计量方法与误差理论温和光学计量演示文稿

计量方法与误差理论温度和光学计量演示文稿目前一页\总数四十九页\编于九点（优选）计量方法与误差理论温度和光学计量目前二页\总数四十九页\编于九点二、温标 温标（即温度的“标尺”、“标准”）是温度量值的表示法。

首先用纯物质的三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温度计量的固定点(基准点)，并赋予一个确定的温度；然后选择随温度呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。

温标三要素：固定点、测温物质、内插公式华氏温标:水的冰点为32℉，水的沸点212℉，中间180等分(德国，华林海特，1714年)列氏温标:水的冰点为0°R’，水的沸点为80°R’，中间80等分（法国，列奥谬尔，1730年）摄氏温标:水的冰点为0℃，水的沸点为100℃，中间100等分（瑞典，摄尔萨斯，1742年）经验温标目前三页\总数四十九页\编于九点国际温标（ITS-90）

ITS-90就是热力学温标。

Tk=273.15+tcTF=1.8tc+32TR’=0.8tcTk:热力学温度Tc:摄氏温度TR’:列氏温度热力学温标:

英国开尔文提出以热力学第二定律为基础。与特定的物质性质无关，以水的三相点为基准(273.16K)，具有稳定性、唯一性、复现性和客观性。热力学温标以卡诺循环为基础：一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，假设从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则Q1/Q2=T1/T2。（绝对温度，单位K）

选用水的三相点作为基本固定点，得到热力学温标:理论温标目前四页\总数四十九页\编于九点热学计量器具：

热电偶、热电阻、温度计、高温计、辐射感温器、体温计、温度计检定装置、电子电位差计、电子平衡电桥、高温毫伏计、比率计、温度指示调节仪、温度变送器、温度自动控制仪、温度巡回检测仪、测温电桥、热量计、比热装置、热物性测定装置、热流计、热象仪。目前五页\总数四十九页\编于九点三、常用温度计与温度计量方法玻璃液体温度计 储液泡、毛细管、刻度标尺 测温介质：水银或其合金、酒精等

-30℃-300℃压力式温度计

密闭温度测量系统+指示仪表 气体压力式（氮气）、液体压力式（甲醇、水银等）、蒸汽压力式（苯、丙酮等低沸点液体）。

-100℃-600℃目前六页\总数四十九页\编于九点电阻温度计（热电阻测温）

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加(正温度系数)。目前七页\总数四十九页\编于九点热电阻温度计的组成：热电阻（电阻体、绝缘管和保护套管）连接导线显示仪表测温原理金属导体或半导体:电阻值R=f(温度t)电阻温度系数（α）

温度变化1℃时，导体电阻值的相对变化量，单位为1/℃。α↑→灵敏度↑。金属导体:t↑→Rt↑，∴α为正值（正温度系数）；而半导体:t↑→Rt↓，∴α为负值（负温度系数）。金属纯度↑→α↑。有些合金材料，如锰铜α→0。目前八页\总数四十九页\编于九点分类（根据材料类型）：

金属电阻（正温度系数） 铂电阻（13.8K~1234.94K）、铑铁电阻（低温0.1K~273K）、铂钴电阻（4K~292K，低温段比铂、铑铁稳定、准确，）

铂电阻

半导体电阻（正、负温度系数） 广泛用于低温计量 锗电阻：0.01K～100K 热敏电阻：-50℃-300℃，（在-200～0℃范围内）（在0～850℃范围内）目前九页\总数四十九页\编于九点金属电阻薄膜型铂热电阻防爆型铂热电阻铂电阻温度显示、变送器汽车用水温传感器及水温表铜热电阻计量标准工作计量器具工作计量器具目前十页\总数四十九页\编于九点目前十一页\总数四十九页\编于九点半导体电阻温度计热敏热电阻温度特性

负温度系数(NTC)热敏电阻（阻值随温度升高而显著减少）

采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造；正温度系数(PTC)热敏电阻。采用NiO2等化合物制造；临界温度(CTR)热敏电阻

当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。材料常数绝对温度常数目前十二页\总数四十九页\编于九点

MF12型NTC热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻大功率PTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻体温计

电热水器

目前十三页\总数四十九页\编于九点热电阻测温电路电桥设计在仪表内，而热电阻Rt安装在被测对象中，距仪表有一定的距离。由于Rt～温度T，故移动RD的电阻值不断平衡，可通过RD电阻刻度或温度刻度读取温度变化。二线制连接法（惠斯登电桥）目前十四页\总数四十九页\编于九点工业上在测低温时通常采用热电阻温度计，其测温范围为－200～500℃。用热电偶测量500℃以下温度时，热电势小，测量精度低；因此在高温段，一般采用热电偶测温方式。目前十五页\总数四十九页\编于九点热电偶温度计ABAB

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转。

如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小。赛贝克实验目前十六页\总数四十九页\编于九点

将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应。

冷端（自由端）（参考端）

热端（工作端）（测量端）热电流热电极A/B塞贝克效应原理图目前十七页\总数四十九页\编于九点热电偶的热电势（赛贝克电势）

k—波尔兹曼常数

e—电子电荷

nA、nB—金属A、B的电子密度目前十八页\总数四十九页\编于九点指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入国家或行业标准文件中的热电偶。特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分方便。国际电工委员会(IEC)在1975年推荐7种标准化热电偶，在1986年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶。标准化热电偶标准化热电偶：（1）铂铑10-铂（S）0~1600℃,长温最高1300℃，短温最高1600℃

；（2）铂铑30-铂铑6（B）长温1600℃，短温1800℃；（3）铂铑13-铂（R）0-1500℃

；（4）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)（K）－200～1300℃；（5）铜-铜镍(康铜)（T）300℃以下；（6）镍铬-康铜（E）－200～900℃；（7）铁-康铜（J）-200~1200℃

；（8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。目前十九页\总数四十九页\编于九点辐射温度计

通过被测物体在全波长或某一波段的辐射能量确定温度。

非接触法测温：不破坏被侧物体的热平衡，对感温元件结构要求不高，可计量热容量小的物体，可计量高温，对动态温度响应较好，但精度低。 1、任何物体温度高于绝对零度（-273.15C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。目前二十页\总数四十九页\编于九点波长能量任何波段都有能量的分布，而呈不间断的连续分布波长强度在某些特殊的波段有能量分布的辐射现象产生，而呈有间断性的辐射谱线分布。一个低压的气体位于一高温连续光源前，某些特殊的波段有能量被吸收的现象产生，而呈有间断性的吸收谱线分布。波长能量人眼可观测到的光谱类型目前二十一页\总数四十九页\编于九点亮度法：

检测某一特定波长下的光谱辐射能量800℃-4000℃

光学高温计、光电高温计、红外高温计灯丝隐灭式光学温度计光电亮度温度计：用光敏元件代替人眼，实现自动测量。根据普朗克定律：发射率：在同一温度下一表面发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比例目前二十二页\总数四十九页\编于九点

亮度温度定义：当物体在辐射波长为，温度为T时，其光谱辐射亮度和全辐射体在辐射波长为，温度为时的光谱辐射亮度相等，则把称为这个物体在波长为时的亮度温度。物体和全辐射体的亮度公式，分别为：亮度温度c——比例常数

假如两者的亮度相等，就得到

物体温度

亮度温度

目前二十三页\总数四十九页\编于九点优点：结构简单，使用方便，测温范围广（700~3200℃），一般可满足工业测温的准确度要求。缺点：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。将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温灯泡灯丝亮度比较。利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度温度与被测物体的亮度温度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。（亮度一样时）灯丝隐灭式光学温度计目前二十四页\总数四十九页\编于九点比色法：被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量交替或同时地投影到检出元件上，根据它们的比值与被测对象之间的温度关系实现测温。

颜色温度计：通过两个光谱能量比的方法测量温度，也称为比色温度计。

比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计。由维恩偏移定律可知，当温度变化时物体的辐射出射度向波长增加或减小的方向移动，使在波长下的光谱辐射亮度比发生变化，测量光谱辐射亮度比的变化即可测得相应的温度。对于全辐射体，由维恩公式可得：上式中的是预先规定的值，只要知道在此二波长下的亮度比，就可求得被测全辐射体的温度目前二十五页\总数四十九页\编于九点

当温度T的实际物体在两个波长下的光谱辐射亮度比值，与温度为的全辐射体的上述两波长下的光谱辐射比值相等时，把称为实际物体的比色温度。

根据上述定义，应用维恩公式，可导出下列公式：

式中：分别为实际物体在时的光谱发射率。已知，就可由上式求得T。目前二十六页\总数四十九页\编于九点优点：准确度高（精度为0.5％），反应速度快，测量范围宽（量程为800~2000℃）光路系统测量电路图目前二十七页\总数四十九页\编于九点全辐射法：

全波长范围的辐射能量，受周围环境影响大，准确度不如前两种（前两种准确度高，但只能吸收部分波段能量）。

基本原理：黑体全辐射定律。实际物体吸收能力小于绝对黑体，全辐射法测温低于实际温度。目前二十八页\总数四十九页\编于九点

被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：L/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比）进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会产生误差。应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。这个温度被称为“辐射温度”。T和Tp分别为物体的真实温度和辐射计指示温度；T为温度T时物体全辐射的发射率。因为非黑体εT<1，则TP<T目前二十九页\总数四十九页\编于九点温度计量方法超高温、超低温计量

原子能和宇航事业 耐高温合金冶炼、热核控制、太阳能利用——超高温 氟利昂冷冻机、空气液化机、氢液化机——超低温 超高温：工程上>3000℃，太阳炉温度计 超低温：氧的露点（90.188K）以下，磁性温度计（常磁性物质磁化率在低温时随温度变化很大）。常用计量方法

接触法、非接触法辐射测温技术近30年取得的主要成果有：在测温范围方面，最高可达500万摄氏度，如地下核爆炸火球温度，最低可达-170摄氏度；灵敏度方面已达到0.0001K，工业仪表可达0.1K；反应时间方面最快可达微秒级；最小可测目标直径为0.5mm。目前三十页\总数四十九页\编于九点3.5光学计量光是一种电磁波，波长介于微波与X射线之间。

1nm←紫外线→380nm←可见光→

780nm←红外线→1mm光学计量：各光学分支中有关计量知识的领域。-辐射度计量-光度计量-激光计量-色度计量-光材料的光参数计量-成像系统及光学元件的质量评价等。目前三十一页\总数四十九页\编于九点与辐射相关的量：辐射能量——辐射功率（辐射通量）辐射度计量两种量值与人眼相关的量：光能量——光功率（光通量）光度计量目前三十二页\总数四十九页\编于九点3.5.1光度计量一、光度量及单位1、光通量(luminousflux)

单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流[明]（lm）。或：光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（Φ）。是一个属于把辐射通量与人眼的视觉特性联系起来评价的主观物理量．

流[明]：光强度为1坎[德拉]（cd）的均匀点光源，在1球面度（sr）立体角内发射的光通量。

由于人眼对不同波长的光敏感性不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。

如，当波长为555×10-9米的绿光与波长为650×10-9米的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的10倍。为了测光的统一和准确，根据对许多正常人眼的研究，求出了各种波长的平均相对光灵敏度。1942年，国际照明委员会（CIE）规定了国际统一的平均人眼“光谱光效率”或“视见函数”。一立体角顶点位于球心，它在球面上所截取的面积等于以球半径r为边长的正方形面积，那么这个立体角就是1球面度。目前三十三页\总数四十九页\编于九点2、光强度

光通量的空间密度，即点光源在给定方向上单位立体角发射的光通量。3、光照度

光通量的面密度，即被照射物体表面单位面积上的光通量

勒[克斯]（lx）：1lm的光通量均匀分布在1m2表面所产生的光照度。单位：尼特（nt）

4、光亮度光亮度是表示发光面明亮程度的。光源表面的某一点面元在一给定方向上的发光强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正射投影面积之比。目前三十四页\总数四十九页\编于九点四种度量值示意图目前三十五页\总数四十九页\编于九点二、光度计量器具1.光探测器

主观光探测器（人眼，对弱光敏感度高）、客观探测器

光电探测器外光电效应：光子能量—电子逸出—光电流（光电管、光电倍增器）光伏效应：P-N结吸收光子能量—电子空穴对—光电流（光敏二极管、三极管）光电导效应：P-N结吸收光子能量—释放更多载流子—电导率下降（光电池）

与波长、光通量有关热电探测器热电效应：光能—温度升高—电阻或电容（测辐射热计）

表面电荷（热释电探测器）电动势（热电偶、热电堆）

只与辐射通量有关，与波长无关，无选择性探测器光化学效应探测器

如照相底片目前三十六页\总数四十九页\编于九点光辐射基本测量设备2光度导轨(非单独设备)精确轴向距离刻度和标尺的导轨，数个带距离精细刻度的滑动架或滑车

用平方反比定律（即点源对微面元的照度与点源的发光强度成正比，与距离平方成反比）连续、精确改变某平面处的光照度

改变光源到光度计的距离，使进入光度计两侧的光在视场内平衡时，两半视场的中心界线消失，则二者具有相同的光照度。陆末-布洛洪（Lummer-Brodhun）目视光度计目前三十七页\总数四十九页\编于九点光辐射基本测量设备3积分球(非单独设备)和光度导轨一样，积分球并非一个单独的测量设备，常常和光源、探测器装在一起，作为理想漫射光源和匀光器，广泛用于光辐射测量中结构及原理：铝或塑料做成的内部空心球，内壁涂抹漫射材料，球上开多个孔（入射光孔或安装光源）。球内任一面元发出的辐射通量，经过多次漫射，能使球内各点有相同的直射辐照度。 优点：经积分球多次漫射，可使光能不均匀的测量光束均匀化，消除由探测器接收表面响应的不均匀产生的测量误差。 目前三十八页\总数四十九页\编于九点光辐射基本测量设备4单色仪

将宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，用作可调波长的单色光源或分光器。

利用色散元件（棱镜、光栅等）对不同的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间展开，并由入射狭逢和出射狭逢的配合，得到所要求的单色光谱。棱镜单色仪光栅单色仪目前三十九页\总数四十九页\编于九点光辐射基本测量设备5分光光度计

作用：测量材料光谱反射比或透射比

组成：（美国GE公司） 双单色仪、偏光系统、积分球、探测器 偏光系统将光束分成两路偏振方向相互垂直的偏振光测反射比：一束光照射处放标准反射块,另一束光照射处放样品,改变夹角使探测器输出相等测透射比：反射块的位置放相同的中性漫反射块,标准透射样品、待测样品,改变夹角使探测器输出相等目前四十页\总数四十九页\编于九点光强度计量

比较法——在光度导轨上测量等光照度法（主观法）

使标准灯、待测灯在接收器表面产生的光照度E相等，然后用距离平方反比定律进行计算

等距离法（客观法）使标准灯、待测灯和比较灯到光电接收器表面的距离都相等，且位于同一侧。参考灯用来监视被测系统的稳定性，通过光电流计算三、光度计量方法目前四十一页\总数四十九页\编于九点光照度计量照度计

光辐射探测器+指示/显示装置 光辐射探测器放在待测平面，产生光电流通过光强度和光亮度值计算符合朗伯光源(各个方向上的亮度均相等)的光照度的一般计算公式目前四十二页\总数四十九页\编于九点光亮度计量

亮度计

用一个光学系统把待测光源表面成像在放置光辐射探测器的平面上目前四十三