《参数检测技术上》PPT课件

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1、2 0 2 1 -5 -2 第 五 章 参 数 检 测 技 术5 .1 温 度 的 检 测5 .2 压 力 的 检 测5 .3 流 量 的 检 测5 .4 物 位 的 检 测 2 0 2 1 -5 -2 温 度:表征物体冷热 程度的物理量。温 度概 念的建立和温 度的测 量都是以热 平衡现 象为 基础 的。为 了判断 温 度的高低，只能借助于某种 物质 的某种 特性（如体积 、长 度和电 阻等）随 温 度变 化的规 律来 测 量，于是就会 有形形色色的温 度计 。但是，迄今为 止，还 没 有适应 整个 温 度范围 用的温 度计 （或物质 ）。1 ： 温 度 比较 理想的物质 及相应 的物理性质

2、 有：固体、液体、气 体的热 膨胀 性质 ；导 体或半导 体受热 后电 阻值 变 化的性质 ；热电 偶的热 电 势 和物体的热 辐 射。利用这 些物理性质 制成的测温 仪 表被广泛的应 用着。此外，也应 用了一些新的测 温 原理，如射流测 温 、涡 流测 温 、激光测 温 等。5 .1 温 度 的 检 测5 .1 .1 温 度 与 温 标 2 0 2 1 -5 -2 温 标 :温 度的数 值 表示方法，是用来 衡量物体温 度的尺度。它 规 定了温 度读 数 的起点(零点)和测 量温 度的单 位，各种 温 度计 的刻度值 均由温 标 确定。2 :温 标常用的有摄 氏温 标 、华 氏温 标 和热

3、力学 温 标 等。5 .1 温 度 的 检 测 2 0 2 1 -5 -2热 力学 温 标 是一种 与 工质 无关 的温 标 ，它 以热 力学 第二定律为 基础 ，已由国 际 计 量大会 采纳 作为 国 际 统 一的基本温 标 。热 力学 温 标 所确定的温 度数 值 称 为 热 力学 温 度（单 位为 K）。(2 )热 力学 温 标 (K) 摄 氏温 标 的物理基础 是水银 温 度变 化与 体膨胀 成线 性关 系。分度方法是把标 准大气 压 下水的冰点定为 零度（0 ），把水的沸点定为 1 0 0 度（1 0 0 ），用这 两 个 固定点分度玻璃水银 温 度计 ，在这 两 固定点间 划 分1

4、 0 0 等分，每一等分为 摄氏一度，计 为 1 。(1 )摄 氏温 标 ( )2 ： 温 标 2 0 2 1 -5 -2 第一个 国 际 温 标 是1 9 2 7 年第七届 国 际 计 量大会 决 定采用的温 标 ，称 为“1 9 2 7 年国 际 温 标 ”，记 为 ITS-2 7 。此后大约 每隔2 0 年进 行一次大修改。目前，国 际 上通用的国 际 温 标 是1 9 8 9 年7 月第7 7 届 国 际 计 量委员 会 （CIPM）批准的新温 标 ITS-9 0 ，我国 从 1 9 9 4 年1 月1 日起实 行新温 标 。(3 )国 际 温 标t=T - 273.152 ： 温 标

5、 2 0 2 1 -5 -2 (1 )接触 式测 温 法 温 度这 一参 数 是不能直接测 量的，一般根据物质 的某些特性参 数与 温 度之间 的函数 关 系，通过 对 这 些特性参 数 的测 量而间 接获 取。根据测 温 传 感器的使用方式，测 温 方法大体分为 接触 式和非接触 式两 种 。 测 温 传 感器敏感元件直接与 被测 物体接触 ，在足够 长 的时间 内 ，使传 感器与 被测 点达 到热 平衡，以实 现 温 度测 量。 其特点是：由于传 感器与 被测 物体接触 ，所以测 量比较 直观 、可靠，测 温 准确度较 高，但它 直接影响 被测 物体温 度场 的分布。使用该 种 方法需要使

6、测 温 元件与 被测 物体达 到热 平衡，所以测温 时 产 生较 大的时 间 滞 后，并 由此带 来 测 量误 差。测 温 范围 在1 6 0 0 以下，通常1 0 0 0 以下的温 度容易测 量，1 2 0 0 以上的温 度不易测 量。 2 0 2 1 -5 -2其特点是：测 温 传 感器不与 被测 物体接触 ，也不改变 被测 物体的温 度分布，热 惯 性小，动态 测 量反应 快，适于测 量高温 ；但是受环 境条 件影响 较 大，测 量精度较 低。从 理论 上讲 ，其测 温 上限是无限的，实 际 上一般只用到3 0 0 0 。在高温 领 域中，使用较 多的有辐 射高温计 、光学 高温 计 和

7、光电 高温 计 等。近些年来 ，红 外辐 射高温 计 、比色温 度计 的应 用也在逐渐 扩 大。 (2 )非接触 式测 温 法 测 温 传 感器不接触 被测 物体，利用物体的热 辐 射随 温 度变 化的原理测 定物体温度，故又称 辐 射测 温 2 0 2 1 -5 -2 双 金 属 温 度 计 是 把 两 种 膨 胀 系 数 不 同 的 金 属 薄 片 焊 接 在 一 起制 成 的 ， 是 一 种 固 体 膨 胀 温 度 计 。 结 构 简 单 、 牢 固 ， 可 将 温 度变 化 转 换 成 机 械 量 变 化 ， 不 仅 用 于 测 量 温 度 ， 而 且 还 用 于 温 度控 制 装 置

8、 （ 尤 其 是 开 关 的 “ 通 断 ” 控 制 ） ， 使 用 范 围 相 当 广 泛 。5 .1 .2 双 金 属 温 度 计 双 金属 温 度计 的工作原理如图 所示, 将 其一端固定, 如果温 度升高, 下面的金属 B（例如黄 铜 ）因热 膨胀 而伸长 ，上面的金属 A（例如因瓦合金）却几乎不变 ，致使双 金属 偏向上翘 。温 度越高则 产 生的线 膨胀 差越大，引起的弯 曲越大。 2 0 2 1 -5 -2 图 为 双 金属 温 度计 的结 构 。它 的感温 元件通常绕 成螺旋形，一端固定，另一端连 接指针 轴 。温 度变 化时 ，感温 元件的弯 曲率发 生变 化，并 通过 指针

9、 轴 带 动 指针 偏转 ，在刻度盘上显 示出温 度的变 化。5 .1 .2 双 金 属 温 度 计 2 0 2 1 -5 -2 5 .1 .3 热 电 温 度计 详 见 第 四 章 的 内 容 2 0 2 1 -5 -2 5.1.4 辐 射 测 温(1 )全 辐 射 温 度 计被测 物体的热 辐 射能量，经 物镜聚集在热 电 堆（由一组 微细 的热电 偶串联 而成）上并 转 换 成热 电势 输 出，其值 与 被测 物体的表面温 度成正比，用显 示仪 表进 行指示记 录 。图 中补 偿 光栏 由双 金属片控制，当 环 境温 度变 化时 ，光栏 相应 调 节 照射在热 电 堆上的热辐 射能量，以

10、补 偿 因温 度变 化影响 热 电 势 数 值 而引起的误 差。全辐 射温 度计 由辐 射感温 器、显 示仪 表及辅 助装置构 成。 2 0 2 1 -5 -2 一般全辐 射温 度计 选 择 黑体作为 标 准体来 分度仪 表，此时 所测 的是物体的辐 射温 度，即相当 于黑体的某一温 度TP。在辐 射感温 器的工作谱 段内 ，当 表面温 度为 TP的黑体之积 分辐 射能量和表面温度为 T的物体之积 分辐 射能量相等时 ，即TP4 =TT 4 ，则 物体的真实 温 度为。因此，当 已知物体的全发 射率T和辐 射温 度计 指示的辐 射温 度TP时 ，就可算出被测 物体的真 实 表面温 度。绝 对

11、黑体的热 辐 射能量与 温 度之间 的关 系为E0 =T 4 (W/m)但所有物体的全发 射率T均小于1 ，则 其辐 射能量与 温 度之间的关 系表示为 E0 =TT 4 (W/m) 2 0 2 1 -5 -2 2 )光学 高温 计 和光电 高温 计 光学 高温 计 是发 展最早、应 用最广的非接触 式温 度计 之一。它 结 构 简 单 ，使用方便，测 温 范围 广（7 0 0 3 2 0 0 ），一般可满 足工业 测 温 的准确度要求。目前广泛用于高温 熔体、炉 窑的温 度测 量，是冶金、陶瓷等工业 部门 十分重要的高温 仪 表。 光学 高温 计 是利用受热 物体的单 色辐 射强度随 温 度

12、升高而增加的原理制成的，由于采用单 一波长 进 行亮度比较 ，因而也称 单 色辐 射温 度计 。物体在高温 下会 发 光，也就具有一定的亮度。物体的亮度B与 其辐 射强度E成正比，即：B=CE，式中C为 比例系数 。所以受热 物体的亮度大小反映了物体的温 度数 值 。通常先 得到被测 物体的亮度温 度，然后转 化为 物体的真 实 温 度。 2 0 2 1 -5 -2 光学 高温 计 的缺点是以人眼观 察，并 需用手动 平衡，因此不能实 现 快速测 量和自动 记 录 ，且测 量结 果带 有主观 性。最近，由于光电 探测 器、干涉滤 光片及单 色器的发 展，使光学 高温 计 在工业 测 量中的地位

13、逐渐 下降，正在被较 灵 敏、准确的光电 高温 计 所代替。在光学 高温 计 基础 上发 展起来 的,用光敏元件代替人眼，实 现 了光电 自动 测 量。(1 ) 灵 敏度和准确度高；(2 ) 波长 范围 不受限制，可见 光与 红 外范围 均可，测 温 下限可向低温 扩 展； (3 ) 响 应 时 间 短； (4 ) 便于自动 测 量和控制，能自动 记 录 和远 距离传 送光电 高温 计特点如下： 2 0 2 1 -5 -2 (3 )比色高温 计 通过 测 量热 辐 射体在两 个 以上波长 的光谱 辐 射亮度之比来 测 量温 度的仪 表，称 为 比色温 度计 。 2 0 2 1 -5 -2 被测

14、 对 象经 物镜 1 成像经 光栏 3 与 光导 棒4 投射到分光镜 6 上，它 使长 波（红 外线 ）辐 射线 透过 ，而使短波（可见 光）部分反射。透过 分光镜的辐 射线 再经 滤 光片9 将 残 余的短波滤 去，之 后被红 外光电 元件硅光电池1 0 接收，转 换 成电 量输 出；由分光镜 反射的短波辐 射线 经 滤 波片7 将长 波滤 去，而被可见 光硅光电 池8 接收，转 换 成与 波长 亮度成函数 关 系的电 量输 出。 光栏 3 前的平行平面玻璃2 将 一部分光线 反射到瞄 准反射 镜 5 上，在经 反射镜 1 1 、目镜 1 2 和棱 镜 1 3 ，便能从 观 察系统中看到被观

15、 测 对 象的状 态 ，以便校准仪 器的位置 将 这 两 个 电 信号 输 入自动 平衡显 示纪 录 仪 进 行比较 得出光电 信号 比，即可读 出被测 对 象的温 度值 。 2 0 2 1 -5 -2 这 种 高温 计 属 非接触 测 量，量程为 8 0 0 -2 0 0 0 ，精度为 0 .5 ，响 应速度由光电 元件及二次仪 表记 录 速度而定。其优 点是测 温 准确度高，反应 速度快，测 量范围 宽 ，可测 目标 小，测 量温 度更接近真 实 温 度，环 境的粉尘 、水气 、烟雾 等对 测 量结 果的影响 小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业 部门 。(3 )比色高温 计 2 0 2 1

16、-5 -2 (4 )红 外温 测红 外温 测 也是基于辐 射原理来 测 温 的1 )红 外探测 器红 外探测 器是红 外探测 系统 的关 键 元件。目前已研 制出几十种 性能良好的探测 器，大体可分为 两 类 ：热 探测 器。它 基于热 电 效应 ，即入射辐 射与 探测 器相互作用时 引起探测 元件的温 度变 化，进 而引起探测器中与 温 度有关 的电 学 性质 变 化。常用的热 探测 器有热 电 堆型、热 释 电 型及热 敏电 阻型 2 0 2 1 -5 -2 光探测 器（量子型）。它 的工作原理基于光电 效应 , 即入射辐 射与 探测 器相互作用时 激发 电 子。光探测 器的响应 时 间

17、比热 探测 器短得多。常用的光探测 器有光导 型（即光敏电 阻型，常用的光敏电 阻有PbS，PbTe及HgCdTe等）及光生伏特型（即光电 池）。目前用于辐 射测 温 的探测 器已有长 足进 展。我国 许 多单 位可生产 硅光电 池，钽 酸钾 热 释电 元件，薄膜热 电 堆热 敏电 阻及光敏电 阻等。1 )红 外探测 器 2 0 2 1 -5 -2 2 )红 外测 温 仪 被测 物体的热 辐 射线 由光学 系统 聚焦，经 光栅 盘 调 制为 一定频 率的光能，落在热敏电 阻探测 器上，经 电 桥 转 换 为 交流电 压 信号 ，放大后输 出显 示或记 录 。 2 0 2 1 -5 -2光栅 盘

18、 由两 片扇型光栅 板组 成，一块 固定，一块 可动 ，可动 板受光栅 调 制电 路控制，并 按一定频 率正、反向转 动 ，实 现 开 (透光)、关 (不透光)，使入射线 变 为 一定频 率的能量作用在探测 器上。表面温 度测 量范围 为 0 -6 0 0 ，时 间 常数为 4 -1 0 ms。 2 0 2 1 -5 -2 3 )红 外热 像仪红 外热 像仪 测 温 基于被测 物体的红 外热 辐 射。它 能在一定宽 温 域做不接触 、无害、实 时 、连 续 的温 度测 量。被测 物体的温 度分布形成肉眼看不见 的红 外热 能辐 射，经 红 外热 像仪 转 化为 电 视 图 像或照片 2 0 2

19、 1 -5 -2 其工作原理如图 所示。光学 系统 收集辐 射线 ，经 滤 波处 理后将 景物图 形聚集在探测 器上，光学 机械扫 描包括两 个 扫描镜 组 ：垂直扫 描和水平扫 描。扫 描器位于光学 系统 和探测 器之间 ，当 镜 子摆 动 时 ，从 物体到达 探测 器的光束也随之移动 ，形成物点与 物象互相对 应 。然后探测 器将 光学 系统 逐点扫 描所依次搜集的景物温 度空间 分布信息，变 为 按时 序排列的电 信号 ，经 过 信号 处 理后，由显 示器显 示出可见 图 象物体温 度的空间 分布情况 。 2 0 2 1 -5 -2 目前许 多国 家都已有热 像仪 的产 品出售。如日本的

20、JTG-JA型热 像仪 ，其测 温范围 为 0 1 5 0 0 ，并 分为 三个 测 量段。0 1 8 0 ，适于测 量机床温 度场 ；1 0 0 5 0 0 和3 0 0 1 5 0 0 ，适于测 量工件或刀具的温 度场 。瑞典的AGA6 8 0型热 像仪 ，温 度分辨力为 0 .2 ，视 场 为 2 0 o2 5 o；美国 Barnes公司的7 4 C型热 像仪 也达 到较 高的水平。我国 研 制的红 外热 像仪 已用于机械设 备 的热 变形研 究中。 2 0 2 1 -5 -2 小 结 ：温 度的 检测 温 度 与 温 标热 电 温 度 计电 阻 温 度 计双 金 属 温 度 计辐 射 测 温红 外 测 温 红 外 探 测 器 、 红 外 测 温 仪 、 红 外 热 像 仪全 辐 射 高 温 计 、 光 学 高 温 计 、 光电 高 温 计 、 比 色 高 温 计铂 电 阻 、 铜 电 阻 、 热 敏 电 阻热 电 偶 接 触 式 与 非 接 触 式 测 温 ？