温度测量方法分类及优缺点概述

温度测量方法分类及优缺点概述

摘要：温度是表征物体冷热程度的物理量, 是国际单位制中七个基本物理

量之一, 它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高, 温度测量技术也得到了不断的发展。本文将讨论总结温度测量的各种方式，并分析他们各自的优缺点。

1.温度测量的分类

温度测量的分类可以通过其与被测量的物体是否接触分为接触式和非接触式。接触式测量仪表比较简单、可靠，测量精度高。但是因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，所以其需要一定的时间才能达到热平衡。接触式测量仪存在测温延迟现象，同时受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于这些极端的温度测量。非接触式仪表测温仪是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。

2.接触式测量方法

2.1膨胀式温度测量

原理：利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。热胀冷缩式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。

优点：结构简单, 价格低廉, 可直接读数,使用方便,非电量测量方式, 适用于防爆场合。

缺点：准确度比较低, 不易实现自动化, 而且容易损坏。

2.2电量式测温方法

利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。

1.热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时, 就会产生热电势, 根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。热电偶具有结构简单, 响应快, 适宜远距离测量和自动控制的特点, 应用比较广泛。

2.热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的, 输出信号大, 准确度比较高, 稳定性好, 但元件结构一般比较大, 动态响应较差, 不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

3.热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件, 具有灵敏度高、价格便宜的特点, 但其电阻值和温度的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。

4.石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量温度的。石英晶体温度传感器稳定性很好, 可用于高精度和高分辨力的测量场合。随着电子技术的发展, 可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上, 构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片, 输出信号可以是电压、频率, 或者是总线数字信号, 使用非常方便,适用于便携式设备。

2.3接触式光电、热色测温方法

原理：接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象,将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出, 通过光电转换器件检测该信号, 从而获得测温结果的方法。

优点：这种方法不像电量式测量方法容易受到电磁的干扰,可以在电磁环境下进行温度测量; 可以避免像非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。

缺点：会干扰被测对象的温度, 带来接触式测温方法引起的一些误差。

光纤式温度测量技术近年来发展迅速, 根据光纤所起的作用, 可分为两类: 一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能测量温度, 属于功能型传感器; 另一类, 光纤仅仅起到传输光信号的作用, 必须在光纤端面配合其他敏感元件才能实现测量, 称为传输型传感器。基于不同的原理, 有很多种光纤温度传感器, 适用于不同的测温场合。

热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的, 示温漆和示温液晶都属于热色测温。示温漆可以测量运动物体或其他复杂条件表面的温度分布, 使用简单方便, 缺点是影响判别温度结果的因素比较多, 如涂层厚度、判读方法、样板和示温颗粒大小等, 目前主要还是靠人工判读。示温液晶的主要成分是胆甾醇类, 这类液晶在一定的温度范围内, 其颜色随温度灵敏地变化, 改变液晶的成分, 可以灵活调整其测温量程和测温灵敏度。

3.非接触式测温方法原理及特点

3.1 辐射式测温方法

原理：是以热辐射定律为基础，它可分为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。全辐射高温计结构相对简单, 但受被测对象发射率和中间介质影响比较大,测温偏差较大, 不适合用于测量低发射率目标。亮度温度计灵敏度比较高, 受被测对象发射率和中间介质影响相对较小, 测量的亮度温度与真实温度偏差较小, 但也不适用于测量低发射率物体的温度, 并且测量时要避开中间介质的吸收带。比色测温法测量结果最接近真实温度, 并且适用于低发射率物体的温度测量, 但结构比较复杂, 价格较贵。红外测温仪具有如下优点: ①可以采用伪彩色直观显示物体表面的温度场;②温度分辨力高, 能准确区分的温度差甚至达0.01℃以下。

3.2 光谱测温方法

光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。当单色光线照射透明物体时, 会发生光的散射现象, 散射光包括弹性散射和非弹性散射, 弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。相比而言, 拉曼散射光谱测温技术的实用性更好, 常用拉曼散射光谱来测量温度。由于自发拉曼散射的信号微弱且非相干, 对于许多具有光亮背景和荧光干扰的实际体系, 它的应用受到一定的限制。而受激拉曼散射能大幅度提高测量的信噪比, 更具有实用性。如相干反斯托克斯拉曼散射(CARS) 测温方法, 可使收集到的有效散射光信号强度比自发拉曼散射提高好几个数量级, 同时还具有方向性强、抗噪声、荧光性好、脉冲效率高和所需脉冲输入能量小等优点, 适合于含有高浓度颗粒的两相流场非清洁火焰的温度诊断。但是, CARS法的整套测量装置价格十分昂贵, 其信号的处理相当复杂, 限制了其广泛使用。

受激荧光光谱法是指在入射光的激励下, 分子发出的荧光光谱在若干个波长上有较强的尖峰, 这些特征波长的强度是温度的函数。通过测量其特征波长下