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1、传感器与检测技术传感器与检测技术第七讲第七讲 几种温度传感器几种温度传感器 辐射式温度传感器辐射式温度传感器 石英晶体测温传感器石英晶体测温传感器 光纤传感器光纤传感器传感器与检测技术传感器与检测技术2辐射式温度传感器辐射式温度传感器 单色辐射高温计单色辐射高温计 比色高温计比色高温计 辐射测温基本原理辐射测温基本原理 全辐射高温计全辐射高温计 传感器与检测技术传感器与检测技术3辐射式温度传感器辐射式温度传感器 radiation temperature transducer/sensor德国物理学家，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献
2、，并在1918年获得诺贝尔物理学奖。量子力学的发展被认为是20世纪最重要的科学发展，其重要性可以同爱因斯坦的相对论相媲美。马克斯马克斯普朗克普朗克(18581947)Max Karl Ernst Ludwig Planck传感器与检测技术传感器与检测技术4概述概述 l 辐射辐射(非接触非接触)式测温方法：式测温方法：利利用用物物体体辐辐射射能能随随温温度度变变化化的的性性质质，通通过过测测量量物物体体的的辐辐射射能能或或与与辐辐射射能能有有关关的的信信号号来来实实现现温温度测量。度测量。用用这这种种方方法法测测温温时时，感感受受件件不不需需与与被被测测介介质质相接触。相接触。传感器与检测技术传
3、感器与检测技术5l 优点：优点：1）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破坏被测介质的温度场；坏被测介质的温度场；2）从理论上讲仪表的测温上限不受限制，可达）从理论上讲仪表的测温上限不受限制，可达2000 以上以上；3）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，反应快；反应快；4）输出信号大、灵敏度和准确度高。）输出信号大、灵敏度和准确度高。传感器与检测技术传感器与检测技术6l 通常用来测量高于通常用来测量高于700的温度。的温度。l 辐射式测温仪表分类：辐射式测温仪表分类：普朗克定律普朗克定律 光学、光电、比色高温计
4、光学、光电、比色高温计 和红外测温仪和红外测温仪 全辐射定律全辐射定律 全辐射高温计全辐射高温计传感器与检测技术传感器与检测技术7红外热图红外热图 张张XX 男男 53岁岁主诉：左侧胸部偶尔疼痛，闷胀不适主诉：左侧胸部偶尔疼痛，闷胀不适1年余。既往体年余。既往体健，胸部健，胸部X片、心电图均未提示明显异常。片、心电图均未提示明显异常。查体：胸背部无明显压痛。查体：胸背部无明显压痛。热图：红外线检查提示左侧心前区低温改变热图：红外线检查提示左侧心前区低温改变诊断：考虑心肌供血下降。诊断：考虑心肌供血下降。治疗：予以星状神经节阻滞治疗，自诉症状明显好治疗：予以星状神经节阻滞治疗，自诉症状明显好转。
5、转。复查热图：红外热图提示双侧胸部温度对称改变复查热图：红外热图提示双侧胸部温度对称改变传感器与检测技术传感器与检测技术8l 辐射测温过程：辐射测温过程：热辐射源热辐射源（被测介质）（被测介质）传输通道传输通道（空气、真空、光纤）（空气、真空、光纤）热辐射接收和处理装置热辐射接收和处理装置传感器与检测技术传感器与检测技术9一、辐射测温基本原理一、辐射测温基本原理l 辐射热辐射热 thermal radiation：任何物体的温度高于绝对零度（任何物体的温度高于绝对零度（0 K）时就有能量）时就有能量释出，其中释出，其中以热能方式向外发射以热能方式向外发射的那一部分电磁的那一部分电磁波称为热辐射
6、。波称为热辐射。l 黑体黑体 能对落在它上面的辐射能量全部要吸收的物体。能对落在它上面的辐射能量全部要吸收的物体。传感器与检测技术传感器与检测技术10l 全辐射体全辐射体热辐射与温度的关系热辐射与温度的关系 （1）普朗克定律）普朗克定律(1900年)：全辐射体（黑体）全辐射体（黑体）的的光谱辐射出射强度光谱辐射出射强度E0(,T)与其与其波长波长和和温度温度T 的关系：的关系：一种在任何温度下对投射到其上的任何一种在任何温度下对投射到其上的任何波长的热辐射均能全部吸收的物体波长的热辐射均能全部吸收的物体 单位表面积、单位时间单位表面积、单位时间内所辐射的能量内所辐射的能量 (2.5.1)传感器
7、与检测技术传感器与检测技术11普朗克函数曲线图：普朗克函数曲线图：传感器与检测技术传感器与检测技术12 当当 T 3000K 时，可用维恩公式代替，误差时，可用维恩公式代替，误差在在1%以内。以内。维恩公式：维恩公式：单色辐射（光学、光电）高温计单色辐射（光学、光电）高温计 的理论依据的理论依据传感器与检测技术传感器与检测技术13全辐射体辐射定律（斯忒藩全辐射体辐射定律（斯忒藩-波尔兹曼定律）波尔兹曼定律）全色辐射高温计的理论依据全色辐射高温计的理论依据 波长波长从从0 0之间的全部光谱辐射出射度的总和之间的全部光谱辐射出射度的总和E0传感器与检测技术传感器与检测技术14l 实际物体的热辐射特
8、性实际物体的热辐射特性 （同一（同一 T、下）下）（2）实际物体的发射率）实际物体的发射率：（同一（同一 T 下）下）（1）实际物体在波长）实际物体在波长下的光谱发射率下的光谱发射率：传感器与检测技术传感器与检测技术15n 实际物体的实际物体的随波长随波长而变化，但总小于而变化，但总小于1。多数非金属多数非金属；而多数金属而多数金属；n 若某物体的若某物体的不随波长不随波长而变化而变化灰体灰体传感器与检测技术传感器与检测技术16二、单色辐射高温计二、单色辐射高温计1 1、测温原理：、测温原理：物体在高温状态下会发光，具有一定的亮度。物体在高温状态下会发光，具有一定的亮度。物体在波长物体在波长下
9、的亮度下的亮度L和它的光谱辐射出射强和它的光谱辐射出射强度度E成正比。成正比。传感器与检测技术传感器与检测技术172、灯丝隐灭式光学高温计（亮度对比法）、灯丝隐灭式光学高温计（亮度对比法）传感器与检测技术传感器与检测技术181-物镜物镜(接受热源接受热源);2-吸收玻璃吸收玻璃;3-高温计标准灯高温计标准灯;4-目镜目镜;5-红色滤光片红色滤光片;6-测量电表测量电表;7-滑线电阻滑线电阻 传感器与检测技术传感器与检测技术19WGG2型光学高温计型光学高温计 传感器与检测技术传感器与检测技术20测量范围：测量范围：700 2000 可用于冶可用于冶金、化工和机金、化工和机械等工业生产械等工业生
10、产过程中，测量过程中，测量冶炼、烧铸、冶炼、烧铸、轧钢、玻璃熔轧钢、玻璃熔窖、锻打、热窖、锻打、热处理的温度。处理的温度。传感器与检测技术传感器与检测技术21n 全辐射体：全辐射体：n 实际物体：实际物体：不同使得仪表无法统一分度；不同使得仪表无法统一分度；故故仪表按全辐射体亮度与温度的关系式来分度仪表按全辐射体亮度与温度的关系式来分度。传感器与检测技术传感器与检测技术223 3、亮度温度、亮度温度 在波长为在波长为的单色辐射中，若的单色辐射中，若物体在温度物体在温度 T 时的时的亮度亮度 L和和全辐射体在温度全辐射体在温度 Ts 时的亮度时的亮度 L0相等，相等，则把则把 Ts 称为被测物体
11、在波长称为被测物体在波长时的亮度温度。时的亮度温度。传感器与检测技术传感器与检测技术230 1，测测到到的的亮亮度度温温度度总总是是低低于于物物体体真真实实温温度度的，即的，即 Ts T；非金属：；非金属：T Tc cT）传感器与检测技术传感器与检测技术33四、全辐射高温计四、全辐射高温计1 1、测温原理：、测温原理：依据全辐射定律，依据全辐射定律，或或因为光学系统和探测元件对光谱辐射的响应有因为光学系统和探测元件对光谱辐射的响应有选择性，不可能完全接收全波长的辐射，因此选择性，不可能完全接收全波长的辐射，因此全辐全辐射温度计射温度计也可称为也可称为宽带辐射温度计宽带辐射温度计。它是根据物体。
12、它是根据物体的全波长辐射能与温度之间的关系来测量温度的。的全波长辐射能与温度之间的关系来测量温度的。被测物体向传感器方向发射的辐射经过透镜聚被测物体向传感器方向发射的辐射经过透镜聚焦到探测元件上，所产生的相应信号可由测量仪表焦到探测元件上，所产生的相应信号可由测量仪表显示或记录。显示或记录。传感器与检测技术传感器与检测技术342、全辐射高温计的结构、全辐射高温计的结构 传感器与检测技术传感器与检测技术35传感器与检测技术传感器与检测技术36传感器与检测技术传感器与检测技术37 若物体在温度为 T 时的总辐射出射度与全辐射体在温度为 Tp 时的总辐射出射度相等，则把 Tp称为实际物体的辐射温度。
13、3 3、辐射温度、辐射温度传感器与检测技术传感器与检测技术38n 被测物体实际温度被测物体实际温度T和辐射温度和辐射温度Tp之间的关系之间的关系：0 1，测测到到的的辐辐射射温温度度总总是是低低于于物物体体真真实温度的，即实温度的，即 Tp T。传感器与检测技术传感器与检测技术394 4、影响测量准确度的主要因素、影响测量准确度的主要因素 ：（1 1）非全辐射体（）非全辐射体（）的影响。）的影响。（2 2）中间介质的影响。）中间介质的影响。（3 3）热电堆冷端温度的影响。）热电堆冷端温度的影响。传感器与检测技术传感器与检测技术40复习思考题复习思考题1、光学、辐射、比色高温计的测温原理（理论依
14、据）？2、什么是亮度、辐射、比色温度？与物体真实温度的关系？3、各高温计使用注意事项？传感器与检测技术传感器与检测技术光纤温度传感器光纤温度传感器传感器与检测技术传感器与检测技术42光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。传感器与检测技术传感器与检测技术43因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。光
15、纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量传感器与检测技术传感器与检测技术44一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间，可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此，采用几何光学的方法来分析。传感器与检测技术传感器与检测技术451、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells Law）当当光光由由光光密密物物质质(折折射射率率大大)入入射射至至光光疏疏物物质质时时发发生生折折射
16、射，如如图图(a)(a)，其其折折射射角角大大于于入入射射角角，即即n n1 1n n2 2时时，r ri i。n1n2ri(a)光的折射示意图 可可见见，入入射射角角i增增大大时时，折折射射角角r也也随随之之增增大大，且始终且始终ri。n1、n2、r、i之之间的数学关系为间的数学关系为 n1sini=n2sinr 传感器与检测技术传感器与检测技术46式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri(b)临界状态示意图 当当r=90时时，i仍仍90，此此时时，出出射射光光线线沿沿界界面面传播如图（传播如图（b），称为临界状态。
17、这时有），称为临界状态。这时有传感器与检测技术传感器与检测技术47当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发，这时便发生全反射现象，如图生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全，其出射光不再折射而全部反射回来。部反射回来。n1n2ri(c)光全反射示意图传感器与检测技术传感器与检测技术482、光纤结构、光纤结构传感器与检测技术传感器与检测技术49分分析析光光纤纤导导光光原原理理，除除了了应应用用斯斯乃乃尔尔定定理理外外还还须须结结合合光光纤纤结结构构来来说说明明。光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，它它由由玻玻璃璃纤纤维维芯芯(纤纤芯芯)和和玻玻璃璃包包皮皮(包包层层)两两个个同同心心
18、圆圆柱柱的的双双层结构组成。层结构组成。纤纤芯芯位位于于光光纤纤的的中中心心部部位位，光光主主要要在在这这里里传传输输。纤纤心心折折射射率率n1比比包包层层折折射射率率n2稍稍大大些些两两层层之之间间形形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。传感器与检测技术传感器与检测技术50传感器与检测技术传感器与检测技术51功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器传感器与检测技术传感器与检测技术52功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器传感器与检测技术传感器与检测技术53传感器与检测技术传感器与检测技术54传感器与检测技术传感器与检测技术552 非功能性
19、非功能性传感器与检测技术传感器与检测技术56传感器与检测技术传感器与检测技术57石英温度传感器石英温度传感器利用石英振子具有优良的频率稳定性利用石英振子具有优良的频率稳定性(10-10)特特性制成的高精度晶振，已广泛应用于通信、检测、性制成的高精度晶振，已广泛应用于通信、检测、控制仪器及微机等领域。石英振子根据需要可切割控制仪器及微机等领域。石英振子根据需要可切割成各种石英板。成各种石英板。主要切割形式有：主要切割形式有：AT、AC、RS、LC、Y等，等，其中，其中，AT切割都使用在相对温度频率误差小的切切割都使用在相对温度频率误差小的切割中。割中。传感器与检测技术传感器与检测技术58传感器与
20、检测技术传感器与检测技术59石英振子的固有振动频率，可用下式表示：石英振子的固有振动频率，可用下式表示：式中：式中：f 固有频率；固有频率；n 谐波次数；谐波次数；t 振振子厚度；子厚度；水晶的密度；水晶的密度；Cii弹性常数。弹性常数。式中的式中的t、Cii 均是温度的函数。均是温度的函数。石英石英温度传感器温度传感器是利用是利用石英石英振子的振动频率随温度变化的特性制成振子的振动频率随温度变化的特性制成的。的。传感器与检测技术传感器与检测技术60在各种切割中，相对温度频率误差大的切割有Y、LC、RS、AC等。温度和石英振子频率的关系一般用：fT T时的频率；fT0 T0时的频率；T 测量温
21、度；T0 基准温度（任意）；A、B、C方程式的温度系数。传感器与检测技术传感器与检测技术61如果方程的如果方程的2次、次、3次项的温度系数近似为次项的温度系数近似为0，就可以得到线性石英温度传感器。就可以得到线性石英温度传感器。注意：切割形式不同，温度系数也不同。注意：切割形式不同，温度系数也不同。1.石英温度传感器的特性石英温度传感器的特性传感器与检测技术传感器与检测技术62传感器与检测技术传感器与检测技术632.2.石英温度探测器石英温度探测器石石英英探探测测器器是是由由传传感感器器和和振振荡荡电电路路组组装装在在一一起制成的，适用于检测液体、固体或气体的温度。起制成的，适用于检测液体、固体或气体的温度。3.3.石英温度传感器的应用石英温度传感器的应用石英温度传感器可广泛用于空调、电子工业、石英温度传感器可广泛用于空调、电子工业、食品加工等领域。由于可用数字显示，所以，可食品加工等领域。由于可用数字显示，所以，可作为高稳定性和高分辨率的温度计使用。作为高稳定性和高分辨率的温度计使用。传感器与检测技术传感器与检测技术64传感器与检测技术传感器与检测技术65传感器与检测技术传感器与检测技术66