第6章 温度检测技术

概述 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。 从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志。 温度与人们日常生活紧密相关。

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.1 温标与标定 6.1.1 温标 6.1.2 标定

6.1.1 温标 为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。 利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。

6.1.1 温标 经验温标 1 热力学温标 2 绝对气体温标 3 国际实用温标 4

经验温标 华氏温标 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。 按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉。

经验温标 摄氏温标 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。 摄氏温度和华氏温度的关系为 T ℉ = t℃ + 32 式中 T——华氏温度值; t——摄氏温度值。

热力学温标 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与水的三相点温度分为273．16份，每份为1 K (Kelvin) 。

绝对气体温标 从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律： 当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有：

国际实用温标 指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便； 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。

国际实用温标 ITS一90基本内容： 1、重申国际实用温标单位仍为K，1 K等于水的三相点时温度值的1/273.16； 2、把水的三相点时温度值定义为0.01℃（摄氏度），同时相应把绝对零度修订为-273.15℃；国际摄氏温度和国际实用温度关系为：

国际实用温标 ITS一90基本内容： 3、把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下： ①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计； ④961.78℃以上，用光学或光电高温计； 4、新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见表6-1所示：

国际实用温标 表6-1 ITS-90温标17固定点温度

6.1.2 标定 标准值法 1 用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温度计可作为标准温度计来测温度。

6.1.2 标定 标准表法 2 把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.2 测温方法分类及其特点 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。

6.2 测温方法分类及其特点 1 接触式温度测量 测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低； 由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。

6.2 测温方法分类及其特点 非接触式温度测量 2 感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度; 非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。

接触式与非接触式测温特点比较 方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对 象的辐射能充分照射到检测元件上 范围 特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于l 300℃以上 的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温， 但1000℃以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度 精 度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级， 实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应 速度 慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为2～3秒钟 其它 特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻 烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测 物体表现温度(需进一步转换)；不易组成 测温、控温一体化的温度控制装置

各种温度检测方法及其测温范围

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.3 热膨胀式测温方法 基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。 特点： 1、测量范围大都在-50℃～550℃内 6.3 热膨胀式测温方法 基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。 特点： 1、测量范围大都在-50℃～550℃内 2、用于温度测量或控制精度要求较低，不需自动记录的场合。

玻璃温度计 玻璃温度计是一种直读式仪表，水银是玻璃温度计最常用液体，其凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。 特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。

压力温度计 压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。 特点： 强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差 测温范围下限能达-100℃以下，上限最高可达600℃ 一般用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量

压力温度计 测温时将其温包置入被测介质中，温包内的感温介质(为气体或液体或蒸发液体)因被测温度的高低而导致其体积膨胀或收缩造成压力的增减，压力的变化经毛细管传给弹簧管使其产生变形，进而通过传动机构带动指针偏转，指示出相应的温度。 毛细管长度愈长，则温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高

压力温度计 测温范围 -20～60,0～100,20～120,60～160 温包插入深度(mm) 150～280（尾长≤12M） Φ8,Φ10Φ,Φ13,Φ14不锈钢管 温包材料 Φ8,Φ10Φ,Φ13,Φ14钢管 　Φ8,Φ10Φ,Φ13,Φ14不锈钢管 毛细管材料 铜质毛细管 　 包塑毛细管 　 不锈钢毛细管 安装方式 WTZ-280 M27×2可动外螺纹 材料：铜，铁，不锈钢 尾长 1M～20M>20M特殊加工 技术参数 精度等级：±1.5％，±2.5％ 触头容量：220V/1A（无感负载10VA） 安装孔尺寸 4"-Φ118mm 　6"-Φ158mm

双金属温度计 基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件（俗称双金属温度计）。 当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。

双金属温度计 双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。 双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.4 热阻式测温方法 基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。 6.4 热阻式测温方法 基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。 热电阻的材料：电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性；物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。

6.4 热阻式测温方法 优点：信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传（与热电偶相比）、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。 缺点：需要电源激励、有自热现象（会影响测量精度）以及测量温度不能太高。 常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。

6.4.1 铂电阻测温 铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻—温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。 目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。

6.4.1 铂电阻测温 铂电阻与温度的关系 当 ℃时 当 ℃时 式中 R0——温度为零时铂热电阻的电阻值 6.4.1 铂电阻测温 铂电阻与温度的关系 当 ℃时 当 ℃时 式中 R0——温度为零时铂热电阻的电阻值 R（t）——温度为t时铂热电阻的电阻值； A=3.90802×10-3℃ B=-5.8019×10-7℃2 C=-4.27350×10-12℃4

6.4.1 铂电阻测温 热电阻的结构

6.4.1 铂电阻测温 热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。 6.4.1 铂电阻测温 热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。 作为热电阻丝材料应具备如下条件： ① 电阻温度系数大、线性好、性能稳定； ② 使用温度范围广、加工方便； ③ 固有电阻大，互换性好，复制性强。

6.4.1 铂电阻测温 热电阻的引线形式 热电阻的内引线是出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。 6.4.1 铂电阻测温 热电阻的引线形式 热电阻的内引线是出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。 热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图6-4所示。

6.4.1 铂电阻测温

两线制测量电桥

三线制测量电桥

四线制测量原理 RTD为被测热电阻，通过四根电阻引线将热电阻引入测量设备中，各引线电阻为RLEAD；恒流源I加到RTD的两端，RTD另两端接入电压表VM，由于电压表具有极高的输入电阻（通常高于100 MΩ），因此流经电压表的电流可忽略不计，VM两端电压完全等于RTD两端的电压，流经RTD的电流完全等于恒流源电流I。 由此可见，RTD的电阻值精确等于U/I，与引线电阻无关。

四线制测量原理 该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压表的测量精度、引线的固有热电势。 可采用如下措施提高测量精度： ①在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻，测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I，从而消除由于温漂、失调等因素造成的恒流源误差； ②变换恒流源极性测量热电阻，可大大抑制热电势的影响。

6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温 铜电阻 铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250℃以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00）一般其工作温度范围为-40℃～120℃。其电阻值与温度的关系为： 当 ℃时

6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温 热敏电阻的优点： ①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数量级； ②很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响； ③体积小； ④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合； ⑤结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。

6.4.2 铜电阻和热敏电阻测温 热敏电阻的缺点： ①阻值与温度的关系非线性严重； ②元件的一致性差，互换性差； ③元件易老化，稳定性较差； ④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.5.1 热电偶测温 热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多的器件。 6.5.1 热电偶测温 热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多的器件。 特点：测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。

热电偶测温原理 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应（如图6-9所示）。

热电偶测温原理 热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。 接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。

热电偶测温原理 热电偶两热电极分别叫 A（正极）和B（负极），两端温度分别为 且 ； 热电偶回路总电势为： 其中温差电势EA（T，T0）和EB（T，T0）比接触电势小很多，可忽略不计， 且EAB（T0）总与EAB（T）的方向相反，上式简化为：

热电偶分类及特性 为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能： (1)优良的热电特性； (2)良好的物理性能 ； (3)优良的化学性能 ； (4)优良的机械性能 ； (5)足够的机械强度和长的使用寿命； (6)制造成本低，价值比较便宜。

热电偶分类及特性 工业用热电偶测温范围

热电偶结构 普通工业用热电偶 热电偶通常主要由四部分组成 (如图6-12所示)：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。

热电偶结构 铠装热电偶 铠装热电偶，是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的热电偶。 优点：测量温度范围宽 ，响应速度快 ，挠性好、安装使用力便，使用寿命长 ，机械强度、耐压性能好 ，铠装热电偶外径尺寸范围宽 ，铠装热电偶的长度可以做得很长。

热电偶温度测量 补偿导线 优点： 改善热电偶测温线路的机械与物理性能 降低测量线路的成本 节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。

热电偶温度测量 补偿导线使用注意事项如下： 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用； 补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围； 由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同； 在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。

热电偶温度测量 参比端处理 我们经常使用的热电偶分度表，都是以热电偶参比端为0℃条件下制作的。 在工业测温现场一般不能使参比端保持0℃。 现在由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，因而，智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式： 当热电偶的测量端和参比端温度分别为t、t1，假定t1＞t0=0℃ ，则热电动势

热电偶温度测量 ［例6.1］：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t1＝38℃；测得测量端和参比端间的热电动势E(t, 38-1 )＝29.90 mV，试求实际炉温。 ［解］ 由K型分度表查得E(38，0)＝1.53 mV，由式(6-11)可得到： E(t，0)＝E (t, t1 ) + E(t1, 0 ) ＝29.90 +1.53= 31.43 mV 再查K型分度表，由31.43 mV查得到实际炉温755℃ 。

热电偶温度测量 上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端间的热电动势E(t, 32 )＝29.90 mV查K型分度表得对应的炉温718℃，与实际炉温755℃相差37℃，由此产生的相对误差约为5%。 由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。

6.5.2 集成温度传感器AD590 美国AD公司于70年代末推出体积仅同一只小功率高频晶体管大小的集成化半导体温度传感器AD590。

6.5.2 集成温度传感器AD590 特点： ⑴外接线非常简单(仅两根)，使用十分方便； ⑵内有稳压和恒流电路，对外接电压要求非常低； ⑶非线性误差较小； ⑷使用温度范围为-50—150℃； ⑸它具有良好的互换性； ⑹采用图6.13所示的电路，可以把AD590输出的电流信号方便地转换成电压信号。

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.6 辐射法测温 任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。 而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。

6.6 辐射法测温 6.6.1 辐射测温的基本原理 6.6.2 光谱辐射温度计 6.6.3 比色高温计 6.6.4 红外测温 6.6 辐射法测温 6.6.1 辐射测温的基本原理 6.6.2 光谱辐射温度计 6.6.3 比色高温计 6.6.4 红外测温 6.6.5 红外成像测温仪

6.6.1 辐射测温的基本原理 辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.3—40μm。 相关概念： 绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量。 选择吸收体：对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有关外，还与波长有关。 灰体：吸收(或辐射)本领与波长无关。

6.6.1 辐射测温的基本原理 如果波长λ与温度T满足C2／(λT)≥1，则可把普朗克公式简化为维恩(Wien)公式。在温度低于3000K，对于波长较短的可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差＜1％。

6.6.1 辐射测温的基本原理

6.6.1 辐射测温的基本原理 从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长 λm和温度T均满足维恩位移定律。 实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系满足斯蒂藩一玻耳兹曼定律：

6.6.1 辐射测温的基本原理 综上所述，任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量的基本原理。 依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。 目前国内外使用的光谱辐射温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定物体的温度。

6.6.2 光谱辐射温度计 光学高温计 1 光电高温计 2 硅辐射温度计 3

光学高温计 特点：结构较简单，使用方便，适用于1000 K～3500 K范围的温度测量，其精度通常为1.0级和l.5级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温窑炉的温度测量。 用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。

光学高温计 亮度温度：在波长为 λ、温度为T时，某物体的辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0λ 相等，则称TL为这个物体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为 在常用温度和波长范围内，通常用维恩公式来近似表示光谱辐射亮度，这时上式成为 光学高温计是在波长为λ的单色波长下获得的亮度。这样，物体的真实温度为

光学高温计 光学高温计通常采用0.66土0.01μm的单一波长，将物体的光谱辐射亮度Lλ 和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。 光学高温计有三种形式： 灯丝隐灭式光学高温计 恒定亮度式光学高温计 光电亮度式光学高温计

灯丝隐灭式光学高温计 原理：由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。 WGGZ型光学高温计的示意图如下图所示：

光电高温计 优点：结构相对较简单，灵敏度高，测量范围广，使用方便。 缺点：光学高温计在测量物体的温度时，由于要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察误差较大，也无法实现自动检测和记录。

光电高温计 国产WDL型光电高温计的工作原理示意图

光电高温计 光电高温计与光学高温计相比，主要优点有： 灵敏度高 精确度高 使用波长范围不受限制 光电探测器的响应时间短 便于自动测量与控制

辐射温度计 辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。 辐射温度计由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置等几大部分组成。 辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射温度。

辐射温度计 辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类。 光电型：常用的有光电倍增管、硅光电池、锗光电二极管等。这类敏感元件的特点是响应速度极快，而同类元件光电特性曲线一致性不是很好，故互换性较差。 热敏型：常用的有热敏电阻、热电堆(由热电偶串联组成)等。这类敏感元件的特点是对响应波长无选择性，灵敏度高，同类元件的热电特性曲线一致性好，响应时间常数较大，通常为0.01s～1s。

辐射温度计

辐射温度计 辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。 辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平衡式、动圈式和数字式三类。 辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。

6.6.3 比色高温计 比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长λ1和λ2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。 绝对黑体，对应于波长λ1与λ2的光谱辐射亮度之比R，可用下式表示：

6.6.3 比色高温计 根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体的真实温度和其比色温度的关系： 6.6.3 比色高温计 根据比色温度的定义，应用维恩公式，可导出物体的真实温度和其比色温度的关系： 通常λ1和λ2为比色高温计出厂时统一标定的定值，由制造厂家选定。例如选0.8μm的红光和lμm的红外光。

6.6.3 比色高温计 与光谱辐射温度计相比，比色高温计的准确度通常较高、更适合在烟雾、粉尘大等较恶劣环境下工作。国产WDS—II 光电比色高温计的原理示意图如图6-18所示。

6.6.3 比色高温计

6.6.4 红外测温 红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。 6.6.4 红外测温 红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。 红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。

6.6.4 红外测温 红外测温的特点： 接触测温 反应速度快 灵敏度高 准确度较高 范围广泛

6.6.4 红外测温 红外测温原理 全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬—玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为 W——物体单位面积所发射的辐射功率，数值上等于物体的全波辐射出射度； ——物体表面的法向比辐射率； ——斯蒂芬—玻尔兹曼常数； T ——物体的绝对温度(K)。

6.6.4 红外测温 红外辐射测温仪结构原理如图6-19所示

6.6.5 红外成像测温仪 红外成像原理： 红外摄像管：将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。 6.6.5 红外成像测温仪 红外成像原理： 红外摄像管：将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。 红外变像管：把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，均安装在高度真空的密封玻璃壳内。 固态图像变换器：由许多小单元（称为像元或像素）组成的受光面，各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。

6.6.5 红外成像测温仪

6.6.5 红外成像测温仪

温度检测技术 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.1 温标与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5 热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术

6.7 新型温度传感器及其测温技术 6.7.1石英晶体温度传感器及其测温技术 6.7.2 光纤测温 6.7.2 光纤测温 6.7.3一线制数字温度传感器DS18B20及其应用

6.6.1 石英晶体温度传感器及测温技术 工作原理 利用石英晶体固有频率随温度而变化的特性来测温的仪器，称为石英温度计。 石英的固有振动频率可用下式表示：

6.6.1 石英晶体温度传感器及测温技术 石英振子的频率还与温度具有下列近似关系： f0——在温度为t0时的频率; ft——在温度为t时的频率； t0——基准参考温度; α，β，γ——一次、二次、三次幂的温度系数。

6.6.1 石英晶体温度传感器及测温技术 石英晶体传感器结构 石英温度计通常采用石英振荡器，构成一个决定频率的谐振回路，而石英振子部分，通常采用易接受温度变化的结构。石英传感器的结构通常采用如图6-22所示。

6.6.1 石英晶体温度传感器及测温技术 石英温度计主要性能 高分辨率； 高精确度； 高稳定度； 热滞后误差小； 远距离

6.6.1 石英晶体温度传感器及测温技术 温度计的标定 温度计的测温范围为—80~0℃；测温的不确定度为15mK；分辨率为2~0.2mK，标定时选用水三相点温度作为基准参比温度t0，以一等标准铂电阻温度计作标准，在恒温槽中与石英温度计作比较检定。最后用最小二乘法拟合频率温度关系式，求出α、β、γ三个温度系数。标定后的石英温度计就可投入使用。

6.7.2 光纤测温 光导纤维是一种利用光完全内反射原理而传输光的器件。一般光导纤维是用石英玻璃制成，通常有三层组成：最里面直径仅有几十微米的细芯称芯子，其折射率为n1；外面有一层外径为100～200微米的包层，其折射率为n2，通常n2 略小于n1 ；芯子和包层一起叫做心线；心线外面为保护层，其折射率为n3。

6.7.2 光纤测温 与温度测量有关的光导纤维的特征参数主要是数值孔径NA，其表达式为 6.7.2 光纤测温 与温度测量有关的光导纤维的特征参数主要是数值孔径NA，其表达式为 NA大，表示可以在较大入射角范围内输入并获得全反射光；它与心线直径无关，仅与它们材料的折射率有关。一般光学玻璃组成的光纤，其NA约为0.4左右；而石英玻璃组成的光纤，其NA约为0.25左右。

光纤温度传感器 光纤温度传感器是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传感器，它有接触式和非接触式等多种型式。 光纤传感器由光源激励、光源、光纤(含敏感元件)、光检测器、光电转换及处理系统和各种连接件等部分构成。

光纤温度传感器 功能型光纤温度传感器 功能型光纤温度传感器是由光纤本身感受被测目标物体的温度变化，并引起传输光的相应变化，然后据此确定被测目标物体的温度高低与发生变化的位置。 分类： 黑体辐射型 喇曼效应型

光纤温度传感器 黑体辐射型 工作原理是基于光纤芯线受热产生黑体辐射现象来测量被测物体内热点的温度。 光纤温度传感器的热辐射能量取决于光纤温度、发射率与光谱范围。 热物体在λ1~λ2波长范围内，传到光纤端部的辐射通量密度为：

光纤温度传感器 喇曼效应型 喇曼(Raman)效应是一种利用光纤材料内分子相互作用调制光线的非线性散射效应。 这种散射光的波长会在两个方向上变化，即长波方向(称Stockes线)和短波方向(称为反Stockes线)。 Stockes辐射强度与反Stockes辐射强度之比为热力学温度的函数，可用来测定热点的温度；再测量光波传输的时间，就能确定其位置。

光纤温度传感器 非功能型光纤温度传感器 液晶光纤温度传感器 荧光光纤温度传感器 半导体光纤温度传感器 光纤辐射型温度传感装置

光纤温度传感器 液晶光纤温度传感器 荧光光纤温度传感器 半导体光纤温度传感器 光纤辐射型温度传感装置 晶光纤温度传感器利用液晶的“热色”效应而工液作。例如在光纤端面上安装液晶片，在液晶片中按比例混入三种液晶，温度在10℃~45℃范围变化，液晶颜色由绿变成深红，光的反射率也随之变化，测量光强变化可知相应温度，其精度约为0.1℃。不同型式的液晶光纤温度传感器的测温范围可在-50℃~250℃之间。 液晶光纤温度传感器 利用荧光材料的荧光强度随温度而变化，或荧光强度的衰变速度随温度而变化的特性，前者称荧光强度型，后者称荧光余辉型。其结构是在光纤头部粘接荧光材料，用紫外光进行激励，荧光材料将会发出荧光，检测荧光强度就可以检测温度。荧光强度型传感器的测温范围为-50℃~200℃；荧光余辉型温度传感器的测温范围为-50℃~250℃。 荧光光纤温度传感器 半导体光纤温度传感器是利用半导体的光吸收响应随温度高低而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。温度变化时，半导体的透光率亦随之变化。当温度升高时，其透过光强将减弱，测出光强变化就可知对应的温度变化。这类温度计的测温范围为-30℃—300℃。 半导体光纤温度传感器 光纤辐射型温度传感装置的工作原理和普通的辐射测温仪表类似，它可以接近或接触目标进行测温。目前，因受光纤传输能力的限制，其工作波长一般为短波，采用亮度法或比色法测量。 光纤辐射型温度传感装置

光纤温度传感器 光纤测温技术及其应用 对采用普通测温仪表可能造成较大测量误差，甚至无法正常工作的强电磁场范围内的目标物体进行温度测量。 高压电器的温度测量。 易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。 高温介质的温度测量。

6.7.2 光纤测温 功能型光纤温度测量系统框图

6.7.2 光纤测温 非功能型光纤辐射温度计

6.7.2 光纤测温 FR1系列双色光纤式测温仪

6.7.3 一线制数字温度传感器DS18B20及其应用 DS18B20的封装与外部引脚

6.7.3 一线制数字温度传感器DS18B20及其应用 DS18B20的主要功能和特点 采用独特的“一线制”通信方式，信号符合TTL电平逻辑; 温度测量范围为-55 oC ～125 oC; 可编程的温度转换分辨率，可根据应用需要在9 Bit～ 12 Bit之间选取； 在12 bit温度转换分辨率下，温度转换时间最大为750 ms; DS18B20采用节能设计，在等待状态下功耗近似为零。

6.7.3 一线制数字温度传感器DS18B20及其应用 DS18B20的应用