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1、2023/2/151参数检测技术参数检测技术(机械量检测技术机械量检测技术(温度测量技术温度测量技术(振动测试技术振动测试技术第1页/共62页2023/2/152机械量检测技术机械量检测技术Mechanicalquantitymeasurement第2页/共62页2023/2/153机械量检测技术机械量检测技术(位移检测(速度、加速度检测(力、重量和质量的检测(转矩测量 第3页/共62页2023/2/154&位移检测位移检测位移检测位移检测包括：直线位移检测和角位移检测两种。包括：直线位移检测和角位移检测两种。&常用的常用的检测方法检测方法检测方法检测方法：积分法、相关测距法、回波法、：积分法
2、、相关测距法、回波法、线位移和角位移相互转换法、位移传感器法。线位移和角位移相互转换法、位移传感器法。&位移位移检测方式分类检测方式分类检测方式分类检测方式分类（传感器输出信号）：（传感器输出信号）：模拟式位移传感器模拟式位移传感器模拟式位移传感器模拟式位移传感器：电容式位移检测、电感式位移检测：电容式位移检测、电感式位移检测 、差动变压器式位移检测、差动变压器式位移检测、光纤位移检测。光纤位移检测。数字式位移传感器数字式位移传感器数字式位移传感器数字式位移传感器：利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或：利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括二
3、进制符号的方法。包括光电码盘、感应同步器和光栅标尺、容栅标尺和磁栅标光电码盘、感应同步器和光栅标尺、容栅标尺和磁栅标尺尺等多种方式。等多种方式。位移检测位移检测第4页/共62页2023/2/1551.1.模拟式位移检测模拟式位移检测模拟式位移检测模拟式位移检测模拟式位移检测是指将位移量转换为模拟量的检测方法。常用的有滑线电阻模拟式位移检测是指将位移量转换为模拟量的检测方法。常用的有滑线电阻式位移检测、电容式位移检测、电感式位移检测、差动变压器式位移检测和式位移检测、电容式位移检测、电感式位移检测、差动变压器式位移检测和光纤位移检测等几种。光纤位移检测等几种。(1)(1)电感式位移计电感式位移计
4、位移检测位移检测(2)(2)差动变压器位移计差动变压器位移计第5页/共62页2023/2/1562.2.数字式位移检测数字式位移检测数字式位移检测数字式位移检测利用利用栅格编码器栅格编码器栅格编码器栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括包括光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺等多种方式。等多种方式。光电脉冲式位移传感器光电脉冲式位移传感器位移检测位移检测第6页/共62页2023/2/157u光栅标尺光栅标尺光栅标尺光栅标尺 在基体上
5、刻制有等间距在基体上刻制有等间距均匀分布黑白条纹的光学均匀分布黑白条纹的光学元件，指示光栅短于主光元件，指示光栅短于主光栅。光源发出的光经光栅栅。光源发出的光经光栅缝隙透过，由光电元件缝隙透过，由光电元件（光电池、光敏三极管）（光电池、光敏三极管）检测透射光强，可通过计检测透射光强，可通过计数测位移，可由相位判断数测位移，可由相位判断移动方向。移动方向。位移检测位移检测两排光栅相位相差两排光栅相位相差1/41/4周期，通过周期，通过S S1 1、S2S2输出信号的相位关系，可以输出信号的相位关系，可以判断判断G1G1的移动方向。的移动方向。第7页/共62页2023/2/158光电脉冲式光电脉冲
6、式位移传感器位移传感器位移传感器位移传感器位移检测位移检测实际上是一个位移实际上是一个位移数字编码器，工作时可将机械数字编码器，工作时可将机械位移转换成数量的电脉冲信号输出。位移转换成数量的电脉冲信号输出。1圆盘圆盘2被测轴被测轴3光源光源4光敏二极管光敏二极管5平板平板第8页/共62页2023/2/159光电脉冲式光电脉冲式位移传感器位移传感器位移传感器位移传感器位移检测位移检测光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装置如图所示。置如图所示。若判断位移的方向，那若判断位移的方向，那若判断位移的方向，那若判断位移的方向，那么该如何改变？么该如
7、何改变？么该如何改变？么该如何改变？第9页/共62页2023/2/1510&速度检测分为线速度检测和角速度检测。速度检测分为线速度检测和角速度检测。&常用的检测方法：微积分法、线速度和角速度常用的检测方法：微积分法、线速度和角速度相互转换测速法、速度传感器法、时间、位移相互转换测速法、速度传感器法、时间、位移计算测速法。计算测速法。&加速度检测是基于检测质量块敏感加速度产生加速度检测是基于检测质量块敏感加速度产生惯性力的测量。惯性力的测量。速度、加速度检测速度、加速度检测第10页/共62页2023/2/1511&加速度传感器主要采用加速度传感器，并配用加速度传感器主要采用加速度传感器，并配用适
8、当的检测电路。适当的检测电路。1.1.磁电感应式速度测量（机磁电感应式速度测量（机-电能转换型）电能转换型）速度、加速度检测速度、加速度检测2.2.电磁脉冲式转速计（数字式仪表）电磁脉冲式转速计（数字式仪表）3.微机电系统加速度计微机电系统加速度计第11页/共62页2023/2/1512&按力产生的原因不同，力分为重力、弹性力、惯按力产生的原因不同，力分为重力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁力等。性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁力等。&按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力。按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力。静态力是指不变的力或变化很缓慢的力；动态力静态力是指不变的力或变
9、化很缓慢的力；动态力是指随时间变化显著的力，如冲击力、交变力等。是指随时间变化显著的力，如冲击力、交变力等。1.1.力的测量方法力的测量方法利用力的动力效应（利用力的动力效应（将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度）和力的静力效应（和力的静力效应（使物体产生应力，发生变形使物体产生应力，发生变形），力的测量方法可归纳为力），力的测量方法可归纳为力平衡法、测位移法和利用物理效应测力等。平衡法、测位移法和利用物理效应测力等。力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测第12页/共62页2023/2/15131.1.力的测量方法力的测量方法(1)(1
10、)力平衡法力平衡法力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测托盘托盘被测物被测物刻度板刻度板弹簧弹簧k阻尼阻尼cyx图图5.12 重力平衡式测力法重力平衡式测力法机械式力平衡装置机械式力平衡装置磁电式力平衡装置磁电式力平衡装置(b)机械杠杆机械杠杆(a)天平天平0 00 0未知力未知力GGFi
11、FgFiab图图5.14 电磁式力平衡测力系统电磁式力平衡测力系统NS磁铁磁铁标准质量标准质量m线圈线圈光电管光电管放大器放大器RU0Fi液压和气压式测力系统液压和气压式测力系统第13页/共62页2023/2/15141.1.力的测量方法力的测量方法(2)(2)测位移法测位移法在力作用下，弹性元件会产生变形。测位移法就是通在力作用下，弹性元件会产生变形。测位移法就是通过测量未知力所引起的位移（线位移或角位移），从过测量未知力所引起的位移（线位移或角位移），从而间接地测得未知力值。而间接地测得未知力值。力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测支架支架极板极
12、板弹性体弹性体绝缘材料绝缘材料Fi图图5.16 电容式测力装置电容式测力装置弹簧弹簧线圈线圈Fi（a）（b）铁心铁心Fi变形部变形部线圈线圈下部下部上部上部图图5.17 差动变压器式测力装置差动变压器式测力装置第14页/共62页2023/2/15151.1.力的测量方法力的测量方法(3)利用某些物理效应测力利用某些物理效应测力 物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应、物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应、压磁效应、压电效应等可以利用这些效应间接检测力压磁效应、压电效应等可以利用这些效应间接检测力值。值。力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测力、重量和质量的检测力、重量和质量的检
13、测2.电子皮带秤电子皮带秤电子皮带秤是一种能连续称量散装颗粒物料重量的装置，它电子皮带秤是一种能连续称量散装颗粒物料重量的装置，它不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重，不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重，而且还可以在某段时间内对输送的物料总重进行称重。而且还可以在某段时间内对输送的物料总重进行称重。第15页/共62页2023/2/1516&转矩可分为静态转矩和动态转矩。转矩可分为静态转矩和动态转矩。静态转矩是指不随时间变化或变化很小、很缓慢的静态转矩是指不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转
14、矩和微脉动转矩。动转矩。动态转矩是指随时间变化很大的转矩，包括振动转动态转矩是指随时间变化很大的转矩，包括振动转矩、过度转矩和随机转矩三种。矩、过度转矩和随机转矩三种。&根据转矩的不同情况，可以采取不同的转矩测根据转矩的不同情况，可以采取不同的转矩测量方法。量方法。转矩的测量转矩的测量转矩的测量转矩的测量第16页/共62页2023/2/15171.转矩的测量方法转矩的测量方法转转矩矩的的测测量量方方法法可可以以分分为为平平衡衡力力法法、能能量量转转换换法法和和传传递递法法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。(1)平衡力法及平
15、衡力类转矩测量装置平衡力法及平衡力类转矩测量装置 转矩的测量转矩的测量转矩的测量转矩的测量通过测量机体上的平衡力矩通过测量机体上的平衡力矩(实际上是测量力和力臂实际上是测量力和力臂)来确定动力来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。但它适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转传递问题。但它适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。矩。(2)能量转换法能量转换法依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数依据能量守
16、恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法就是对功率和转速进行测量的方法。从方法上讲，能量转换法就是对功率和转速进行测量的方法。第17页/共62页2023/2/15181.转矩的测量方法转矩的测量方法(3)传递法传递法转矩的测量转矩的测量转矩的测量转矩的测量传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。常用弹性元件为扭轴，故传递法又应关系来测量转矩的一类方法。常用
17、弹性元件为扭轴，故传递法又称为扭轴法。称为扭轴法。2.传递法转矩测量传递法转矩测量(1)应变式转矩测量应变式转矩测量(2)压磁式转矩传感器压磁式转矩传感器(3)扭转角式转矩测量扭转角式转矩测量光电式转矩传感器光电式转矩传感器 相位差式转矩传感器相位差式转矩传感器振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器受扭轴受扭轴振弦振弦测量环测量环l l图图5.23 振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器第18页/共62页2023/2/1519温度测量技术温度测量技术Temperaturemeasurementtechnology第19页/共62页2023/2/1520温度测量技术温度测量技术(温标与标定(测温法分类及其特
18、点(热阻式测温方法(热电式测温方法(集成温度传感器AD590 (热辐射测温第20页/共62页2023/2/1521&温度是反映物体的冷热程度的物理量。温度是反映物体的冷热程度的物理量。&温度的测量只能利用一些物质的某些物性温度的测量只能利用一些物质的某些物性(如尺如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的同一尺度，即温标。一个衡量温度的同一尺度，即温标。&温标温标
19、衡量温度的标尺。是温度数值化的标尺，衡量温度的标尺。是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。了温度的测量单位和温度起点。温标与标定温标与标定温标与标定温标与标定第21页/共62页2023/2/15221.1.经验温标经验温标根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。式所确定的温标称为经验温标。(1)(1)华氏温标华氏温标德国人法勒海特德国人法勒海特(Fahrenheit)在在1714年以水银为测温介质，制年以水
20、银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水混合物的温度作为温度计成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水混合物的温度作为温度计的零摄氏度，人体温度为温度计的的零摄氏度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从度，把水银温度计从0度度到到100度按水银的体积膨胀距离分成度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为份，每一份为1华氏度，华氏度，记作记作“1”。按照华氏温标，水的冰点为。按照华氏温标，水的冰点为32，沸点为，沸点为212。(2)(2)摄氏温标摄氏温标1740年瑞典人摄氏年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰提出在标准大气压下，把水的冰点规定为点规定为0度，水的
21、沸点规定为度，水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度，平均分成点来对玻璃水银温度计进行分度，平均分成100等份，每一份为等份，每一份为1 1摄氏度，记作摄氏度，记作1。摄氏温度摄氏温度t t和华氏温度和华氏温度T T的关系为：的关系为：温标与标定温标与标定温标与标定温标与标定第22页/共62页2023/2/15231.1.经验温标经验温标温标与标定温标与标定温标与标定温标与标定除华氏温标和摄氏温标外，还有一些类似经验温标，如列氏温标、兰除华氏温标和摄氏温标外，还有一些类似经验温标，如列氏温标、兰氏温标等。经验温标均依赖于其规定的测量物质
22、，测温范围也不能超过氏温标等。经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限其上、下限(如摄氏温标为如摄氏温标为0、100)，超过了这个温区，摄氏温标将，超过了这个温区，摄氏温标将不能进行温度标定。不能进行温度标定。2.2.热力学温标热力学温标1848年由开尔文年由开尔文(Kelvin)提出的以卡诺循环提出的以卡诺循环(CarnotCycle)为基础为基础建立的热力学温标，把理想气体压力为零时对应的温度建立的热力学温标，把理想气体压力为零时对应的温度绝对零绝对零度度(在实验中无法达到的理论温度，低于在实验中无法达到的理论温度，低于0K的温度不可能存在的温度不可能存在)与与水的三
23、相点温度分成水的三相点温度分成273.16份，每份为份，每份为1K(Kelvin)。热力学温度的。热力学温度的单位为单位为“K”。是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本量单位之一。本量单位之一。第23页/共62页2023/2/1524温标与标定温标与标定温标与标定温标与标定3.3.绝对气体温标绝对气体温标从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标叫绝对气体温标。当从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标叫绝对气体温标。当气体的而体积为恒定气体的而体积为恒定(定容定容)时，其压强就是温度的单值函数，即有：时，其压强就是
24、温度的单值函数，即有：这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系完全类似。这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系完全类似。因此若选用同一固定点因此若选用同一固定点(水的三相点水的三相点)作参考点，两种温标在数作参考点，两种温标在数值上就完全相同。值上就完全相同。理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用真实理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用真实气体来制作气体温度计。因此，直接用气体温度计来统一国际气体来制作气体温度计。因此，直接用气体温度计来统一国际温标，不仅技术上难度很大，很复杂，而且操作非常复杂，困温标，不仅技术上难度很大，很复杂，而且操作非常复杂，困难
25、。于是，出现了协议性的国际实用温标。难。于是，出现了协议性的国际实用温标。4.4.国际实用温标和国际温标国际实用温标和国际温标经国际协议产生的国际实用温标的指导思想是要尽可能地接近经国际协议产生的国际实用温标的指导思想是要尽可能地接近热力学温标，热力学温标，1989年年7月第月第77届国际计量委员会批准建立了届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称新的国际温标，简称ITS-90。为和。为和IPTS-68温标相区别，用表温标相区别，用表示示ITS-90温标。我国从温标。我国从1994年开始全面推行年开始全面推行ITS-90新温标。新温标。第24页/共62页2023/2/1525温标与标定温标
26、与标定温标与标定温标与标定5.5.标定标定对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点点(恒温恒温)作标准值，把被标定温度计作标准值，把被标定温度计(或传感器或传感器)依次置于这些标准依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出或传感器的输出)，并利用，并利用国际温标规定的内插公式对温度计国际温标规定的内插公式对温度计(传感器传感器)的分度进行对比记录，的分度进行对比记录，从
27、而完成对温度计的标定。标定后的温度计可作为标准温度计使用。从而完成对温度计的标定。标定后的温度计可作为标准温度计使用。标准表法是把被标定温度计标准表法是把被标定温度计(传感器传感器)与已被标定好的更高一级精度与已被标定好的更高一级精度的温度计的温度计(传感器传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分，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，即可把记录下的
28、这些差值作为被标定温度计的修正量，完成对定，即可把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，完成对被标定温度计的标定。被标定温度计的标定。第25页/共62页2023/2/1526测温法分类及其特点测温法分类及其特点测温法分类及其特点测温法分类及其特点&按测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两大类。按测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是基于热平衡原理，温度敏感元件与被测对象接触，依靠接触式测温是基于热平衡原理，温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热传热和对流和对流进行热交换，当传热量为零，二者温度相等。进行热交换，当传热量为零，二者温度相
29、等。根据测温转换的原理，接触式测温可分为膨胀式、热阻式、热电式等根据测温转换的原理，接触式测温可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。如水银温度计、热电偶温度计等。多种形式。如水银温度计、热电偶温度计等。非接触式测温时温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过非接触式测温时温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射热辐射进行热进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度，大小推出被测对象的温度，如辐射测温如辐射测温；或是利用敏感元件感受温度使其；或是利用敏感元件感受温度使其参数发生变化
30、，通过非接触的场的耦合进行检测，如参数发生变化，通过非接触的场的耦合进行检测，如电涡流式测温电涡流式测温。第26页/共62页2023/2/1527测温法分类及其特点测温法分类及其特点测温法分类及其特点测温法分类及其特点&热膨胀式测温方法：热膨胀式测温方法：膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，膨胀式测温是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。分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨胀式温度计按膨胀基体可分为液体膨胀式玻璃膨胀式温度计按膨胀基体可分为液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。胀式双金属
31、温度计。(1)(1)玻璃温度计玻璃温度计玻璃温度计按使用方式又可分为全浸式和局玻璃温度计按使用方式又可分为全浸式和局浸式两大类。浸式两大类。(2)(2)压力温度计压力温度计压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸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来实现测温功能。函数关系的原理来实现测温功能。第27页/共62页2023/2/1528测温法分类及其特点测温法分类及其特点测温法分类及其特点测温法分类及其特点&热膨胀式测温方法热膨胀式测温方法(3)(3)双金属温度计双金属温度计基于固体受热膨胀原理，通常
32、是把两片线膨基于固体受热膨胀原理，通常是把两片线膨胀系数相对差异很大的金属片叠焊在一起，胀系数相对差异很大的金属片叠焊在一起，构成双金属感温元件。当温度变化时，因双构成双金属感温元件。当温度变化时，因双金属片的两个不同材料的线膨胀系数相对差金属片的两个不同材料的线膨胀系数相对差异很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金异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。属片产生弯曲变形。双金属温度计的感温双金属元件的形状有平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面螺旋型和直线螺旋型两大类。第28页/共62页2023/2/1529热阻式测温方法热阻式测温方法热阻式测温方
33、法热阻式测温方法&热阻式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，将电阻值的热阻式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。变化转换为电信号，从而达到测温的目的。&常用的热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。常用的热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。1.1.热电阻的结构热电阻的结构热电阻主要由感温元件（电阻体）、内引线、保护管三部分热电阻主要由感温元件（电阻体）、内引线、保护管三部分构成。构成。安装固定件安装固定件电阻体电阻体绝缘套筒绝缘套筒不锈钢套管不锈钢套管引线口引线口接线盒接线盒图图5.26 工业热电阻的基
34、本结构工业热电阻的基本结构第29页/共62页2023/2/15301.1.热电阻的结构热电阻的结构热电阻元件的种类：热电阻元件的种类：热电阻传感器的类型：普通型、铠装型、小型、薄膜型、防爆型等。热电阻传感器的类型：普通型、铠装型、小型、薄膜型、防爆型等。2.2.热电阻的引线形式热电阻的引线形式内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测内引线是热电阻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。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。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种。二线制：二线制：tR1R2R3RtEout (a)
35、二线制二线制三线制：三线制：tR1R2R3RtEout (b)三线制三线制四线制：四线制：tiRtEout恒恒流流源源 (c)四线制四线制热阻式测温方法热阻式测温方法热阻式测温方法热阻式测温方法第30页/共62页2023/2/15313.3.热电阻的应用热电阻的应用热电阻以其测温范围广、灵敏度高、结构简单、成本低等优点在工业上得热电阻以其测温范围广、灵敏度高、结构简单、成本低等优点在工业上得到广泛应用，用于工业温度参数的测控，以及可转换成温度测量的其他物到广泛应用，用于工业温度参数的测控，以及可转换成温度测量的其他物理量的测量，如流体流量检测、气体成分分析等。理量的测量，如流体流量检测、气体成
36、分分析等。热敏电阻流量检测热敏电阻流量检测热敏电阻气体成分分析热敏电阻气体成分分析“电子干湿式电子干湿式”湿度传感器湿度传感器热阻式测温方法热阻式测温方法热阻式测温方法热阻式测温方法第31页/共62页2023/2/1532热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法&热电偶测温是基于热电效应的原理。热电偶测温是基于热电效应的原理。1.1.热电偶的分类及特性热电偶的分类及特性国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）推荐的工业用标准热电偶为八种。其）推荐的工业用标准热电偶为八种。其中分度号为中分度号为S、R、B的三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，的三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，属于贵金
37、属热电偶。分度号分别为属于贵金属热电偶。分度号分别为K、N、T、E、J的五种热的五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，属贱金属热电偶。这八种标准热电偶的热电极材料、制成，属贱金属热电偶。这八种标准热电偶的热电极材料、最大测温范围、适用气氛等可查阅有关最大测温范围、适用气氛等可查阅有关ITS1990国际温标国际温标手册。手册。常用热电偶的热电特性均有分度表可查。温度与热电势之间常用热电偶的热电特性均有分度表可查。温度与热电势之间的关系也可以用函数式来表示，称为参考函数。的关系也可以用函数式来表示，称为参考函数。ITS1
38、990给出了新的热电偶分度表和参考函数，它们是热电偶测温的给出了新的热电偶分度表和参考函数，它们是热电偶测温的依据。依据。第32页/共62页2023/2/1533热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法2.2.热电偶的结构热电偶的结构热电偶的基本结构：热电偶的基本结构：热电偶的结构分为普通工业用热电偶和铠装热电热电偶的结构分为普通工业用热电偶和铠装热电偶两种。偶两种。安装固定件安装固定件电偶丝电偶丝绝缘套筒绝缘套筒不锈钢套管不锈钢套管引线口引线口接线盒接线盒热端热端第33页/共62页2023/2/1534热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法3.3.热电偶温度
39、测量热电偶温度测量补偿导线补偿导线在一定温度范围内，与配用热电偶的热电热性相同的一对带有在一定温度范围内，与配用热电偶的热电热性相同的一对带有绝缘层的导线称为补偿导线。其作用是将热电偶的参比端延伸绝缘层的导线称为补偿导线。其作用是将热电偶的参比端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方，以保证冷端温度恒定。到远离热源或环境温度较恒定的地方，以保证冷端温度恒定。原理原理原理原理：由连接导体定律可知：由连接导体定律可知：可见，适当选取可见，适当选取A、B、使得：使得：由中间温度定律，上式即为：由中间温度定律，上式即为：可见，通过连接补偿导线，可使中间温度的影响消除掉。可见，通过连接补偿导线，可使中间温
40、度的影响消除掉。第34页/共62页2023/2/1535热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法热电式测温方法3.3.热电偶温度测量热电偶温度测量参比端处理参比端处理热电偶分度表都是以热电偶参比端为热电偶分度表都是以热电偶参比端为0条件条件下制作的。在实验室条件下可采取诸如在保下制作的。在实验室条件下可采取诸如在保温瓶内盛满冰水混合物温瓶内盛满冰水混合物(最好用蒸馏水及用蒸最好用蒸馏水及用蒸馏水制成的冰馏水制成的冰)。在工业测温现场一般不能使参比端保持在工业测温现场一般不能使参比端保持00，随着计算机尤其是微处理器和单片机推广普随着计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，智能化测温仪普遍采用以
41、软件为主的补及，智能化测温仪普遍采用以软件为主的补偿方式。偿方式。第35页/共62页2023/2/1536集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器AD590AD590&集成温度传感器是一种把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在集成温度传感器是一种把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。同一芯片上的温度传感器。&AD590是美国是美国AD公司推出的集成化半导体温度传感器，是电流输出型集成温公司推出的集成化半导体温度传感器，是电流输出型集成温度传感器的代表产品。它利用晶体管度传感器的代表产品。它利用晶体管PNPN结的正向压降随温度升高而降低
42、的特性结的正向压降随温度升高而降低的特性而制成，而制成，1.1.基本应用电路基本应用电路2.2.摄氏温度测量电路摄氏温度测量电路3.3.温差测量电路及其应用温差测量电路及其应用第36页/共62页2023/2/1537热辐射测温热辐射测温热辐射测温热辐射测温&辐射式温度计利用受热物体的辐射能大小与温度的关系确定被测物体的温度，辐射式温度计利用受热物体的辐射能大小与温度的关系确定被测物体的温度，其主要优点是非接触式测温，具有很高的测温上限，响应快，输出信号大，灵其主要优点是非接触式测温，具有很高的测温上限，响应快，输出信号大，灵敏度高；它的主要缺点是结构复杂，测量准确度不如接触式温度计高。敏度高；
43、它的主要缺点是结构复杂，测量准确度不如接触式温度计高。&辐射测温系统的基本组成：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理电路。辐射测温系统的基本组成：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理电路。被测被测对象对象光学光学系统系统检测检测元件元件转换转换电路电路信号信号处理处理参考参考光源光源辐射测温仪表主要组成框图辐射测温仪表主要组成框图第37页/共62页2023/2/1538热辐射测温热辐射测温热辐射测温热辐射测温&辐射测温的常用方法：辐射测温的常用方法：亮度法亮度法：按照物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度。按照物体的光谱或部分连续波长辐射亮度推算温度。全辐射法全辐射法：按照物体全波长范围
44、内的辐射亮度推算温度。：按照物体全波长范围内的辐射亮度推算温度。比色法比色法：按照物体两个波长的光谱辐射亮度之比推算温度。：按照物体两个波长的光谱辐射亮度之比推算温度。多色法多色法：按照物体多个波长的光谱辐射亮度或物体发射率随波长变化的规：按照物体多个波长的光谱辐射亮度或物体发射率随波长变化的规律来推算温度。律来推算温度。&辐射式温度计有全辐射高温计、光学高温计、光电辐射式温度计有全辐射高温计、光学高温计、光电高温计、比色高温计和红外辐射辐射测温仪等。高温计、比色高温计和红外辐射辐射测温仪等。第38页/共62页2023/2/1539热辐射测温热辐射测温热辐射测温热辐射测温&辐射测温仪表的表观温
45、度辐射测温仪表的表观温度辐射测温仪表的表观温度辐射测温仪表的表观温度辐射测温仪表均以黑体炉作基准进行标定和刻度的，实际测量时要修正。辐射测温仪表均以黑体炉作基准进行标定和刻度的，实际测量时要修正。表观温度表观温度：指在仪表工作波长范围内，温度为：指在仪表工作波长范围内，温度为T的辐射体的的辐射体的辐射情况辐射情况与温度与温度为为TL的绝对黑体的的绝对黑体的辐射情况辐射情况相等，则相等，则TL就是该辐射体的表观温度。与测温就是该辐射体的表观温度。与测温仪表相对应的表观温度有：仪表相对应的表观温度有：亮度温度、辐射温度和比色温度亮度温度、辐射温度和比色温度。亮度温度：亮度温度：辐射温度：辐射温度：
46、比色温度：比色温度：第39页/共62页2023/2/1540热辐射测温热辐射测温1.1.全辐射高温计全辐射高温计基本原理：基本原理：斯特潘斯特潘-波尔兹曼定律，也称为全辐射定律，它是波尔兹曼定律，也称为全辐射定律，它是全辐射高温计测温的理论基础。全辐射高温计测温的理论基础。由式可知，当知道黑体的全辐射强度后，就可以知道温度。由式可知，当知道黑体的全辐射强度后，就可以知道温度。全辐射高温计是以黑体的辐射能力与温度的关系进行刻度的。全辐射高温计是以黑体的辐射能力与温度的关系进行刻度的。但在实际中，被测物体并非黑体，而是被称为灰体，对于灰但在实际中，被测物体并非黑体，而是被称为灰体，对于灰体的全辐射
47、强度与温度的关系为：体的全辐射强度与温度的关系为：用全辐射高温计测量非黑体温度时，温度计读数是被测物体用全辐射高温计测量非黑体温度时，温度计读数是被测物体的辐射温度，再根据已知物体的吸收系数的辐射温度，再根据已知物体的吸收系数(注不同物质的吸收注不同物质的吸收系数可查相关的资料系数可查相关的资料)，利用该式可计算被测物体的真是温度。，利用该式可计算被测物体的真是温度。第40页/共62页2023/2/1541热辐射测温热辐射测温2.2.比色温度计比色温度计基本原理：基本原理：由维恩位移定律（由维恩位移定律（mT=常数常数），当温度升高时，），当温度升高时，绝对黑体的最大辐射能量向波长减小的方向移
48、动，对于不同绝对黑体的最大辐射能量向波长减小的方向移动，对于不同波长波长1、2和所对应的亮度比值也会发生变化，根据亮度比和所对应的亮度比值也会发生变化，根据亮度比就可确定黑体的温度。就可确定黑体的温度。当已知被测物体的当已知被测物体的1和和2后，就可由实测的比色温度后，就可由实测的比色温度TS算出真实温度算出真实温度T，若比色高温计所选波长，若比色高温计所选波长1和和2很接很接近，则单色辐射吸收系数近，则单色辐射吸收系数1和和2也十分接近，所测比色温度近也十分接近，所测比色温度近似等于真实温度，这是比色高温计很重要的优点。似等于真实温度，这是比色高温计很重要的优点。第41页/共62页2023/
49、2/1542热辐射测温热辐射测温3.3.红外辐射测温仪红外辐射测温仪基本原理：基本原理：根据普朗克定律的物体辐射强度与波根据普朗克定律的物体辐射强度与波长、温度的关系可知，在长、温度的关系可知，在2000K以下峰值辐射波以下峰值辐射波长在红外光区域，需要用红外敏感元件来检测。长在红外光区域，需要用红外敏感元件来检测。(1)红外探测器的特性参数红外探测器的特性参数响应率：输出电压与输入的红外辐射功率之响应率：输出电压与输入的红外辐射功率之比。比。响应波长范围：红外探测器的响应率与入射响应波长范围：红外探测器的响应率与入射辐射的波长的关系。辐射的波长的关系。第42页/共62页2023/2/1543
50、热辐射测温热辐射测温噪声等效功率：若投射到探测器上的红外辐射噪声等效功率：若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，该辐射功率即为噪声等效功率，它噪声电压，该辐射功率即为噪声等效功率，它对探测器所产生的效果与噪声相等。是一个可对探测器所产生的效果与噪声相等。是一个可测量的量。测量的量。探测率：实质上就是当探测器的探测元件具有探测率：实质上就是当探测器的探测元件具有单位面积、放大器带宽为单位面积、放大器带宽为1Hz时，单位功率辐射时，单位功率辐射所获得的信噪比。所获得的信噪比。响应时间：探测器的输出电压上升或下降到某响应时