第20章溫度測量120.溫度測量20.1溫度的概念和測量方法1）溫度與溫標溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是物體內部分子無規則劇烈運動程度的標志。為了定量地描述溫度，引入一個概念——溫標。溫標就是溫度的數值表示的標尺，是溫度的單位制。歷史上提出過很多種溫標，如早期的經驗溫標：攝氏溫標和華氏溫標，攝氏溫度t（℃）和華氏溫度

（℉）之間的關系為:t=5(

-32)/9

熱力學溫標確定的數值為熱力學溫度，其符號為T，單位為開爾文（K），1K等于水三相點熱力學溫度的1/273.16。按照國際溫標ITS-90，攝氏溫度t（℃）和國際開爾文溫度T(K)之間的關系為:t=T-237.15。220.1溫度的概念和測量方法2）溫度量的特殊性①二個溫度不能相加或相減；②無標準量直接進行比較測量；③只能通過物體隨溫度變化的某些特性間接測量.3）溫度測量的主要方法按感溫元件是否與被測介質接觸分為接觸式與非接觸式.接觸式測溫：使溫度敏感元件與被測溫度對象接觸，兩者之間進行充分的熱交換，當熱交換平衡時，溫度敏感元件與被測對象的溫度相等，測溫傳感器的輸出值即被測溫度值。常用的接觸式測溫傳感器主要有熱膨脹式溫度傳感器、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和溫敏晶體管等。優點：結構簡單、工作可靠、測量精度高、穩定、價格低；20.溫度測量320.1溫度的概念和測量方法3）溫度測量的主要方法接觸式測溫的缺點：有較大滯后（需進行充分的熱交換），不便于運動物體的測溫，被測對象的溫度場易受傳感器接觸的影響，測溫范圍受感溫元件材料性質的限制等。非接觸式測溫:

利用被測溫度對象的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的原理，通過測量與被測溫度對象有一定距離處被測物體發出的熱輻射強度來測得被測對象的溫度。常見非接觸式測溫傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器等。優點：無測量滯后和溫度范圍的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面溫度，不影響被測溫度；缺點：受被測溫度對象熱輻射率的影響，測量精度低，使用中測量距離和中間介質對測量結果有影響。20.溫度測量420.2接觸式溫度測量常見的接觸式測溫傳感器有兩類。轉化為非電量的主要是熱膨脹式溫度傳感器；轉化為電量的是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和集成溫度傳感器等。1）熱膨脹式溫度傳感器傳感器基于液體、固體、氣體受熱產生熱膨脹的原理制成，有液體、固體和氣體膨脹式三類。液體膨脹式傳感器：酒精溫度計、水銀溫度計。在有刻度而透明的細玻璃管內充入液體(酒精、水銀)，液體受熱在玻管內伸縮變化，通過讀取液面對應的刻度值獲得溫度值。固體膨脹式傳感器：由兩片具有不同線膨脹系數的熱敏金屬緊固結合而成。為提高靈敏度，雙金屬片常作成螺旋型。如下頁左圖所示，螺旋型雙金屬片一端固定，一端跟指針軸相連。溫度變化時，螺旋型金屬片跟指針連接的自由端繞中心軸旋轉，同時帶動指針在刻度盤上指示相應溫度值。20.溫度測量520.2接觸式溫度測量1）熱膨脹式溫度傳感器氣體膨脹式傳感器：基于封閉在密封容器中的氣體壓力隨溫度變化而變化的原理。利用此原理制作的溫度傳感器又稱壓力式溫度傳感器。如右下圖所示，當溫度變化時，溫包內的氣體壓力也會隨著改變，氣壓通過毛細管的傳遞，帶動彈簧管運動，進而改變指針在刻度盤上所指位置，從而測得溫包所處的溫度，即被測溫度。20.溫度測量

固體膨脹式溫度傳感器結構示意圖

氣體膨脹式溫度傳感器結構示意圖620.2接觸式溫度測量2）集成溫度傳感器

由于晶體管PN結的正向電壓降都是以大約-2mV/℃的斜率隨溫度變化而變化，且較穩定，同時晶體管的基射極電壓與溫度基本成線性關系，利用這些特性可進行溫度測量。(1)集成溫度傳感器的工作原理如圖所示，把測溫晶體管和激勵電路、放大電路等集成在一個硅片上，構成了集成溫度傳感器。優點(與其他溫度傳感器比較):線性度高(非線性誤差約0.5%)、精度高、體積小、響應快、價格低等；缺點：測溫范圍窄，一般-50~150℃。20.溫度測量

Q1

Q2

I1

I2

U+

UD

集成溫度傳感器工作原理圖

R

720.2接觸式溫度測量1)

集成溫度傳感器的工作原理工作原理：上圖中，Q1和Q2是互相匹配的晶體管，I1和I2分別是Q1和Q2管的集電極電流，由恒流源供電。則Q1和Q2管的兩個發射極和基極電壓之差為:式中：k—波爾茲曼常數；q—電子電荷量；

—Q1和Q2管發射極的面積之比:T—絕對溫度(K)。對于確定的傳感器，k、

q、

均為常數，由上式可知，只要能保證I1/I2的值為常數，則

U與被測溫度T成線性關系。

在此基礎上可設計出不同的電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器。20.溫度測量82)集成溫度傳感器集成溫度傳感器的輸出有電壓輸出和電流輸出兩大類，其中電流輸出型的應用較廣泛。(1)電壓輸出型溫度傳感器工作原理：如圖所示，Q1和Q2是性能相同的兩只晶體管，其集電極電流分別為Ic1和Ic2，此時兩者的發射極電壓差

U為可見，輸出電壓跟被測溫度T成線性關系。一般情況下的

Ube值較小，放大后可輸出隨溫度變化的電壓，變化量可達10mV/℃。20.2接觸式溫度測量20.溫度測量

Q1

Q2

I1

I2

U+

beUD

電壓輸出型集成溫度傳感器原理圖

R2

R1

920.2接觸式溫度測量2）集成溫度傳感器(2)電流輸出型集成溫度傳感器如圖所示，Q1和Q2是結構對稱的兩晶體管，其發射極電壓Ube1=Ube2，作為恒流源負載，Q3和Q4是測溫用的晶體管，其集電極電流Ic3=Ic4，兩發射極的面積之比為

。由前述工作原理可知，流過電阻R上的電流IR為：式中只要R和

一定，傳感器電路的輸出電流與溫度成線性關系。通常流過傳感器的輸出電流應限制在1mA左右，可通過調整R的大小來實現。20.溫度測量

R

Q3

Q4

I1

I2

+

Q1

Q2

-

IR

電流輸出型集成溫度傳感器原理圖102）電流輸出型集成溫度傳感器(2)電流輸出型集成溫度傳感器典型的電流輸出型溫度傳感器是ADI公司的AD590系列及國產的SG590系列。它們的基本電路與前圖一樣，只是為提高工作性能增加了一些啟動電路和附加電路。3）AD590集成溫度傳感器的應用舉例

AD590是目前廣泛應用的一種集成產品，其內部含有放大電路，如配以相應的外電路，可構成各種應用電路。①基本測溫電路右圖為一個AD590測溫的基本電路，它將電流信號轉化為電壓信號輸出，獲得與溫度成正比的電壓輸出，其靈敏度為1mV/K。20.2接觸式溫度測量20.溫度測量

AD590基本測溫電路

AD590

-

+

+5V

+

-

-

Uout

W100

W950

113）AD590集成溫度傳感器的應用舉例②幾點最低溫度及平均溫度測量將幾塊AD590串聯使用，可測量幾個被測點的最低溫度；當將幾塊AD590并聯使用時，可用來測幾個點的平均溫度。分別如圖a、b所示。20.2接觸式溫度測量20.溫度測量

AD590

-

+

+15V

-

Uout

Wk10

AD590

-

+

AD590

+

-

+

(0.1%)

Uout

AD590

+

+

+

+

-

-

-

-

+5V

W3.333

(0.1%)

（a）（b）1220.2接觸式溫度測量3）AD590集成溫度傳感器的應用舉例③熱電偶冷端補償電路補償電路如圖所示，圖中AD580為一三端穩壓器，輸出2.5V電壓，電路工作前時，在室溫下調節RT使儀表指示溫度與實際溫度一致。

圖示電路在15~35℃的溫度范圍內，補償精度可達±0.5℃。對不同分度號的熱電偶，RT值需重新確定。2025/4/181320.溫度測量20.3非接觸式溫度測量20.3.1非接觸式測溫概述測量原理：物體受熱后都將有部分熱量轉變成輻射能(熱輻射)，溫度越高，輻射到周圍的能量越多，兩者之間滿足一定的函數關系。測得物體輻射到周圍的能量可知物體溫度。任何物體溫度高于絕對零度時都有紅外輻射，輻射能以波動形式表現出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。溫度測量中主要是可見光和紅外輻射，物體接收此類能量后，多轉變為熱能，使物體的溫度升高。

非接觸式測溫利用物體熱輻射，故稱輻射式溫度測量。輻射式測溫的具體方法主要基于下述基本定律：①基爾霍夫定律；②斯忒潘—玻耳茲曼定律；③普朗克定律④維恩位移定律名詞：黑體-能全部吸收輻射到其上能量的物體；非黑體-只能吸收部分能量的物體；實際物體均為非黑體。20.溫度測量1420.3非接觸式溫度測量20.3.1非接觸式測溫概述輻射測溫的特點：①非接觸測量，不影響被測溫度分布；②響應速度快，適于對高速運動物體測溫。③靈敏度高，能分辨微小的溫度變化；④測量范圍廣(-10～1300

C)；⑤抗干擾能力強。非接觸式溫度測量系統構成：①光學系統，用于瞄準被測物體，把被測物體的輻射集中到檢測元件上。②檢測元件，用于把會聚的輻射能轉換為電量信號。非接觸式溫度傳感器按傳感器的輸入量可分為輻射式溫度傳感器、亮度式溫度傳感器和比色溫度傳感器。20.溫度測量1520.3非接觸式溫度測量20.3.1輻射式溫度傳感器1）輻射式溫度傳感器工作原理物體所輻射的能量大小，直接與該物體的溫度有關，斯忒潘-玻耳茲曼定律給出了物體的總輻射能與其溫度的關系，即：

E=

(T4-T04)式中，E為物體在溫度T時單位面積和單位時間的紅外輻射總量；

=5.67x10-8W/m2K4為斯蒂芬—波爾茲曼常數；

為物體的輻射率，即物體表面輻射能力與同溫度的黑體的輻射能力之比，黑體的

=1，非黑體的

<1；T為物體溫度(K)；T0為物體周圍的環境溫度(K)。采用敏感元件測出物體所發射的E，可得物體溫度。20.溫度測量1620.3非接觸式溫度測量20.3.1輻射式溫度傳感器1）輻射式溫度傳感器工作原理

利用上述原理制成的溫度測量儀稱為紅外溫度傳感器。這種測量不需與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。紅外溫度儀表的測溫范圍很寬-50～20000C。在不同的溫度范圍內，對象發出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0～1000C）范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。注：儀表根據絕對黑體輻射功率與溫度的關系分度;實際使用中被測物并非黑體，這樣測出的溫度低于被測物的實際溫度。儀表測量的溫度稱為“輻射溫度”。式中，T和TF分別為物體的真實溫度和輻射溫度；

T為溫度T時物體全輻射的發射率。因為非黑體εT<1，則TF<T。20.溫度測量1720.3非接觸式溫度測量20.3.1輻射式溫度傳感器1）輻射式溫度傳感器構成紅外溫度傳感器測溫的原理結構框圖如下圖所示。主光學系統有兩個作用：①把被測處的紅外線集中到檢測元件上；②把進入儀表的紅外線發射面限制在固定范圍內。檢測元件把紅外線能量轉換為電信號。信號處理單元把檢測元件輸出的信號。顯示單元把處理過的信號變成可閱讀的數字或畫面。瞄準系統用于瞄準（或指示）被測部位。有些紅外溫度傳感器不需要瞄準。紅外溫度傳感器測溫原理圖20.溫度測量1820.3非接觸式溫度測量20.3.1輻射式溫度傳感器分類：輻射式溫度傳感器分為全輻射和部分輻射溫度傳感器2）全輻射溫度傳感器全輻射溫度傳感器利用物體在全光譜范圍內總輻射能與溫度的關系測溫。因為對全輻射波長進行測量，要求光學系統有較寬的光譜特性，熱敏元件采用無光譜選擇性的元件。系統的基本結構如圖所示，透鏡2把被測物體1的輻射聚焦在熱敏元件4上，熱敏元件4受熱而輸出跟被測物溫度大小相應的電信號。為使熱敏元件4只受到正面來的熱輻射而不受其他方向熱輻射的影響，采用熱屏蔽器3對其保護。20.溫度測量1920.3非接觸式溫度測量20.3.1輻射式溫度傳感器3）部分熱輻射溫度傳感器為提高傳感器的靈敏度，也可根據特殊測量的要求，對輻射式溫度傳感器采用有光譜選擇性的檢測元件。由于這些溫度檢測元件只能對部分光譜能量進行測量，而不能工作在全光譜范圍內，所以稱這類溫度傳感器為部分熱輻射式溫度傳感器。常見的部分熱輻射溫度傳感器的檢測元件主要有光電池、光敏電阻、紅外探測元件等。20.溫度測量2020.3非接觸式溫度測量20.3.2亮度式溫度傳感器這種傳感器分燈絲隱滅式(手工)和恒定亮度式(光電式)，其結構與部分輻射溫度計相同，只是濾色片的帶寬更寬。性能優點：結構簡，使用方便，測溫范圍廣(700~3200℃)，一般可滿足工業測溫的準確度要求。原理：光亮式溫度傳感器利用物體的單色輻射亮度L

T隨溫度變化的相應關系，以被測物體光譜的一個狹窄區域內的亮度與標準輻射體的亮度進行比較來測溫。由于實際物體的單色輻射發射系數

小于1，因而實際物體的單色亮度L

T小于黑體的單色亮度。20.溫度測量2120.3非接觸式溫度測量20.3.2亮度式溫度傳感器由于在溫度T(K)時，黑體的單色輻射亮度為：

L

T*=c1

-5

-1exp(-c2/(T))式中,

c1=2

c2h=4.9926J·m，是第一輻射常數；

c2=ch/k=4.9926m·K，是第二輻射常數；c是光速；h是普朗克常數；k是波爾茲蔓常數；

是波長。實際物體的單色輻射亮度:

L

T=

TL*

T=c1

-5

-1exp(-c2/(T))

可知，物體的單色輻射亮度與被測的物體溫度有一一對應關系，若已知被測物體的

T，測得其L

T就可得其溫度。20.溫度測量2220.3非接觸式溫度測量20.3.3比色溫度傳感器光電比色溫度傳感器是以兩個波長的輻射能量(亮度)之比隨溫度變化的原理進行溫度測量，也稱顏色溫度計。此方法測量非黑體溫度時得到“顏色溫度”：當絕對黑體輻射的兩個波長

1和

2的輻射亮度比等于非黑體的相應的亮度之比時，絕對黑體的溫度就稱為該非黑體的顏色溫度TC。依據：根據維