溫度測(cè)量方法分類及優(yōu)缺點(diǎn)概述.doc

溫度測(cè)量方法分類及優(yōu)缺點(diǎn)概述摘要：溫度是表征物體冷熱程度的物理量, 是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理量之一, 它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著密切關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高, 溫度測(cè)量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。本文將討論總結(jié)溫度測(cè)量的各種方式，并分析他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 1. 溫度測(cè)量的分類溫度測(cè)量的分類可以通過(guò)其與被測(cè)量的物體是否接觸分為接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量?jī)x表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。但是因?yàn)闇y(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，所以其需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡。接觸式測(cè)量?jī)x存在測(cè)溫延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫和耐低溫材料的限制，不能應(yīng)用于這些極端的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫儀是通過(guò)熱輻射的原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水汽等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。2. 接觸式測(cè)量方法2.1膨脹式溫度測(cè)量原理：利用物質(zhì)的熱脹冷縮原理即根據(jù)物體體積或幾何形變與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量。熱脹冷縮式溫度計(jì)包括玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬膨脹式溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)等。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 價(jià)格低廉, 可直接讀數(shù),使用方便,非電量測(cè)量方式, 適用于防爆場(chǎng)合。缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度比較低, 不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化, 而且容易損壞。2.2電量式測(cè)溫方法利用材料的電勢(shì)、電阻或其它電性能與溫度的單值關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量，包括熱電偶溫度測(cè)量、熱電阻和熱敏電阻溫度測(cè)量、集成芯片溫度測(cè)量等。1.熱電偶的原理是兩種不同材料的金屬焊接在一起,當(dāng)參考端和測(cè)量端有溫差時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì), 根據(jù)該熱電勢(shì)與溫度的單值關(guān)系就可以測(cè)量溫度。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 響應(yīng)快, 適宜遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制的特點(diǎn), 應(yīng)用比較廣泛。2.熱電阻是根據(jù)材料的電阻和溫度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量的, 輸出信號(hào)大, 準(zhǔn)確度比較高, 穩(wěn)定性好, 但元件結(jié)構(gòu)一般比較大, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差, 不適宜測(cè)量體積狹小和溫度瞬變區(qū)域。3.熱敏電阻是一種電阻值隨溫度呈指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏感元件, 具有靈敏度高、價(jià)格便宜的特點(diǎn), 但其電阻值和溫度的關(guān)系線性度差,且穩(wěn)定性和互換性也不好。4.石英溫度傳感器是以石英晶體的固有頻率隨溫度而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的。石英晶體溫度傳感器穩(wěn)定性很好, 可用于高精度和高分辨力的測(cè)量場(chǎng)合。隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 可以將感溫元件和相關(guān)電子線路集成在一個(gè)小芯片上, 構(gòu)成一個(gè)小型化、一體化及多功能化的專用集成電路芯片, 輸出信號(hào)可以是電壓、頻率, 或者是總線數(shù)字信號(hào), 使用非常方便,適用于便攜式設(shè)備。2.3接觸式光電、熱色測(cè)溫方法原理：接觸式光電測(cè)溫方法主要是指通過(guò)接觸被測(cè)對(duì)象,將溫度變化引起的熱輻射或其他光電信號(hào)引出, 通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件檢測(cè)該信號(hào), 從而獲得測(cè)溫結(jié)果的方法。優(yōu)點(diǎn)：這種方法不像電量式測(cè)量方法容易受到電磁的干擾,可以在電磁環(huán)境下進(jìn)行溫度測(cè)量; 可以避免像非接觸式輻射溫度計(jì)那樣容易受到被測(cè)對(duì)象表面發(fā)射率和中間介質(zhì)的影響。缺點(diǎn)：會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度, 帶來(lái)接觸式測(cè)溫方法引起的一些誤差。光纖式溫度測(cè)量技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速, 根據(jù)光纖所起的作用, 可分為兩類: 一類是利用光纖本身具有的某種敏感功能測(cè)量溫度, 屬于功能型傳感器; 另一類, 光纖僅僅起到傳輸光信號(hào)的作用, 必須在光纖端面配合其他敏感元件才能實(shí)現(xiàn)測(cè)量, 稱為傳輸型傳感器。基于不同的原理, 有很多種光纖溫度傳感器, 適用于不同的測(cè)溫場(chǎng)合。熱色測(cè)溫方法主要通過(guò)示溫敏感材料的顏色在不同溫度下發(fā)生變化來(lái)指示溫度的, 示溫漆和示溫液晶都屬于熱色測(cè)溫。示溫漆可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體或其他復(fù)雜條件表面的溫度分布, 使用簡(jiǎn)單方便, 缺點(diǎn)是影響判別溫度結(jié)果的因素比較多, 如涂層厚度、判讀方法、樣板和示溫顆粒大小等, 目前主要還是靠人工判讀。示溫液晶的主要成分是膽甾醇類, 這類液晶在一定的溫度范圍內(nèi), 其顏色隨溫度靈敏地變化, 改變液晶的成分, 可以靈活調(diào)整其測(cè)溫量程和測(cè)溫靈敏度。3. 非接觸式測(cè)溫方法原理及特點(diǎn)3.1輻射式測(cè)溫方法原理：是以熱輻射定律為基礎(chǔ)，它可分為全輻射高溫計(jì)、亮度式高溫計(jì)和比色式高溫計(jì)。全輻射高溫計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單, 但受被測(cè)對(duì)象發(fā)射率和中間介質(zhì)影響比較大,測(cè)溫偏差較大, 不適合用于測(cè)量低發(fā)射率目標(biāo)。亮度溫度計(jì)靈敏度比較高, 受被測(cè)對(duì)象發(fā)射率和中間介質(zhì)影響相對(duì)較小, 測(cè)量的亮度溫度與真實(shí)溫度偏差較小, 但也不適用于測(cè)量低發(fā)射率物體的溫度, 并且測(cè)量時(shí)要避開(kāi)中間介質(zhì)的吸收帶。比色測(cè)溫法測(cè)量結(jié)果最接近真實(shí)溫度, 并且適用于低發(fā)射率物體的溫度測(cè)量, 但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 價(jià)格較貴。紅外測(cè)溫儀具有如下優(yōu)點(diǎn): 可以采用偽彩色直觀顯示物體表面的溫度場(chǎng);溫度分辨力高, 能準(zhǔn)確區(qū)分的溫度差甚至達(dá)0.01以下。3.2光譜測(cè)溫方法光譜測(cè)溫方法主要適用于高溫火焰和氣流溫度的測(cè)量。當(dāng)單色光線照射透明物體時(shí), 會(huì)發(fā)生光的散射現(xiàn)象, 散射光包括彈性散射和非彈性散射, 彈性散射中的瑞利散射和非彈性散射的拉曼散射的光強(qiáng)都與介質(zhì)的溫度有關(guān)。相比而言, 拉曼散射光譜測(cè)溫技術(shù)的實(shí)用性更好, 常用拉曼散射光譜來(lái)測(cè)量溫度。由于自發(fā)拉曼散射的信號(hào)微弱且非相干, 對(duì)于許多具有光亮背景和熒光干擾的實(shí)際體系, 它的應(yīng)用受到一定的限制。而受激拉曼散射能大幅度提高測(cè)量的信噪比, 更具有實(shí)用性。如相干反斯托克斯拉曼散射(CARS) 測(cè)溫方法, 可使收集到的有效散射光信號(hào)強(qiáng)度比自發(fā)拉曼散射提高好幾個(gè)數(shù)量級(jí), 同時(shí)還具有方向性強(qiáng)、抗噪聲、熒光性好、脈沖效率高和所需脈沖輸入能量小等優(yōu)點(diǎn), 適合于含有高濃度顆粒的兩相流場(chǎng)非清潔火焰的溫度診斷。但是, CARS法的整套測(cè)量裝置價(jià)格十分昂貴, 其信號(hào)的處理相當(dāng)復(fù)雜, 限制了其廣泛使用。受激熒光光譜法是指在入射光的激勵(lì)下, 分子發(fā)出的熒光光譜在若干個(gè)波長(zhǎng)上有較強(qiáng)的尖峰, 這些特征波長(zhǎng)的強(qiáng)度是溫度的函數(shù)。通過(guò)測(cè)量其特征波長(zhǎng)下的絕對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)強(qiáng)度, 或者熒光的馳豫時(shí)間, 就可以確定被測(cè)介質(zhì)的溫度。譜線反轉(zhuǎn)法也稱自蝕法或譜線隱現(xiàn)法, 最常見(jiàn)的是鈉D線反轉(zhuǎn)法, 可用于火焰等高溫測(cè)量。它的基本原理是在目標(biāo)火焰中均勻地加入微量鈉鹽, 產(chǎn)生兩條波長(zhǎng)為5889.95A和5895.92A 的黃色明亮譜線。當(dāng)背景光源的自然光線照射并通過(guò)鈉蒸氣時(shí), 調(diào)節(jié)背景光使鈉譜線在背景的連續(xù)光譜中消失時(shí), 光源的亮溫就等于火焰的溫度。譜線反轉(zhuǎn)法的裝置簡(jiǎn)單, 適用于火焰穩(wěn)定、測(cè)量方向溫度梯度不大的場(chǎng)合。3.3聲波、微波測(cè)溫方法聲學(xué)測(cè)溫是基于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度有關(guān)的原理實(shí)現(xiàn)的, 因此只要測(cè)得聲速, 就可以推算出溫度。可以通過(guò)直接測(cè)量聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度, 也可以測(cè)量放在被測(cè)介質(zhì)中細(xì)線的聲波傳播速度來(lái)得到溫度。這種方法可以用于測(cè)量高溫氣體或液體的溫度, 在高溫時(shí)會(huì)有更高的靈敏度。微波衰減法可以用來(lái)測(cè)量火焰溫度, 其原理是當(dāng)入射微波通過(guò)火焰時(shí), 與火焰中的等離子體相互作用,使出射的微波強(qiáng)度減弱, 通過(guò)測(cè)量入射微波的衰減程度可以確定火焰氣體的溫度。4. 總結(jié)傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測(cè)溫方法以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn), 在未來(lái)溫度測(cè)量領(lǐng)域中,依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術(shù)的發(fā)展, 其應(yīng)用范圍更加拓展。在溫度測(cè)量方面，我們還需要還要不斷探索新的溫度測(cè)量方法, 改進(jìn)原有測(cè)量技術(shù), 以滿足各種條件下的溫度測(cè)量需求。5. 參考文獻(xiàn)1.楊永軍, 蔡靜 特殊條件下的溫度測(cè)量中國(guó)計(jì)量出版社, 200812.王魁