计量方法与误差理论CH温度和光学计量课件.ppt

1、计量方法与误差理论计量方法与误差理论CH温度和光学计量温度和光学计量温标（即温度的温标（即温度的“标尺标尺”、“标准标准”）是温度量值的表示）是温度量值的表示法。法。首先用纯物质的三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温首先用纯物质的三相点、沸点、凝固点和超导转变点等作为温度计量的固定点度计量的固定点(基准点基准点)，并赋予一个确定的温度；然后选择随温度，并赋予一个确定的温度；然后选择随温度呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。温标三要素：固定点、测温物质、内插公式温标三要素：固定点、测温物质、内插公式 华氏温标华氏温标:水的冰点为

2、水的冰点为32 ，水的沸点，水的沸点212 ，中间，中间180等分等分(德国，华林海特，德国，华林海特，1714年年)列氏温标列氏温标:水的冰点为水的冰点为0R，水的沸点为，水的沸点为80R，中间，中间80等分（法国，列奥谬尔，等分（法国，列奥谬尔，1730年）年）摄氏温标摄氏温标:水的冰点为水的冰点为0，水的沸点为，水的沸点为100，中间，中间100等分（瑞典，摄尔萨斯，等分（瑞典，摄尔萨斯，1742年）年）经验温标经验温标国际温标（国际温标（ITS-90）ITS-90就是热力学就是热力学温标。温标。Tk=273.15+tcTF=1.8tc+32TR=0.8tcTk:热力学温度Tc:摄氏温度

3、TR:列氏温度热力学温标热力学温标:英国开尔文提出以热力学第二定律为基础。与特定的物质性质无关，英国开尔文提出以热力学第二定律为基础。与特定的物质性质无关，以水的三相点为基准以水的三相点为基准(273.16K)，具有稳定性、唯一性、复现性和客观性。，具有稳定性、唯一性、复现性和客观性。热力学温标以卡诺循环为基础：一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，假设从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则Q1/Q2=T1/T2。（绝对温度，单位K）选用水的三相点作为基本固定点，得到热力学温标:21273.16QTKQ理论温标理论温标热学计量器具：热学计量器具：热电偶、

4、热电阻、温度计、高温计、辐射感温器、体温计、温度计热电偶、热电阻、温度计、高温计、辐射感温器、体温计、温度计检定装置、电子电位差计、电子平衡电桥、高温毫伏计、比率计、温度检定装置、电子电位差计、电子平衡电桥、高温毫伏计、比率计、温度指示调节仪、温度变送器、温度自动控制仪、温度巡回检测仪、测温电指示调节仪、温度变送器、温度自动控制仪、温度巡回检测仪、测温电桥、热量计、比热装置、热物性测定装置、热流计、热象仪。桥、热量计、比热装置、热物性测定装置、热流计、热象仪。玻璃液体温度计玻璃液体温度计储液泡、毛细管、刻度标尺储液泡、毛细管、刻度标尺测温介质：水银或其合金、酒精等测温介质：水银或其合金、酒精等

5、-30-300压力式温度计压力式温度计密闭温度测量系统密闭温度测量系统+指示仪表指示仪表气体压力式（氮气）、液体压力式（甲醇、水银等）、蒸汽压力式气体压力式（氮气）、液体压力式（甲醇、水银等）、蒸汽压力式（苯、丙酮等低沸点液体）。（苯、丙酮等低沸点液体）。-100-600 电阻温度计（热电阻测温）电阻温度计（热电阻测温）取一只取一只 100W/220V 灯泡，灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为计算得到的额定热态电阻值应为484 。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的

6、温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加电阻值增加(正温度系数正温度系数)。热电阻温度计的组成：热电阻温度计的组成：热电阻（电阻体、绝缘管和保护套管）热电阻（电阻体、绝缘管和保护套管）连接导线连接导线显示仪表显示仪表测温原理测温原理金属导体或半导体金属导体或半导体:电阻值电阻值R=f(温度温度t)电阻温度系数（电阻温度系数（）温度变化温度变化1时，导体电阻值的相对变化时，导体电阻值的相对变化量，单位为量，单位为1/。00001()ttttRRRRttRt

7、灵敏度灵敏度。金属导体金属导体:tRt，为正值（正温度系数）；为正值（正温度系数）；而半导体而半导体:tRt，为负值（负温度系数）。为负值（负温度系数）。金属纯度金属纯度。有些合金材料，如锰铜。有些合金材料，如锰铜 0。dTdRR1勒克斯（lx）：1 lm的光通量均匀分布在1 m2表面所产生的光照度。单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流明（lm）。电阻温度系数（）光电池接收器可沿圆弧滑动辐射吸收率：物体所吸收的辐射通量与入射到该物体上的同一波长的辐射通量的比值。辐射测温技术近30年取得的主要成果有：在测温范围方面，最高可达500万摄氏度，如地下核爆炸火球温度

8、，最低可达-170摄氏度；当温度T的实际物体在两个波长下的光谱辐射亮度比值，与温度为 的全辐射体的上述两波长下的光谱辐射比值相等时，把称为实际物体的比色温度。然后选择随温度呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。188K）以下，磁性温度计（常磁性物质磁化率在低温时随温度变化很大）。被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：L/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比）辐射照度：被照表面单位面积上接收到的辐射通量。三、常用温度计与温度计量方法任何波段都有能量的分布，而呈

9、不间断的连续分布普朗克建立了f(,T)的具体数学表达式，即黑体辐射出度。分类（根据材料类型）：分类（根据材料类型）：金属电阻金属电阻（正温度系数）铂电阻（13.8K1234.94K）、铑铁电阻（低温0.1K273K）、铂钴电阻（4K292K，低温段比铂、铑铁稳定、准确，）铂电阻 半导体电阻半导体电阻（正、负温度系数）广泛用于低温计量锗电阻：0.01 K100 K热敏电阻：-50-300，2301(100)tRRAtBtCt t20(1)tRRAtBt（在-2000范围内）（在0850范围内）薄膜型铂热电阻薄膜型铂热电阻防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器汽车

10、用水温传汽车用水温传感器及水温表感器及水温表铜热电阻铜热电阻计计量量标标准准工工作作计计量量器器具具工工作作计计量量器器具具热敏热电阻温度特性热敏热电阻温度特性 负温度系数负温度系数(NTC)热敏电阻（阻值随温度升高而显著减少）热敏电阻（阻值随温度升高而显著减少）采用采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造；等化合物制造；正温度系数正温度系数(PTC)热敏电阻。热敏电阻。采用采用NiO2等化合物制造；等化合物制造；临界温度临界温度(CTR)热敏电阻热敏电阻 当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。TkeAR材料常数材料

11、常数绝对温度绝对温度常数常数00TkTeRA MF12型型 NTC热敏电阻热敏电阻玻璃封装玻璃封装NTC热敏电阻热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 热敏电阻体温计热敏电阻体温计 电热水器电热水器 电桥设计在仪表内，而热电阻电桥设计在仪表内，而热电阻Rt安装在被测对象中，距仪表有一定的安装在被测对象中，距仪表有一定的距离。距离。DBAtRRRR 由于由于Rt温度温度T，故移动，故移动RD的电的电阻值不断平衡，可通过阻值不断平衡，可通过RD电阻刻度电阻刻度或温度刻度读取温度变化或温度刻度读取温度变化。二线制连接法（惠斯登电桥）二线制连接法（惠斯登电桥）工业上在测低温时通常采

12、用热电阻温度计，其测温范围工业上在测低温时通常采用热电阻温度计，其测温范围为为200500。用热电偶测量用热电偶测量500以下温度时，热电势小，测量精度以下温度时，热电势小，测量精度低；因此在高温段，一般采用热电偶测温方式。低；因此在高温段，一般采用热电偶测温方式。热电偶温度计热电偶温度计ABAB 1821年，德国物理学家赛贝克用年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏点），发现放在回路中的指针发生偏转。转。如果用两盏酒精灯对两个结点同时如果用两盏酒精灯对

13、两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小。加热，指针的偏转角反而减小。赛贝克实验赛贝克实验 将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称温度不同，回路中将产生电势，称为热电势。这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应。为热电效应或塞贝克效应。冷端冷端（自由端）（自由端）（参考端）（参考端）热端热端（工作端）（工作端）（测量端）（测量端）热电流热电流热电极热电极A/B塞贝克效应原理图塞贝克效应原理图 热电偶的热电势（赛贝克电势）热电偶的热电势（赛贝克电势）BAABABnneTTkTUTUE

14、ln)()()(2121k波尔兹曼常数e电子电荷nA、nB金属A、B的电子密度 指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入国家或行业标准文指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入国家或行业标准文件中的热电偶。特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度件中的热电偶。特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分方便。表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分方便。国际电工委员会国际电工委员会(IEC)在在1975年推荐年推荐7种标准化热电偶，在种标准化热电偶，在1986年又推年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶。荐了一种

15、。我国目前共采用八种标准热电偶。标准化热电偶标准化热电偶标准化热电偶：标准化热电偶：（1）铂铑）铂铑10-铂（铂（S）01600,长温最高长温最高1300，短温最高，短温最高1600；（2）铂铑）铂铑30-铂铑铂铑6（B）长温）长温1600，短温，短温1800；（3）铂铑）铂铑13-铂铂（R）0-1500；（4）镍铬）镍铬-镍硅镍硅(镍铬镍铬-镍铝镍铝)（K）2001300；（5）铜）铜-铜镍铜镍(康铜康铜)（T）300以下；以下；（6）镍铬）镍铬-康铜（康铜（E）200900；（7）铁）铁-康铜康铜（J）-2001200；（8）镍铬）镍铬-金铁热偶以及铜金铁热偶以及铜-金铁热偶。金铁热偶。辐

16、射温度计辐射温度计 通过被测物体在全波长或某一波段的辐射能量确定温度。非接触法测温：不破坏被侧物体的热平衡，对感温元件结构要求不高，可计量热容量小的物体，可计量高温，对动态温度响应较好，但精度低。1、任何物体温度高于绝对零度（任何物体温度高于绝对零度（-273.15C）时，都将有热辐射时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。2、辐射能以波动形式表现出来、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。3、温度测量中主要是可见光和红外光、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般

17、就称为热辐射。对于全辐射体，由维恩公式可得：1K273K）、铂钴电阻（4K292K，低温段比铂、铑铁稳定、准确，）光通量的空间密度，即点光源在给定方向上单位立体角发射的光通量。临界温度(CTR)热敏电阻符合朗伯光源(各个方向上的亮度均相等)的光照度的一般计算公式单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流明（lm）。比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计。热电偶、热电阻、温度计、高温计、辐射感温器、体温计、温度计检定装置、电子电位差计、电子平衡电桥、高温毫伏计、比率计、温度指示调节仪、温度变送器、温度自动控制仪、温度巡回检测仪、测温电桥、热量计、比热装置、热物性测

18、定装置、热流计、热象仪。绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为），辐射本领最大的波长与黑体绝对温度的乘积为一个常数储液泡、毛细管、刻度标尺94K）、铑铁电阻（低温0.发射率：在同一温度下一表面发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比例通过被测物体在全波长或某一波段的辐射能量确定温度。半导体电阻（正、负温度系数）（7）铁-康铜（J）-2001200；波长能量任何波段都有能量的分布，而呈不间断的连续分布波长强度在某些特殊的波段有能量分布的辐射现象产生，而呈有间断性的辐射谱线辐射谱线分布。一个低压的气体位于一高温连续光源前，某些特殊的波段有能量被吸收的现象产生，而呈有间断性的吸收谱线吸收谱线分布。波长

19、能量人眼可观测到的光谱类型n 亮度法亮度法：检测某一特定波长下的光谱辐射能量800-4000光学高温计、光电高温计、红外高温计 灯丝隐灭式光学温度计灯丝隐灭式光学温度计 光电亮度温度计：用光敏元件代替人眼，实现自动测量光电亮度温度计：用光敏元件代替人眼，实现自动测量。211lnTLLTTTCTT为待测物体亮度温度为温度为 时，波长 的单色发射率根据普朗克定律：根据普朗克定律：发射率：在同一温度下一表面发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比例水的冰点为32，水的沸点212，中间180等分(德国，华林海特，1714年)有些合金材料，如锰铜 0。陆末-布洛洪（Lummer-Brodhun）目视光度计参

20、考灯用来监视被测系统的稳定性，通过光电流计算1、光通量(luminous flux)（8）镍铬-金铁热偶以及铜-金铁热偶。参考灯用来监视被测系统的稳定性，通过光电流计算3 积分球(非单独设备)根据上述定义，应用维恩公式，可导出下列公式：辐射出度：光源表面单位面元的辐射通量绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为），辐射本领最大的波长与黑体绝对温度的乘积为一个常数（2）铂铑30-铂铑6（B）长温1600，短温1800；普朗克建立了f(,T)的具体数学表达式，即黑体辐射出度。辐射照度：被照表面单位面积上接收到的辐射通量。这个温度被称为“辐射温度”。亮度温度定义：当物体在辐射波长为 ，温度为T时，其

21、光谱辐射亮度 和全辐射体在辐射波长为 ，温度为 时的光谱辐射亮度 相等，则把 称为这个物体在波长为 时的亮度温度。物体和全辐射体的亮度公式，分别为：LsT0LsT亮度温度亮度温度215cTLc ce2150scTLccec比例常数 假如两者的亮度相等，就得到 211lnsTTc 物体温度物体温度 亮度温度亮度温度 优点：优点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。缺点：缺点：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。将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温灯泡灯丝亮度比较。利用调将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温

22、灯泡灯丝亮度比较。利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度温度与被测物体的亮度节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度温度与被测物体的亮度温度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。（亮度一样时）温度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。（亮度一样时）灯丝隐灭式光学温度计n 比色法比色法：被测对象的两个不同波长两个不同波长的光谱辐射能量交替或同时地投影到检出元件上，根据它们的比值与被测对象之间的温度关系实现测温。颜色温度计：通过两个光谱能量比的方法测量温度，也称为比色温度计。颜色温度计：通过两个光谱能量比的方法测量温度，也称为比色温度计。比色高温计是根据维恩偏移定律

23、工作的温度计。由维恩偏移定律可知，比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计。由维恩偏移定律可知，当温度变化时物体的辐射出射度向波长增加或减小的方向移动，使在波长当温度变化时物体的辐射出射度向波长增加或减小的方向移动，使在波长 下的光谱辐射亮度比发生变化，测量光谱辐射亮度比的变化即可测得相应下的光谱辐射亮度比发生变化，测量光谱辐射亮度比的变化即可测得相应的温度。对于全辐射体，由维恩公式可得：的温度。对于全辐射体，由维恩公式可得：12和1200122ln5ln)11(21ccTTcLLcT上式中的上式中的 是预先规定的值，只要知道在此二波长下的亮度比，就是预先规定的值，只要知道在此二波长下的亮度比

24、，就可求得被测全辐射体的温度可求得被测全辐射体的温度12和ccTcTeccL1215110ccTcTeccL2225210 当温度T的实际物体在两个波长下的光谱辐射亮度比值，与温度为 的全辐射体的上述两波长下的光谱辐射比值相等时，把称为实际物体的比色温度。根据上述定义，应用维恩公式，可导出下列公式：cT12212ln1111()cTTccT 式中：分别为实际物体在 时的光谱发射率。已知 ，就可由上式求得T。12、12和1212c/T、优点：准确度高（精度为0.5），反应速度快，测量范围宽（量程为8002000）12212ln1111()cTTc光路系统测量电路图n 全辐射法全辐射法：全波长范围

25、的辐射能量，受周围环境影响大，准确度全波长范围的辐射能量，受周围环境影响大，准确度不如前两种（前两种准确度高，但只能吸收部分波段能量不如前两种（前两种准确度高，但只能吸收部分波段能量）。）。基本原理：黑体全辐射定律。实际物体吸收能力小于基本原理：黑体全辐射定律。实际物体吸收能力小于绝对黑体，全辐射法测温低于实际温度。绝对黑体，全辐射法测温低于实际温度。41pTTT 被测物与仪表之间的距离要满被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：足距离系数要求：L/D（传感器前（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比）对象的有效直径之比）进行正确瞄准，使目标的

26、像充进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会产满接收器，不能偏离，否则也会产生误差。生误差。应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。这个温度被称为低于被测物体的实际温度。这个温度被称为“辐射温度辐射温度”。4441TPPTTTTT T和和Tp分别为物体的真实温度和辐射计指示温度；分别为物体的真实温度和辐射计指示温度；T为温度为温度T时物体全辐射时物体全辐射的发射率。因为非黑体的发射率

27、。因为非黑体T1，则，则TP3000，太阳炉温度计，太阳炉温度计超低温：氧的露点（超低温：氧的露点（90.188K）以下，磁性温度计（常磁性物质磁化率在）以下，磁性温度计（常磁性物质磁化率在低温时随温度变化很大）。低温时随温度变化很大）。常用计量方法常用计量方法接触法、非接触法接触法、非接触法辐射测温技术近30年取得的主要成果有：在测温范围方面，最高可达500万摄氏度，如地下核爆炸火球温度，最低可达-170摄氏度；灵敏度方面已达到0.0001K，工业仪表可达0.1K；反应时间方面最快可达微秒级；最小可测目标直径为 0.5mm。光是一种电磁波，波长介于微波与光是一种电磁波，波长介于微波与X射线之

28、间。射线之间。1nm 紫外线紫外线380nm可见光可见光 780nm红外线红外线 1mm光学计量：各光学分支中光学计量：各光学分支中有关计量知识的领域。有关计量知识的领域。-辐射度计量辐射度计量 -光度计量光度计量 -激光计量激光计量 -色度计量色度计量 -光材料的光参数计量光材料的光参数计量 -成像系统及光学元件的质成像系统及光学元件的质量评价等。量评价等。与辐射相关的量：与辐射相关的量：辐射能量辐射能量辐射功率（辐射通量）辐射功率（辐射通量）辐射度计量辐射度计量 与人眼相关的量：与人眼相关的量：光能量光能量光功率（光通量）光功率（光通量）光度计量光度计量 1、光通量、光通量(luminou

29、s flux)单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流辐射通量，单位流明明（lm）。或：光源发射并被人的眼睛接收的能）。或：光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（量之总和即为光通量（）。是一个属于把辐射通量与人眼的视觉特）。是一个属于把辐射通量与人眼的视觉特性联系起来评价的主观物理量性联系起来评价的主观物理量 流流明明：光强度为：光强度为1坎坎德拉德拉（cd）的均匀点光源，在）的均匀点光源，在1球面度（球面度（sr）立体）立体角内发射的光通量。角内发射的光通量。由于人眼对不同波长的光敏感性不同，所

30、以不同由于人眼对不同波长的光敏感性不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。如，当波长为如，当波长为55510-9米的绿光与波长为米的绿光与波长为65010-9米的米的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的10倍。为了测倍。为了测光的统一和准确，根据对许多正常人眼的研究，求出了各种光的统一和准确，根据对许多正常人眼的研究，求出了各种波长的平均相对光灵敏度。波长的平均相对光灵敏度。1942年，国际照明委员会（年，国际照明委员会（CIE）规定了国际统一的平均人眼规定了国际统一的平均人眼“光谱光效率光谱

31、光效率”或或“视见函视见函数数”。一立体角顶点位于球心，它在球面上所一立体角顶点位于球心，它在球面上所截取的面积等于以球半径截取的面积等于以球半径r r为边长的正方为边长的正方形面积，那么这个立体角就是形面积，那么这个立体角就是1 1球面度。球面度。2、光强度、光强度 光通量的空间密度，即点光源在给光通量的空间密度，即点光源在给定方向上单位立体角发射的光通量。定方向上单位立体角发射的光通量。3、光照度、光照度 光通量的面密度，即被照射物体表光通量的面密度，即被照射物体表面单位面积上的光通量面单位面积上的光通量 勒勒克斯克斯（lx）：）：1 lm的光通量均匀分布在的光通量均匀分布在1 m2表面所

32、产生的光照度。表面所产生的光照度。ddIdSdEcoscos2dAdddAdIL单位：尼特（nt）4、光亮度、光亮度 光亮度是表示发光面明亮程度的。光源表面的某一点面元在一光亮度是表示发光面明亮程度的。光源表面的某一点面元在一给定方向上的发光强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正射投给定方向上的发光强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正射投影面积之比。影面积之比。四四种种度度量量值值示示意意图图1.光探测器光探测器主观光探测器（人眼，对弱光敏感度高）、客观探测器主观光探测器（人眼，对弱光敏感度高）、客观探测器光电探测器光电探测器外光电效应：外光电效应：光子能量光子能量电子逸出电子逸出光电流光电

33、流（光电管、光电倍增器）（光电管、光电倍增器）光伏效应：光伏效应：P-N结吸收光子能量结吸收光子能量电子空穴对电子空穴对光电流光电流（光敏二极管、三极管）（光敏二极管、三极管）光电导效应：光电导效应：P-N结吸收光子能量结吸收光子能量释放更多载流子释放更多载流子电导率下降电导率下降（光电池）（光电池）与波长、光通量有关与波长、光通量有关热电探测器热电探测器 热电效应：热电效应：光能光能温度升高温度升高电阻或电容（测辐射热计）电阻或电容（测辐射热计）表面电荷（热释电探测器）电动势（热电偶、热电堆）表面电荷（热释电探测器）电动势（热电偶、热电堆）只与辐射通量有关，与波长无关，无选择性探测器只与辐射

34、通量有关，与波长无关，无选择性探测器光化学效应探测器光化学效应探测器 如照相底片如照相底片 气体压力式（氮气）、液体压力式（甲醇、水银等）、蒸汽压力式（苯、丙酮等低沸点液体）。水的冰点为32，水的沸点212，中间180等分(德国，华林海特，1714年)优点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为），辐射本领最大的波长与黑体绝对温度的乘积为一个常数3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为），辐射本领最

35、大的波长与黑体绝对温度的乘积为一个常数1、光通量(luminous flux)一个低压的气体位于一高温连续光源前，某些特殊的波段有能量被吸收的现象产生，而呈有间断性的吸收谱线分布。人眼可观测到的光谱类型（5）铜-铜镍(康铜)（T）300以下；单位时间内发出的，并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量，单位流明（lm）。测透射比：反射块的位置放相同的中性漫反射块,标准透射样品、待测样品,改变夹角使探测器输出相等一立体角顶点位于球心，它在球面上所截取的面积等于以球半径r为边长的正方形面积，那么这个立体角就是1球面度。非接触法测温：不破坏被侧物体的热平衡，对感温元件结构要求不高，可计量热容量小

36、的物体，可计量高温，对动态温度响应较好，但精度低。辐射吸收率：物体所吸收的辐射通量与入射到该物体上的同一波长的辐射通量的比值。2 光度导轨光度导轨(非单独设备非单独设备)精确轴向距离刻度和标尺的导轨，数个带距离精细刻度的滑动架或滑车精确轴向距离刻度和标尺的导轨，数个带距离精细刻度的滑动架或滑车 用平方反比定律（即用平方反比定律（即点源对微面元的照度与点源的发光强度成点源对微面元的照度与点源的发光强度成正比，与距离平方成反比正比，与距离平方成反比）连续、精确改变某平面处的光照度）连续、精确改变某平面处的光照度改变光源到光度计的距离，使进入光度计两改变光源到光度计的距离，使进入光度计两侧的光在视场

37、内平衡时，两半视场的中心界侧的光在视场内平衡时，两半视场的中心界线消失，则二者具有相同的光照度。线消失，则二者具有相同的光照度。陆末陆末-布洛洪（布洛洪（Lummer-Brodhun）目视光度计）目视光度计 2lIE 3 积分球积分球(非单独设备非单独设备)和光度导轨一样，积分球并非一个单独的测量设备，常常和光源、探测和光度导轨一样，积分球并非一个单独的测量设备，常常和光源、探测器装在一起，作为理想漫射光源和匀光器，广泛用于光辐射测量中器装在一起，作为理想漫射光源和匀光器，广泛用于光辐射测量中结构及原理：铝或塑料做成的内部空心球，结构及原理：铝或塑料做成的内部空心球，内壁涂抹漫射材料，球上开多

38、个孔（入射光内壁涂抹漫射材料，球上开多个孔（入射光孔或安装光源）。球内任一面元发出的辐射孔或安装光源）。球内任一面元发出的辐射通量，经过多次漫射，能使球内各点有相同通量，经过多次漫射，能使球内各点有相同的直射辐照度。的直射辐照度。优点：经积分球多次漫射，可使光能不均匀的测量光束均匀化，消除由探优点：经积分球多次漫射，可使光能不均匀的测量光束均匀化，消除由探测器接收表面响应的不均匀产生的测量误差。测器接收表面响应的不均匀产生的测量误差。4 单色仪单色仪 将宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，用作可调波将宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，用作可调波长的单色光源或分光器。长的单色光

39、源或分光器。利用色散元件（棱镜、光栅等）对不同的光具有不同色散角的原利用色散元件（棱镜、光栅等）对不同的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间展开，并由入射狭逢和出射狭逢的配合，理，将光辐射能的光谱在空间展开，并由入射狭逢和出射狭逢的配合，得到所要求的单色光谱。得到所要求的单色光谱。n棱镜单色仪棱镜单色仪n光栅单色仪光栅单色仪5 5 分光光度计分光光度计作用：测量材料光谱反射比或透射比作用：测量材料光谱反射比或透射比组成组成：（美国：（美国GE公司）公司）双单色仪、偏光系统、积分球、探测器双单色仪、偏光系统、积分球、探测器偏光系统将光束分成两路偏振方向相互垂直的偏振光偏光系统将光束分成

40、两路偏振方向相互垂直的偏振光成成正正比比，辐辐射射通通量量分分别别与与22cossin测反射比：一束光照射处放测反射比：一束光照射处放标准反射块标准反射块,另一束光照射处另一束光照射处放样品放样品,改变夹角使探测器输改变夹角使探测器输出相等出相等测透射比：反射块的位置放测透射比：反射块的位置放相同的中性漫反射块相同的中性漫反射块,标准透标准透射样品、待测样品射样品、待测样品,改变夹角改变夹角使探测器输出相等使探测器输出相等22cossins光强度计量光强度计量 比较法比较法在光度导轨上测量在光度导轨上测量n 等光照度法（主观法）等光照度法（主观法）使标准灯、待测灯在接收器表面产生的使标准灯、待

41、测灯在接收器表面产生的光照度光照度E相等相等，然后用距离平方，然后用距离平方反比定律进行计算反比定律进行计算 标标待待）（IllI2n等距离法（客观法）等距离法（客观法）使标准灯、待测灯和比较灯到光电接收器表面的距离都相等，且位于同一侧。使标准灯、待测灯和比较灯到光电接收器表面的距离都相等，且位于同一侧。参考灯用来监视被测系统的稳定性，通过光电流计算参考灯用来监视被测系统的稳定性，通过光电流计算 标标待待IiiI光照度计量光照度计量n 照度计照度计光辐射探测器光辐射探测器+指示指示/显示装置显示装置光辐射探测器放在待测平面，产生光电流光辐射探测器放在待测平面，产生光电流n 通过光强度和光亮度值

42、计算通过光强度和光亮度值计算 符合朗伯光源符合朗伯光源(各个方向上的亮度均相等各个方向上的亮度均相等)的光照度的一般计算公式的光照度的一般计算公式2dLA cosdEcosl光亮度计量光亮度计量 n亮度计亮度计 用一个光学系统把待测光源表面成像在放置光辐射探测器的平面上用一个光学系统把待测光源表面成像在放置光辐射探测器的平面上n 目视法目视法 以亮度比较作为基础。使被测亮度与比较亮度各自照亮光度计以亮度比较作为基础。使被测亮度与比较亮度各自照亮光度计的一半视场，调节减光盘开口，直到两半视场亮度相等的一半视场，调节减光盘开口，直到两半视场亮度相等光通量的计量光通量的计量 n 积分球法：替代、比较

43、计量积分球法：替代、比较计量 通过比较方式，在积分球内轮流点燃标准灯和被测通过比较方式，在积分球内轮流点燃标准灯和被测灯，由光电池接收器分别测出对应窗口的光照度。灯，由光电池接收器分别测出对应窗口的光照度。标标待待标标待待EEn 分布光度计法：分布光度计法：基本原理：基本原理：光强度光强度I、光照度、光照度E和光通量和光通量的定义的定义 多数光源的光分布轴向对称多数光源的光分布轴向对称分布光度计的结构：分布光度计的结构：光电池光电池接收器可沿圆弧滑动接收器可沿圆弧滑动 圆弧可以轴向转动圆弧可以轴向转动 测量全方位的光照度（测量照度测量全方位的光照度（测量照度E E的分布）的分布）2000220

44、02 rE I(,)sinddI()sind(,)sindd 辐射能：辐射能：辐射能是以辐射形式传播或接收的能量。当辐射能被其辐射能是以辐射形式传播或接收的能量。当辐射能被其它物质吸收时，可转变为热能、电能等其它形式的能量。它物质吸收时，可转变为热能、电能等其它形式的能量。辐射通量辐射通量：辐射功率。以辐射形式发射、传播或接收的功率。辐射功率。以辐射形式发射、传播或接收的功率。辐射强度：辐射强度：单位立体角度内光源发射出的辐射通量。如：灯泡作单位立体角度内光源发射出的辐射通量。如：灯泡作为点光源，描述给定方向的辐射强度为点光源，描述给定方向的辐射强度J ,eQ w,edteedQ w/sr,e

45、IdIeed 1.辐射度量及单位辐射度量及单位0001K，工业仪表可达0.三、常用温度计与温度计量方法应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。如：灯泡作为点光源，描述给定方向的辐射强度然后选择随温度呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。辐射出度：光源表面单位面元的辐射通量741810-12W.然后选择随温度呈线性或一定函数关系的物理参量作为温度指示的标志。通过光强度和光亮度值计算气体压力式（氮气）、液体压力式（甲醇、水银等）、蒸汽压力式（苯、丙酮等低沸点液体）。（2）铂铑30-铂铑6（B）长

46、温1600，短温1800；优点：准确度高（精度为0.物体和全辐射体的亮度公式，分别为：黑体总辐射出度与绝对温度的四次方成正比根据上述定义，应用维恩公式，可导出下列公式：辐射亮度：辐射亮度：光源在垂直其辐射传输方向上单位面积的立体角内发光源在垂直其辐射传输方向上单位面积的立体角内发射出的辐射通量射出的辐射通量2m w/sr,eLcosdcosd 2dAIdAdLeee 辐射出度：辐射出度：光源表面单位面元的辐射通量光源表面单位面元的辐射通量2 w/m,eMdAMede 辐射照度：辐射照度：被照表面单位面积上接收到的辐射通量。被照表面单位面积上接收到的辐射通量。2 w/m,eEdAEeed 辐射照

47、度：辐射照度：被照表面单位面积上接收到的辐射通量。被照表面单位面积上接收到的辐射通量。辐射出度、辐射强度、辐射亮度等都是源的辐射特性的度量。辐射出度、辐射强度、辐射亮度等都是源的辐射特性的度量。从技术实践角度需要有一个物体被照程度的物理量从技术实践角度需要有一个物体被照程度的物理量辐射照度辐射照度 辐射吸收率：辐射吸收率：物体所吸收的辐射通量与入物体所吸收的辐射通量与入射到该物体上的同一波长的辐射通量的比值。射到该物体上的同一波长的辐射通量的比值。eedd 2.黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律（光辐射计量的基本理论）（光辐射计量的基本理论）黑体：理想概念，吸收本领黑体：理想概念，吸收本领 基尔

48、霍夫定律基尔霍夫定律 物体发出的辐射（辐射出度）与吸收率物体发出的辐射（辐射出度）与吸收率a a的比值在同一波长和温度的比值在同一波长和温度下相同，而与物体材料和形状无关。下相同，而与物体材料和形状无关。吸收本领越大的物体，发射本领也大，不能发射某波长的辐射能吸收本领越大的物体，发射本领也大，不能发射某波长的辐射能，也不能吸收该波长的辐射能；反之亦然。，也不能吸收该波长的辐射能；反之亦然。),(TfMe1 普朗克定律普朗克定律黑体辐射理论的基础黑体辐射理论的基础普朗克建立了普朗克建立了f(,T)的具体数学表达式，的具体数学表达式，即即黑体辐射出度。黑体辐射出度。1)/exp(1),(2510T

49、ccTM40)(TTM bTm 斯忒藩斯忒藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律 全波长内普朗克公式积分全波长内普朗克公式积分。黑体总辐射出度与绝对温度的四次方成正比。黑体总辐射出度与绝对温度的四次方成正比 维恩位移定律维恩位移定律 绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为绝对黑体的辐射出度有一极大值（对应波长为），辐射本领最大的波），辐射本领最大的波长与黑体绝对温度的乘积为一个常数长与黑体绝对温度的乘积为一个常数c1，第一辐射常量，第一辐射常量，3.741810-12W.cm2c2，第二辐射常量，第二辐射常量，1.43810-12cm.K 最大辐射定律最大辐射定律 将峰值将峰值波长波长m 代入普朗克公式，代入普朗克公式，得到得到黑体黑体最大最大辐射出度辐射出度 最大辐射定律指出，黑体最大辐射出度与温度的五次方成正比式中：式中：谢谢观看！