机械工程测试技术第13章

传感器与测试技术第13章温度和湿度的测量学习导航13.1温度标准与测量方法

(TemperatureStandardandMeasurementMethod)13.2热电偶温度计

(Thermocouple)

13.3热电阻温度计(Thermo-ResistorThermometer)13.4热敏电阻和集成温度传感器(ThermistorandIntegratedTemperatureSensor)13.

5机械温度传感器(MechanicalTemperatureSensor)13.

5热辐射原理(ThermalRadiationPrinciple)13.6红外测温传感器(InfraredRadiationTemperatureSensor）

13.7全辐射温度计(RadiationPyrometer)13.8光学高温计(OpticalPyrometer)13.9比色高温计(ColorComparatorPyrometer)13.10

温度测量实例(TemperatureMeasurementPracticalUse)删减：1)P3312.集成温度传感器~13.2.4之前;

2）P33513.3.2红外测温~本章最后不考(

介绍)

学习目标了解温度的标准和测量方法；掌握热电偶温度计的基本定律和工作原理；掌握热电阻温度计的工作原理；了解辐射测温原理。

123413.1温度标准与测量方法

13.1.1温度和温标温标是温度的数值表示方法，是用来衡定物体温度的尺度。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。13.1温度标准与测量方法温度是表征物体冷热程度的物理量。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。1摄氏温标(℃)

物理基础：水银的体积膨胀与温度变化成线性关系。分度方法：标准大气压下水的冰点为零度(0℃)，沸点为100度(100℃)，用这两个固定点分度玻璃水银温度计，100等分，每等分为1℃。2华氏温标(°F)标准大气压下水的冰点为32°F，沸点为212°F，中间划分为180等分，每一等分称为1°F。13.1温度标准与测量方法热力学温标是一种与工作介质无关的温标，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。国际温标采用热力学温度，符号为T，单位为开尔文(K)，它是国际单位制(SI)的基本单位。当前广泛使用的国际温标是国际计量委员会(CIPM)批准的国际温标(ITS-90)。摄氏温度t由热力学温度T导出：3热力学温标（开氏温标

(K)、国际温标）(K))13.1温度标准与测量方法13.1.2温度的测量方法类型接触式非接触式必要条件感温元件必须与被测物体相接触，被测物体的温度不变感温元件能接收到物体的辐射能特点不适宜热容量小的物体温度测量不适宜动态温度测量便于多点，集中测量和自动控制被测物体温度不变适宜动态温度测量适宜表面温度测量测量范围适宜1000℃以下的温度测量适宜高温测量测温精度测量范围的1%左右一般在10℃左右滞后较大较小接触式与非接触式测温方法比较13.1温度标准与测量方法接触测量法

热平衡被破坏，不适于小物体的温度测量。非接触测量法

利用热辐射或电磁原理，不破坏平衡状态，动态响应好，精度较低。13.2接触式测温传感器

13.2.1热电偶

热电偶的工作原理应用广泛，工作原理基于物体的热电效应。13.2接触式测温传感器mA1热电效应相应的电动势称为温差电动势，即热电动势。测量时，工作端即热端（T

）置于测量环境，自由端即冷端（T0

）温度应保持恒定。图热电效应13.2接触式测温传感器产生的热电动势EAB(T,T0)由两种导体的接触电动势eAB和单一导体的温差电动势EA和EB组成。两种导体组成闭合回路，若两接点的温度不等（T＞T0），回路中就会产生电动势，称为温差电效应，即热电效应。(1)接触电动势若导体A的自由电子密度大于B的自由电子密度，即A的电子就会扩散到B，即A带正电，B带负电，形成接触电动势。接触电动势阻碍电子的进一步扩散，平衡时，一般为10-3～10-2V。

图接触电动势a)电子扩散示意图b)等价电路13.2接触式测温传感器接触电动势与导体的性质和接触点的温差有关。当T=T0时，尽管两接触点都存在接触电动势,但回路中总接触电动势等于零。两种不同材料的导体A、B的连接点分别发生电子扩散，其速率与自由电子的密度(n)和导体的温度成正比。电子电荷量

1.6021892×10–19C波尔兹曼常数1.38066×10–23J/K回路中总的接触电动势是两个结点的电动势之差，即：13.2接触式测温传感器电子密度

图接触电动势a)电子扩散示意图b)等价电路（2）单一导体的温差电动势高温端电子的能量大于低温端的，向低温端扩散。高温端失去电子而带正电，当电子运动达到动平衡,温差电势达到一个相对稳态值。

温差电动势比接触电动势小得多，一般为10-5V。单一导体温差电动势a)电子扩散示意图b)等价电路13.2接触式测温传感器汤姆逊系数，温差1℃产生的温差电动势。导体所组成回路的总温差电动势是两个导体温差电动势之差：在均匀的导体材料中，如果两端的温度不等，将产生温差电动势。两导体各自温差电动势之差热电偶的总电动势：因此，总电动势为两个接点电动势之差：热电偶电动势的组成13.2接触式测温传感器回路中总的接触电动势(两个结点的电动势之差)回路的总温差电动势(两个导体温差电动势之差)温度（注意积分下限）热端热电动势冷端热电动势当自由端温度为常数，即f(T0)=C

，有EAB(T,T0)=f(T)－C=Φ(T)13.2接触式测温传感器依此建立标准的热电偶分度表。该表是将自由端温度保持为0℃，通过实验建立起来的热电动势与温度之间的数值关系。只有当热电偶的两个电极材料不同，且两个结点的温度不同时，才会产生电动势，它是两个接点温度的函数：EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)2热电偶的基本定律

(1)中间温度定律例用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，当冷端温度为30℃，测得热电动势E(T,30)=39.17mV，求实际炉温。由分度表，E(30,0)=1.2mV，于是，有：

E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37(mV)由分度表得炉温T=946℃。13.2接触式测温传感器当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电动势等于该热电偶两接点分别为(T,Tn)与(Tn,T0)时所产生的热电动势的代数和，即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,T0)当在冷端温度为某恒定值时，可以利用热电偶分度表

【即有的】确定工作端的温度值。(2)中间导体定律在热电偶回路中，通常要介入导线和仪表。只要接入的第三导体两端温度相同，对回路的总热电动势就没有影响，如下图接线方式，分别有：热电偶接入中间导体的回路a)中间导体定律第三导体接入方法一b)中间导体定律第三导体接入方法二13.2接触式测温传感器AC书中T有误(3)标准电极定律例铂铑30—铂热电偶的E(1084.5,0)=13.976mV,

铂铑6—铂热电偶的E(1084.5,0)=8.354mV。于是，据标准电极定律，对于铂铑30—铂铑6，有:E(1084.5,0)=13.976－8.354=5.613mV13.2接触式测温传感器若电极A，B分别与电极C组成热电偶，其电动势分别为：EAC(T,T0)和EBC(T,T0)，在相同结点温度下，由A、B电极组成的热电偶的热电动势为：把电极C作为标准电极，通常选用纯铂丝——因为它的物理化学性能稳定，熔点高，易提钝。【为热电偶电极选配提供了方便。】3标准化热电偶铂铑10

-铂

性能稳定，准确度高，可用于基准热电偶。热电动势较低，价格贵，不能用于金属蒸气和还原性气体中。13.2接触式测温传感器铂铑30-铂铑6稳定性和机械强度高于铂铑10-铂，测量温度可达1800℃，室温下的热电动势较低。可作标准热电偶，一般不需要补偿和修正。由于热电动势较低，需要高灵敏度和高精度仪表。标准化热电偶批量生产，性能优良、稳定，同一型号具有互换性，具有统一的分度。常用标准化热电偶的特点：冶金镍铬-考铜(Ni43.5,Cu56.5)

热电动势较高，电阻率小，适于还原性和中性气氛下测量，价格便宜，测量上限较低。13.2接触式测温传感器镍铬-康铜(Ni45,Cu55)

热电势较高，价格低。高温下易氧化，适于低温和超低温测量。

镍铬-镍硅或镍铬-镍铝

热电动势较高，热电特性的线性较好，化学稳定性良好，抗氧化性和抗腐蚀性较强。稳定性稍差，测量精度不高。36##（1）材料化学4热电偶冷端的温度补偿根据热电偶测温原理，热电偶冷端温度不变时，输出才是温度的单值函数。13.2接触式测温传感器通常，以热电偶参考端为作为先决条件。但在实际中，热电偶长度一定，参考端温度直接受到被测介质、环境温度的影响，难以获得稳定的温度，，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要把变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用参考端温度恒定法和冷端补偿法。

参考端的形式和用途见表13-2：（1）参考端温度恒定法参考端形成用途冰点式参考端常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混和物用于校正标准热电偶等高精度温度测量电子式参考端利用半导体制冷的原理，冷却密封的水槽，从而把参考端温度保持在0℃。体积小，操作简单恒温槽式参考端利用温度调节器将参考端温度保持恒定。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用于热电温度计的温度测量室温式参考端无参考端温度恒定装置，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温度测量参考端的形式和用途13.2接触式测温传感器冰点式参考端工作示意图13.2接触式测温传感器

当参考端温度恒定或变化很小，但不为时，

还必须用热电动势修正法进行修正。

冰点式参考端工作示意图见图13-5（2）冷端补偿法13.2接触式测温传感器热电偶补偿导线的应用一般，显示仪表通过补偿导线，将热电偶的参考端引至恒温的地方，采用两种特定导线组成热电偶补偿导线。【其依据是：补偿导线在一定温度范围之内（0~100）与所连接的热电偶

具有相同的热电性能。】注意：不同的热电偶要配接不同的补偿导线。℃导线补偿电桥补偿补偿电桥法将热电偶冷端与电桥置于同一环境中，电阻是由温度系数较大的镍丝制成，而其余电阻则由温度系数很小的锰丝制成。在某一温度下，调整电桥平衡，当冷端温度变化时，随温度改变，破坏了电桥平衡，电桥输出为，从而去补偿由于冷端温度改变而产生的热电动势变化量。原理结构36##（2）广泛应用的热电阻材料——铂、铜；

铟、锰、碳（适于低温）等。热温度计——利用金属导体或半导体的感温电阻，

把温度的变化转换成电阻值变化的传感器。

工业上被广泛地用于低温及中温（-200～500℃）范围内的温度测量。13.2接触式测温传感器13.2.2热电阻温度计1常用的热电阻温度计

(1)铂热电阻铂热电阻——铂是一种贵重金属，其物理、化学性能非常稳定

【温度范围可达1200℃】，目前被广泛应用，且用

于制作标准电阻。长时间稳定的复现性可达，

是最好的热电阻材料。热电阻的电阻比——是表征其性能的重要指标，用W(100)表示：W(100)的值越高，铂丝的纯度越高。13.2接触式测温传感器100℃时的电阻值0℃时的电阻值当t=0～650.755℃时，当t=－200～0℃时，国际实用温标规定：作为基准器的铂电阻，其W（100）值不得小于1.325。目前的工艺水平可达到：W（100）=1.3939，其相对应的铂的纯度为99.9995%。

工程上常用的铂电阻的W（100）一般为=1.387~1.390。13.2接触式测温传感器

式中：A、B、C分别为常数。可见，在0℃以上，铂丝的电阻值与温度之间具有较好的线性。(2)铜热电阻

价格便宜，易于提纯，复制性能较好;灵敏度较高，电阻温度系数为;

线性较好，阻值与温度的关系为缺点是电阻率较低，易氧化。

因而，工程上主要用于作（－50～150℃）范围内的电阻测温计，且只用于较低温度、无水分、无侵蚀性介质的环境中。13.2接触式测温传感器特点工业上广泛用热电阻作为（－200～500℃）范围的温度测量。特点是：精度高、稳定性好、适于测低温；缺点是：热惯性大，需辅助电源；注意：流经电阻丝的电流不宜过大（不宜超过6mA）。13.2接触式测温传感器2.热电阻的特点与应用举例特点13.2接触式测温传感器把铂丝装于与被测介质连通的玻璃管内，较大的恒定电流流经铂电阻丝并将其加热，在环境温度和玻璃管内介质的导热系数恒定情况下，当电阻丝所产生的热量和管内介质导热而散失的热量相平衡，铂丝的平衡温度、阻值稳定；

被测介质真空度升高时，管内气体变得稀薄，气体分子间碰撞进行热传递的能力降低，即导热系数减少，铂丝平衡温度、电阻值随即增大，其大小反映了被测介质真空度的高低。

这种真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中附加有恒温或温度补偿装置。应用举例——利用热电阻测量真空度13.2.3热敏电阻和集成温度传感器特点——与金属热电阻相比，灵敏度高、体积小、热惯性小、

响应快；

线性、互换性和稳定性较差。

适用于－100～300℃。原理——利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的

一种热敏元件。1热敏电阻制作——由产品性能不同，采用不同的比例配方，以某些金属

氧化物（钴、锰、镍等氧化物），高温烧结而成。正温度系数(PTC)热敏电阻:

温度超过某值时，电阻值朝正方向快速变化。

用于彩电消磁、电气设备的过热保护，定温控制等。负温度系数(NTC)热敏电阻:

具有很高的负电阻温度系数，

用于自动控制及电子线路的热补偿，特别适于（－100～300℃）范围的温度测量。临界温度系数(CTR)热敏电阻:

电阻在某个温度值急剧变化。用于温度开关。（1）热敏电阻分类(2)NTC热敏电阻的温度特性T、T0时的热敏电阻值材料常数，由实验获得，高温下B值增大热敏电阻的温度特性13.2接触式测温传感器温度特性是热敏电阻的基本特性，

反映了其阻值与温度之间关系这一基本性质。应尽量在微小电流条件下工作，避免存在自身加热现象。NTC热敏电阻与温度之间近似符合指数函数规律：T为被测温度、T0为参考温度，K热敏电阻的温度系数是一个热电特性重要指标，代表热敏电阻在其自身温度变化1℃时电阻值的相对变化量，热敏电阻的温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度较高。13.2接触式测温传感器广泛应用于：温度测量、温度控制、温度补偿、过载保护；利用其耗散原理进行流量测量、真空度测量。(3)热敏电阻的应用13.2.4机械温度传感器

特点——结构简单、牢固，又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)，其使用范围相当广泛。双金属温度计的工作原理双金属温度计双金属温度计——属于机械温度传感器，由两种线膨胀系数不同

的金属薄片焊接在一起制成的，一种固体膨胀式温度计。金属A不变形（如：因瓦合金）用双金属A感温元件绕成螺旋型，一端固定，一端连指针轴。金属B受热伸长（如：黄铜）13.3非接触式测温

13.3非接触式测温任何受热物体都有一部分热能转化为辐射能，并以电磁波的形式向外辐射。温度越高，其辐射能量越大。非接触测温方法主要应用于高温、高腐蚀的工况。其基本原理是基于物体的热辐射。

不同的物体是由不同的原子组成的，因此能发出不同波长的波，其辐射波长的范围可以从γ射线一直到无线电波，其中能被其它物体吸收并重新转化为热能的波长范围有

0．4～0．77μm的可见光和0．77～40μm的红外线，这部分射线称为热射线，所传递过程称为热辐射。13.3.1热辐射原理热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。物体所发射辐射能的多少与物体温度有一定的关系，所以热辐射现象可以用来测温。13.3非接触式测温黑体若物体能够吸收落在其表面上的全部辐射能，没有任何透射和反射，则该物质称之为黑体。物体的辐射能力与其吸收能力成正比，因此，黑体具有全波长辐射能力。全辐射定律（斯蒂蕾-玻尔兹曼定律）黑体的全辐射能量与其热力学温度的4次方成正比。13.3非接触式测温因为辐射式测温仪上应用的一般是非黑体材料，只能部分吸收和辐射部分波长的辐射能，但仍然遵循全辐射定律。

同时在实际测温时，要考虑黑体修正。黑体修正根据热辐射和波长的关系，辐射式测温仪表可分两类：光谱辐射（单色辐射）——以某一波长下的光谱辐射理论为基础，

包括光学高温计，红外测温仪，比色高温计；全辐射（辐射）——以全辐射理论为基础，

如全辐射高温计、部分辐射高温计。辐射仪器分类辐射式测温计的类型及性能辐射式测温计类型测温原理敏感元件工作波长/μm响应时间/s测温范围/ºC精确度/%光学高温计测量单色辐射亮度人眼0.6～0.7（0.66）取决于操作者800～3200±(0.5～1.5)光电高温计光电倍增管0.3～1.20.4～1.10.6～3.0<3（<1）400～2000±(0.5～1.5)比色高温计测量两个单色辐射的亮度比值光电池0.4～1.1<3400～2000±(1～1.5)全辐射高温计测量全辐射能量热电堆0.4～14（0～∞）0.5～4600～2500±(1.5～2)部分辐射（红外）高温计测量部分辐射能量光电池热敏电阻热释电元件硫化铅光敏电阻0.41.10.2～404～2000.6～3.0<1-50～3000±113.3非接触式测温P10（简介、串线）13.3.2红外测温

光栅盘由两片扇形光栅板组成，一块固定，一块可动。可动板受光栅调制电路控制，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。可测范围0～600℃，时间常数为4～10ms。13.3非接触式测温简介，不考红外测温仪的工作原理末级放大1．红外测温仪（点温仪）

图红外测温仪的工作原理13.3非接触式测温简介，不考按成像特性可分为：望远型（测量远距离目标的温度）一般型（测量1〜5m处目标的温度）显微型（用于测量微小物体的温度）。13.3非接触式测温简介，不考红外测温仪的一些主要技术参数有：测温范围、工作波段、测温精确度、最小可分辨温差、读数重复一致性、响应时间、焦点处目标尺寸、距离系数﹑实际工作距离﹑辐射率调整范围等。按测温范围可分为：高温测温仪(700℃～3200℃)

中温测温仪（100℃～700℃)

低温测温仪（100℃以下〉。2．红外热像仪基于物体的热辐射，把被测温度的空间分布显示为等温曲线的图像，即热像。红外热像仪的工作原理13.3非接触式测温简介，不考热像仪的主要参数1）工作波段：工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是3～5μm或8～12μm。2）探测器类型：探测器类型是指使用的一种红外器件。是采用单元或多元（元数8、10、16、23、48、55、60、120、180等）

光电导或光伏红外探测器，

[其采用的元素有硫化铅（PbS）、硒化铅（PnSe）、碲化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅（PbSnTe）、锗掺杂（Ge：X）和硅掺杂（Si：X）等。]3）扫描制式：一般为我国标准电视制式、PAL制式。4）显示方式：指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。5）温度测定范围：指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。6）测温准确度。7）最大工作时间：红外热像仪允许连续的工作时间。13.3非接触式测温简介，不考13.3.3全辐射温度计被测对象的辐射由光学系统聚焦到多对串联热电偶组成的热电堆,热电堆的电势与被测对象温度的4次方成正比。全辐射高温计的工作原理13.3非接触式测温简介，不考13.3.4光