动电位差计测量精度高的优点，而且无须用手去调节就能自动指示和记录被测温度值。结论自动电子电位差计的工作原理自动电子电位差计的测量桥路图4-3电位差计测量桥路原理图图4-2电子电位差计原理图（1）冷端温度补偿问题

在实际应用中还需解决冷端温度补偿和量程匹配的问题R2是用铜丝绕制的，并与热电偶冷端处于同一温度。因为铜电阻的阻值随着温度的升高而增加，则R2上的电位差也增加，然而，热电偶的热电势却随冷端温度的升高而降低，这样，如果配置得当，就可以达到温度补偿的目的。

如果把R２做成随温度变化的电阻，且在温度从0℃升高到25℃时，其阻值变化量ΔR2＝0.5Ω，这时，电阻R2上的电压降UDB也增大，ΔUDB＝ΔR2·I2＝1mV。为了统一规格，上支路的电流规定为4mA（或2mA），下支路电流规定2mA（或1mA）。因为测量桥路的补偿电压UCD＝UCB－UDB，现在UDB增加了1mV，那么UCD就会减少1mV，由于UCD的变化与热电势的变化相等，此时滑动触点C的平衡位置不需变化，故能起到温度补偿作用，使仪表的指示值基本不受冷端温度变化的影响。举例用镍铬-镍硅热电偶测量温度，其热端温度不变，而冷端温度从０℃升高到25℃，这时热电势将降低１mV，仪表指针会指示偏低。+-+-（2）量程匹配问题

图4-4XW系列电位差计测量桥路原理图R2—冷端补偿铜电阻；RM—量程电阻；RP—滑线电阻；R4—终端电阻（限流电阻）；R3—限流电阻；RG—始端电阻；当滑动触点C处于最左端（始端）时，UCD对应于测量下限的热电势。RG为始端电阻，RG越大，在下限时的UCD就越大，测量的温度下限就越高。当滑动触点C处于最右端（终端）时，UCD对应于测量上限的热电势。RM为量程电阻，RM的值越小，则流过RP的电流就越小，量程就越窄。反之亦然。图4-4XW系列电位差计测量桥路原理图R2—冷端补偿铜电阻；RM—量程电阻；RB—工艺电阻；RP—滑线电阻；R4—终端电阻（限流电阻）；R3—限流电阻；RG—始端电阻；E—稳压电源1V；I1—上支路电流4mA；I2—下支路电流2mA①R2铜电阻

装在仪表后接线板上以使其和热电偶冷端处于同一温度。设计时，使环境温度改变，铜电阻上的电压降变化量等于相应的热电偶冷端温度变化所引起的电势变化值，起冷端温度补偿作用。②下支路限流电阻R3

是一个固定电阻，它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。由于铜电阻阻值随温度变化，实际上，下支路回路工作电流I2只是在仪表的标准工作温度（25℃）时才为2mA③上支路限流电阻R4

把上支路的工作电流限定在4mA。我国统一设计的XW系列电位差计测量桥路原理图。测量桥路由定电压单元供给1V的工作电压。（2）量程匹配问题

④滑线电阻RP

仪表的示值误差、记录误差、变差、灵敏度以及仪表运行的平滑性等都和滑线电阻的优劣有关。由于工艺上的原因，RP很难绕得十分精确，其数值也不便增减，为此，和RP并联一个电阻RB（工艺电阻），用调整RB的方法使并联后的总阻值为固定值90Ω(或300Ω），把两个电阻作为整体考虑，便于统一规格和成批生产。在使用中，RP磨损阻值变化

，也可通过改变RB大小来调整。⑤量程电阻RM

决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围与所采用的热电偶分度号来决定。RM越大，IM越小，仪表量程就越大；RM越小，仪表量程就越小。因此，制作不同量程的仪表，只需改变RM、RG、R4的阻值就可以了。而滑线电阻RP和工艺电阻RB都不需改变。⑥始端（下限）电阻RG

大小取决于测量下限的高低。滑动触点C左移至滑线电阻的起点时，桥路输出电压UCD应相应于温度为标尺下限的热电势。RG越大，在下限时的UCD越大，则测量下限越高。（2）量程匹配问题

自动电子电位差计的结构测量桥路放大器可逆电机指示机构记录机构

图5.25电子电位差计方框原理图5.2.6热电偶的校验与分度校验是指对热电偶热电势和温度的已知关系进行校核，而分度则是确定热电偶热电势和温度的对应关系。5.3热电阻测温在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。（Thermalresistance）

热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。图3-64热电阻温度计回顾热电偶温度计500℃热电阻温度计热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的。电阻的热效应——电阻体的阻值随温度变化的特性。

热电阻的测温原理t热电偶热电势t热电阻电阻值目前热电阻主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。负温度系数（-200~500℃）（-50~300℃）正温度系数金属热电阻半导体热敏电阻测量准确、稳定性高有非线性、稳定性差在工业中应用极其广泛?多数金属导体在温度升高1℃时，阻值变化0.4%~0.6%；多数具有负温度系数的半导体在温度升高1℃时，阻值变化3%~6%5.3.1热电阻的材料

①电阻温度系数要大：单位1/℃，定义为注：α越大，制成的温度计的灵敏度越高，测量结果越准确；一般α非常数，不同温度数值不同α=f(T)；材料越纯，α越大；②有较大的电阻率：因为电阻率越大↑→电阻体积越小↓→热容量和热惯性越小↓→温度变化的响应越快↑。③在测温范围内，物理化学性质稳定。④复现性好、复制性强、易得到纯净物质。⑤电阻值与温度的关系近似为线性关系，便于测温的分度和读数。⑥价格低。 综上所述：铂、铜、铁、镍、和一些半导体材料比较适合做热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：5.3.2热电阻的类型（1）铂热电阻特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0°C以上，其电阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9×10－3Ω/°C)。作用：工业测量,温度的基准、标准仪器。ITS-90国际温标规定，在13.81K~961.78℃的标准仪器为铂电阻温度计。缺点：电阻温度系数小，在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。常用铂电阻分度号：Pt1000，Pt100和Pt10铂电阻阻值随温度变化的规律：-200℃≤t≤0℃Rt

=R0[1+At+Bt

2+Ct3(t−100)]0℃≤t≤650Rt

=R0[1+At+Bt2]A=3.90802×10-3(℃-1)；B=-5.802×10-7(℃-2)；C=-4.27350×10-12(℃-4)。铂电阻分度表：（2）铜热电阻优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；缺点：>100℃时，易被氧化；测温范围：-50~+150℃。常用铜电阻分度号：Cu100和Cu50工业上常用的热电阻有铜电阻和铂电阻。其外观结构主要有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻三种型式。5.3.3热电阻的结构类型（1）普通型热电阻平板型圆柱型螺旋型铂电阻体支架铜电阻体支架标准铂电阻体支架普通型热电阻

主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。铠装热电阻响应速度快，可弯曲，使用方便薄膜热电阻热容量小，导热系数大，能快速测量表面温度

将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。

将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。5.3.4半导体热敏电阻材料：用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物混合制成测温特点5.3.4半导体热敏电阻半导体热敏电阻的形状：半导体热敏电阻实物照片MF74超大功率型NTC热敏电阻器应用范围：适用于大功率的转换电源、开关电源、UPS电源及各类大功率照明灯具、电加热器的浪涌电流抑制。MF52珠状测温型NTC热敏电阻器广泛应用于空调设备、暖气设备、电子体温计、液位传感、汽车、电子台历、手机电池。半导体热敏电阻实物照片CMF贴片式NTC热敏电阻器应用于：半导体集成电路、液晶显示、晶体管及移动通讯设备用石英振荡器的温度补偿、可充电电池的温度探测、计算机微处理器的温度探测、需温度补偿的各种电路。MF55系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器应用范围：电脑、打印机、家用电器等。①电阻温度系数大，灵敏度高，约为−(3~6)×10−2(1/℃)②电阻率大，利于小型化，连接导线影响可以忽略；③结构简单、体积小，可以用于测量点温度；④热惯性小，适用于表面温度及快速变化温度。半导体热敏电阻的特点测温范围：-100~300℃优点：不足：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。进一步发展依赖于半导体技术的发展和制造工艺水平的提高。热电阻测温整体评价测温范围：常用-200℃~500℃特殊范围：①测量低温端可达平衡氢的三相点——13.8K；②铟电阻温度计——3.4K；碳电阻温度计——1K；③ITS-90国际温标规定在3.8033K~961.78℃间用铂电阻温度计作为内插仪器。特点：①精度高；②在低温段下测温灵敏度高；③输出信号便于远传、测量或自动控制。5.3.5热电阻测温电桥（重点+难点）测量原理终始当桥路平衡时，滑动触点B的位置就反映出了温度的变化。结论终始（1）两线制接法——只适用于测量精度较低的场合特点：1.接入一个桥臂；2.引线与连接导线的电阻Rl随环境温度的变化全部加入到热电阻的变化之中；3.简单，仍有应用，为了误差不致过大，要求引出线的电阻值随温度的变化：铜：<=0.2％(R0)；铂:<=0.1％(R0)。（2）三线制接法特点：消除引线电阻的影响在测温下限电桥平衡时，有终始——是工业控制中最常用的引线接法（3）四线制接法电位差计U主要用于高精度的温度检测——一种比较完善的方法1.请大家根据授课内容总结热电阻和热电偶的相同点与不同点。2.用热电阻测温时，如果采用二线制接法，当引线电阻因环境温度升高而增加时，其指示值将偏高？偏低？还是不变？3.工业用热电阻测温时，为什么不用四线制测量电路？课外练习及思考：本节内容小结：热电阻是基于（）效应进行温度测量的。工业上常用热电阻的测量线路是（）线制接法。热电阻的外观结构有（），（），（）。热电阻的测温原理热电阻的测量电路热电阻的外观结构5.4接触式测温技术与误差分析接触式测温存在误差：1.温度计不仅与被测对象还与周围环境进行热交换。2.温度计的热容和热阻不可能为零。减小温度计导热误差的方法：增加插入长度，减小柱体直径；选用导热系数小的材料做热电极、套管或屏罩；对温度计外露部分进行保温；将温度计管道弯头或迎着气流斜向插入管道，使感温头部置于气流中心线气流速度大、湍流度大的位置，以加强对流换热；垂直管道安装安装形式倾斜管道安装弯曲管道安装法兰安装辐射测温是利用物体辐射能与其温度有关的原理进行测温，测温元件与被测物不直接接触，以辐射方式进行热交换，不会干扰或破坏被测温度场。5.5辐射式测温法优点：测温上限不受限制，动态特性好，灵敏度高，可用于测量运动状态对象的温度。1.有一个热辐射源（即被测对象）；2.有辐射能传输的通道，如大气、光导纤维或真空；3.有接收和处理辐射信号的仪表（系统）。测量条件：测量800℃以上高温和可见光范围的辐射式仪表有单色辐射高温计、全辐射高温计和比色高温计；测量低温与红外线范围辐射信号的有红外测温仪、红外热像仪。红外测温仪便携式比色计辐射是电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，例如高频振荡电路产生的无线电波，此外还有可见光、红外线、紫外线、X射线、及γ射线等各种电磁波。热辐射是由于热的原因而产生的电磁辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。辐射是物体的固有特性，只要物体的温度高于零度（0k），物体总是不断的把热能转变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其辐射换热量为零，但其表面上的热辐射仍在不停的进行。热辐射的本质：5.5.1辐射测温的物理基础(1)热辐射热辐射（thermalradiation），物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。热辐射计热辐射计是一种演示仪器，其中由四枚轻质叶片构成的叶轮可绕竖直轴转动，叶片的一面涂黑，另一面是光亮面。当用灯光照射时，小叶轮就绕竖轴旋转，可用来演示绝对黑体在单位时间、单位面积上所吸收（或发出）的热量比其它任何表面为多。这是因为四个叶片的涂黑面吸收了红外线热辐射，使叶片黑的一面附近的空气变热，加剧了气体分子的热运动，碰撞叶片，使叶片两面受力不平衡（亮的一面受到的冲量小），从而使叶片向亮面方向运动，于是叶轮就旋转起来。热量直接由物体向外射出的传热方式叫做热辐射。辐射与热传导和对流不同，它不需要传热物质，以比光波波长长的短电磁波的形式从热源向四面八方辐射。太阳的热就是完全靠热辐射方式传到地球上来的，因为在太阳和地球之间有一个很宽的真空地带，不能产生传导和对流。热辐射的特点：1、任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；2、可以在真空中传播；3、伴随能量形式的转变；4、具有强烈的方向性；5、辐射能与温度和波长均有关；6、发射辐射取决于温度的4次方。不同温度的物体其热辐射的电磁波波段不同。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。①辐射通量φ(辐射功率)：单位时间内，通过某一面积的辐射能量，称为经过该面积的辐射通量。即(2)热辐射源、辐射物理量式中dQ——在时间dt发出的辐射能量；Ф——辐射通量（辐射功率），J/s或W。②辐射出射度：是辐射表面上每单位面积所发出的辐射功率（W/cm2），即光谱辐射出射度（物理：单色辐射出射度）：在波长λ附近，单位波长间隔内的辐射出射度Mλ（W/cm2.μm）③辐射亮度：辐射源在单位投影辐射面积、单位立体角范围的辐射功率称为辐射亮度L(W/cm2.sr)，即④光谱辐射亮度：辐射源在波长属于λ附近的单位波长间隔的辐射亮度Lλ(W/cm2.sr.μm)C——比例常数⑤吸收率、反射率和透射率：令：则当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生吸收、反射和穿透现象。式中：各能量的百分数分别称为该物体对投入辐射的吸收率、反射率和透射率，记为α、ρ、τ。1）对固体或液体表面，投射到其上的辐射能在一个极短的距离内就被吸收完了，即透射率τ=0。于是，对于固体和液体，吸收率和反射率之和为1，即α+ρ=1辐射能投射到物体表面后的反射现象和可见光一样，有镜面反射和漫反射的区分。这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。（例如高度磨光的金属板）。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射，这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射。镜反射漫反射辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，反射率ρ=0，从而吸收率和透射率之和为1，即α+τ=1由上所述，对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的内部。因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。2）特殊情况吸收率α=1的物体叫做绝对黑体。反射率ρ=1的物体叫做绝对白体。透射率τ=1的物体叫做绝对透明体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。黑体模型黑体的吸收比α=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越→1。若小孔面积/孔腔面积小于0.6％，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。黑体模型在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。⑥比辐射率（黑度、辐射率）：物体温度在T时，所有波长范围内的辐射出射度M与同温度下黑体的辐射出射度Mb之比，称为该辐射体比辐射率ε。光谱比辐射率（单色黑度、单色辐射率）：物体在某温度时的单色辐射出射度Mλ与同温度、同波长的黑体的单色出射度Mbλ之比，即（3）黑体的辐射特性

C1—普朗克第一辐射常数，C1=3.7413×10−4

W⋅μm4/cm2C2—普朗克第二辐射常数,C2=1.4388×10−4μm⋅K在3000K以下，黑体的单色辐射出射度与温度、波长的关系，维恩公式：普朗可定律普朗可定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑体单色辐射力与波长和温度的依变关系。普朗可根据量子理论得到按普朗可定律描绘出的不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化情况。由图可知，单色辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。最大单色辐射力所对应的波长λm亦随温度不同而变化。随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。最大单色辐射力所对应的波长λm与温度T之间存在着如下的关系：此式称为维恩位移定律。可以通过普朗可定律对波长求导等于零而导出。斯蒂芬—玻尔兹曼定律（黑体全辐射定律）：黑体辐射出射度与温度的关系，即单色辐射出射度在热辐射全部波长范围内的积分，即5.5.2光学辐射式高温计

当物体温度高于700℃是会明显地发出可见光。黑体的光谱辐射亮度Lbλ与温度Ts的关系：被测物的光谱辐射亮度Lλ与温度T的关系：如果在波长相等时，亮度相等，即Lbλ=Lλ则Ts:被测物亮度温度；T:被测物实际温度。用摄氏温度表示5.5.2光学辐射式高温计隐丝式光学高温计将被测对象单色辐射亮度与可调电流的温度灯的亮度进行比较。当两者亮度相同时，灯丝的轮廓就隐灭于被测物体影像中，此时，测量电表6所示的电流值就是被测物体亮度温度的读数。隐丝式光学高温计在所有辐射式温度计中精度最高，用来作为国家基准仪器。5.5.3全辐射高温计黑体全辐射出射度被测物体全辐射出射度如果则：Tp:被测物辐射温度。T:被测物实际温度；ε：黑度通过测量黑体的全辐射出射度Mb知被测温度T的辐射高温计将被测物体一定面积上和一定立体角内的辐射能量收集到接受器中，接受器的温升将稳定于一定数值。因温升值事先已用黑体温度进行分度，由接受器的温升可直接读出相对应黑体的温度Tp。对于待测的非黑体温度求法如下接受器通常用热电堆组成，热端收集辐射能，冷端为室温。测量时通过目镜瞄准待测的物体，使物体的像正好落在接受器的“+”形铂片上。电表指示出接受器的温升，通常的分度标示为黑体辐射温度值Tp。这种高温计的主要缺点是：因物镜聚焦时有色差,只能使一部分辐射能聚焦到接受器上而引起误差。因此，不宜进行精确测量。5.5.4比色高温计光学高温计和全辐射高温计应用广泛，但其共同缺点