溫度、熱通量及位移測量及其標定方法姓名：學號：傳熱學基礎傳熱學基礎熱傳遞的基本方式熱傳導熱對流熱輻射熱傳導定義：物體各部分之間不依賴于相對位移，依靠分子、原子及自由電子等微尺度粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱為導熱，又稱熱傳導。注意：當固體或液體靜止時，也可使用傅立葉定律。例如：隔熱玻璃。公式：或對流換熱定義：由于流體(液體或氣體)分子的隨機運動與流體成團運動雙重作用形成的能量傳遞為對流換熱。公式：可以籠統的認為有液體或氣體參加的傳熱為對流傳熱。熱輻射定義：熱輻射是處于一定溫度下的物質所發射的能量。斯蒂芬-玻爾茲曼定律：引起熱輻射的原因是構成物質的原子或分子中電子的振蕩和躍遷。導熱或者對流在傳遞時都需要物質媒介，而熱輻射不需要。所有物體時刻都在向外界發射輻射能量，同時也從外界吸收輻射能量。溫度測試溫度計分類接觸式測量熱電阻溫度計2熱電偶溫度計1熱電偶的測試方法測溫原理：熱電效應（貝塞克原理）熱電勢：熱電效應產生的電動勢。接觸電勢：因兩個接觸材料的電子密度不同而產生的電勢。

表達式：溫差電勢：因同種材料兩端溫度不同而產生的電勢。表達式：回路電勢：熱電偶回路的性質1）均質導體定律將一種均質導體組成閉合回路，無論導體內是否存在溫度梯度，回路中都沒有電流(即不產生電動勢);反之，如果有電流則此材料一定是非均質的。

2）中間導體定律

3）中間溫度定律：熱電偶溫度計熱電偶的優點：

1）信號易于傳輸和變換。

2）測量范圍寬。

3）測溫上限高測量范圍：主要用于500—1500℃的溫度測量。熱電阻溫度計熱敏電阻金屬絲電阻熱電阻溫度計原理：金屬導體電阻隨溫度的增加而增加。表達式：原理：金屬氧化物的阻值與溫度成反比。表達式：500℃以下的中低溫測量熱敏電阻的優點熱敏電阻與金屬電阻相比有一下優點：（1）由于有較大的電阻溫度系數，靈敏度高。（2）體積小、熱慣性小、響應速度快，可達毫秒級。（3）電阻值高，遠距離測量時，電阻值可忽略不計。（4）在-50℃—350℃范圍內，具有較好的穩定性。非接觸式測量輻射高溫計1紅外輻射測溫儀3比色高溫計2輻射高溫計原理：斯蒂芬-玻爾茲曼定律。公式：注意：輻射計是以黑體的輻射能力與溫度的關系進行刻度的。由于黑體與灰體之間存在關系：故：比色高溫計原理：當溫度升高時，黑體的最大輻射能向波長減小的方向移動，因此不同波長所對應的亮度比也會發生變化，故根據亮度比就可得到黑體的溫度。公式：紅外輻射測溫儀

紅外測溫儀的基本工作原理與前面介紹的輻射高溫計相同，不同之處在于它有一個紅外探測器。紅外探測器把紅外輻射能的變化轉化為電量的變化。熱輻射測溫總結輻射式溫度計利用受熱物體的輻射能大小與溫度的關系確定被測物體的溫度。其中輻射高溫計可測試全波長的溫度，比色高溫計主要測試可見光，而紅外輻射測溫儀主要針對紅外線。優點：具有很高的溫度上限，輸入信號大，靈敏度高。缺點：結構復雜，測量準確度不如接觸式溫度計高。熱通量測試溫度與熱通量的關系定義：熱通量即熱流密度，是指單位時間內通過單位面積傳遞的熱量。關系：熱流密度的測量必須依賴于溫度測量，但是溫度不能完全反應熱流密度。熱流測試儀器基于能量平衡原理的熱流測量技術水卡量熱計1塞塊式量熱計3薄壁量熱計24理論基礎能量平衡原理理論基礎：1）能量守恒定律2）其中：Q-熱量、-比熱容、m-質量、T-溫度、

q-熱流密度、A-面積、t-時間水卡量熱計原理：高溫氣體傳遞給量熱計的熱量，轉化為水內能的增加，造成了水卡量熱計中水溫的上升，測溫上限通常低于100℃。假設：熱量全部傳遞給水卡中的水，而沒有其他影響，即可以忽略金屬壁的內部熱阻和內能變化的影響。公式：水卡量熱計薄壁量熱計原理：高溫氣體傳遞給熱流計的能量轉變為薄壁溫度的溫升。假設：1）忽略薄壁內熱阻。

2）除了薄壁，其他壁面絕熱。

3）薄壁內為一維導熱。公式：其中：-密度、-壁厚。塞塊式量熱計原理與薄壁式熱流計相同注意：水卡量熱計的響應時間較長，一般用于穩態熱流測量。薄壁式和塞塊式和響應時間較快，可用于瞬態測量。但測量時間不易過長?；诎霟o限大體的熱流測試技術薄膜熱流計1零點熱流計3同軸熱電偶熱流計24理論基礎理論基礎假設：1）除了x方向其他方向無限延伸。2）固體內部發生瞬態一維導熱。數學模型：初始條件：邊界條件：測試條件：①測量時間足夠短，認為溫度擾動的擴散深度小于傳感器(模型)的厚度;②模型側向的溫度梯度足夠小，認為側向傳熱可以忽略。薄膜熱流計特點：薄膜熱流傳感器利用金屬電阻隨溫度變化的特性測量溫度，具有靈敏度高(毫伏量級/攝氏度)、響應時間快(微秒量級)、制作靈活的特點公式：同軸熱電偶熱流計同軸熱電偶耐沖刷能力比薄膜熱流傳感器強，但由于熱電偶的靈敏度低，在測量低熱流時誤差較大，因此只適于熱流較大的情況。公式：零點熱流計在半無限大體背部沉孔的軸線上存在某個位置，在相同的熱流輸人情況下，該處的溫度響應曲線與無物理干擾(孔)情況下的半無限大體表面溫升曲線相同，將這個點稱為“零點”?；诎霟o限大體的熱流測試技術由于這薄膜和同軸熱電偶熱流傳感器的測溫元件都位于模型表面，直接暴露在氣流中，為了避免傳感器損壞，測量時間必須很短(毫秒級)，因此一般用于脈沖式設備的熱流測量。零點量熱計是利用“零點”原理制成的一種特殊結構的量熱計，利用結構內部某一點(“零點”)的溫度響應來反映感應面的溫度變化。由于零點量熱計不直接測量感應表面的溫度，適合于試驗時間較長、溫度高、沖刷嚴重的瞬態測量環境?；跍囟忍荻鹊臒崃鳒y試技術熱阻式熱流計1柱塞式熱流計3戈登計24理論基礎理論基礎假設：1）熱流密度q不變。2）固體內部發生瞬態一維導熱。數學模型：邊界條件：熱阻式熱流計原理：傅立葉定律公式：由于熱阻層需要時間達到熱穩定狀態，這一時間限制了熱流變化頻率，且頻率閩值隨著熱阻層的厚度增加而降低，然而減小熱阻層又將導致信噪比降低。熱阻式熱流計熱電堆的輸出電壓是多個熱電偶的輸出電壓之和。公式：戈登計原理：傅里葉定律公式：薄壁式熱流計與戈登計的異同柱塞式熱流計原理：1）能量守恒

2）傅立葉定律公式：其中：基于熱圖技術的熱流測試技術常用儀器2理論基礎1理論基礎假設：1）除了x方向其他方向無限延伸。2）固體內部發生瞬態一維導熱。數學模型：初始條件：邊界條件：常用儀器紅外熱圖流量計：根據不同溫度下熱輻射在紅外熱圖中引起的顏色和亮度的不同來進行熱流測量的流量計。涂層熱圖流量計：把某些溫敏材料涂抹在試件表面，隨著溫度的變化溫敏材料的顏色或溫度也隨之發生變化，以此可以得到試件表面的熱流變化。常用儀器溫度、熱流傳感器的標定熱流傳感器標定目的:1）通過標定，確定各種熱流傳感器的響應特性、轉換系數等，為提高測量的準確性與可靠性提供技術基礎。

2）通過標定，實現熱流測量向已有測量標準

(如輻射測量標準、溫度測量標準等)的溯源，為熱流測量的標準化提供基礎。分類：

1）直接標定2）比較標定。直接標定法

直接標定法是在嚴格控制的加熱環境中，利用光學理論計算或通過熱電校準方法獲得傳感器感應表面的溫度或熱流，從而完成對熱流傳感器的標定。目前廣泛應用的直接標定法是黑體輻射法比較法標定定義：比較標定法是在直接標定法的基礎上，通過將已標定的標準傳感器、待標定傳感器分別置于同一熱環境中，將兩者的測量結果進行對比，從而完成標定。兩個關鍵環節：

1）要通過直接標定法標定出準確可靠的標準熱流傳感器。

2）要使標準熱流傳感器和待標定傳感器處于完全相同的加熱環境中，這需要加熱環境具有很好的穩定性。比較法標定逐級標定：注意：量程重疊范圍要盡量大，外推范圍盡量小比較法標定中低溫：高溫：位移傳感器及其標定動態位移測量電氣式位移測量法電感式位移測量系統：當銜鐵移動時，空氣間隙x發生變化，進而引起磁路中氣隙磁阻變化，從而引起線圈電感的變化。公式：測量范圍：0.001—1mm差動變隙式傳感器差動變隙式傳感器電感式位移傳感器標定差動變隙傳感器抗干擾能力強，精度高，這也使其標定難度較大電渦流式位移測量系統原理：當線圈通以交流電I1時，其產生的交變磁場H1會在被測導體2中產生電渦流I2，而I2又產生一交變磁場H2來阻礙H1的變化，從而使線圈的等效電感L發生變化。當被測導體的電阻率、磁導率都確定，只有x發生變化時，通過分析提取等效電感與測量位移間的關系，就可以建立電渦流位移傳感器。優點：非接觸測量、靈敏度高、頻響特性好、不受油污影響。電渦流式位移測量系統公式：將等效電路阻抗的變化轉化為電壓的變化。電渦流傳感器標定光電式位移測量法敏感原件：光電位置敏感器件（PSD）原理：當光束入射到PSD器件光敏層上距中心點的距離為Xa時，在入射位置上產生與入射輻射成正比的信號電荷，此電荷形成的光電流通過電阻p型層分別由電極1與2輸