第四章温度测量方法

1、架好相机 2、连接相机 3、设定测量系数
2.2 辐射吸收法
4、显影
2.2 辐射吸收法
5、对焦 6、采集 （F5）
2.3 色温法
谱线反转法
辐射计法
辐射吸收法
色温法 常用双色温法，也称为双色法
普朗克定律：
I ( , T ) C15 exp(C2 / T )
两个不同波长的亮度之比
频率为Vp的泵浦束和频率为Vs的探测束借助 几何匹配技术被“混合”。激光通过三阶非线性 极化率同介质相互作用，产生震荡偏振，并发出 CARS信号，其频率为泵浦频率与拉曼频移之和。
CARS测量原理
泵浦光束：固定频率的激光器的光束
聚焦于采样区，两频率之差等于采样区 内某种气体成分的拉曼频移。两束光与
相对温度法
自发拉曼散射（LRS）
光散射
相干反斯克托斯拉曼光谱（CARS） 激光诱导荧光（LIF）
测量方法
接触式测温
优点
直观、可靠
缺点
存在负载效应
受到测量条件的限制，
不能充分接触，使检测 元件温度与被测对象温 度不一致。 热量传递需要一定时 间造成测温滞后现象。 （动态误差）
非接触式测温
检测部分与被测对象不 直接接触，不破坏原有 温度场。通常用来测量 1000℃以上的移动、旋 转、或反应迅速的高温 物体。
补偿导线
回路总热电势为 E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)
EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)
补偿导线
E=EAB(T,T0)
2. 冰点法
精度高 多用于实验室
3. 校正仪表机械零点法
当热电偶与动圈仪表配套使用时，如果冷端相对恒 定，测量精度要求不高，可将仪表的机械零点调到热
光路复杂，设备昂贵
1.2 热电偶结构及测温原理
热电偶的结构
接线盒
引出线套管
固定螺纹
不锈钢保护管
1）普通装配型热电偶
2）铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长达上百米
绝缘 材料
A
B
薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
法兰
3）小惯性热电偶
特点：
响应快，时间常
数小，可作温度
变化的动态测量。
•Phase matching 2: Beam patterns:
Fig.5.Collinear CARS
Box-CARS
BoxCARS
CARS测量密度原理
当相位完全匹配时，CARS信号的功率与激光器和分子数密度成非线性关系：
4 2 v3 2 2 ( 3) 2 2 P3 ( 2 ) P z 1 P 2 x c
常数 入射激 光功率
微分散射 立体角 分子的 横截面
与温度有关的
修正因子，由 谱线分布和谱
数密度
分辨率决定
为求温度，有两种方法：
•应用斯托克斯和反斯托克斯谱线强度比，仅用于温度 800K以上的测量；
•谱线拟合法。
T I F ( , T ) T r r F ( , Tr ) I
Tr：参考温度 Ir： 斯托克斯拉曼谱线积分强度
1
2
无需标定，只要知道两个透过率即 可以求得两条谱线的相对强度
lg
I 1 I 2
lg r lg k
第四章 光散射测温法 4.1 激光拉曼光谱基本原理
Rayleigh散射： 弹性碰撞；无能 量交换，仅改变 方向； Raman散射： 非弹性碰撞；方 向改变且有能量 交换；
激发虚态
E1 + h0 h0 E0 + h0 h0 h 0 V=1 V=0
Rayleigh散射
h(0 - )
H（0 + ）
E1 E0
Raman散射 h
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态.
4.1 激光拉曼光谱基本原理
Raman 散射的两种跃迁 E1 + h0 E2 + h0 能量差： E=h(0 - ) h(0 - ) 产生stokes线；强；基 态分子多； E1 V=1 E0 V=0 E=h(0 + ) 产生反stokes线；弱； STOKES Raman位移： Raman 散射光与入射光 频率差； 0 -
热电偶工作原理演示实验
热电极A
左端称为：工 作端、热端
热电极B
A
右端称为： 参考端、 冷端
B
结点产生热电势的微观解释：
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密
度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。 自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电
子带正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势eAB 。
斯托克斯光束：可调频率激光器的光束
气体的相互作用会产生一相干的反斯托
克斯拉曼光束。
Fig.2.CARS energy level diagram, showing how multiple laser beams (2 pumps and 1 Stokes) can generate fourth CARS beam.
相对强度测温法是基于若干谱线和谱带的相对辐射进行测
量，由此可确定分子内部能级的总体分布以及相应的转动、 振动或电子温度。

A g E E 2 1 2 1 exp( 1 ) A2 1 g 2 kT
E1 E 2 A1 g1 2 2 1 T (ln ) k A2 g 2 1 1
A
＋
nA nB
T
B
eAB（ T ）
自由 电子
电场
A
扩散
扩散
EAB(T )
B
热电偶工作原理 : 热电偶两结点所产生的总的
热电势等于热端接触电势与冷端接触电势之差： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）
1.3 热电偶的种类
名称
铂铑10-铂 铂 铑 30- 铂 铑6 铂铑13-铂
4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS）
激光拉曼光谱仪实验设备： 激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm； Ar激光器： 波长514.5nm， 488.0nm； 散射强度1/4 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器；
4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS）
火焰的发射率ε取决于辐射 体的材料性质、表面状况、 温度、波长等因素，测量精 度受到很大的影响。
辐射计法
辐射吸收法
色温法
根据热辐射理论，任何物体均在不断地向外界 发射电磁波，其辐射强度与波长和温度有关。
I ( , T ) C15 exp(C2 / T )
FLIR红外热成像仪
2.2 辐射吸收法
Fig.8.The pump and Stokes beams are mixed in a phase matching arrangement, such as the BoxCARS configuration shown here.
Collinear CARS in nondispersive media
Pi：频率vi下的激光功率 z ：介质中亮光相交区在光轴方向上的长度 x（3）：气体介质的三阶非线性极化率（或称磁化率）
x(3) xr xnr
共振部分，取决于光束的频率，代表了 被研究组分的拉曼激发跃迁，通过玻耳 兹曼分布之差可提取温度信息。
非共振部分，基本是常数，与激光频率无关
xr是分子数量密度和振-转能级间粒子束
温度测量方法
目
1 2
录
热电偶测温 辐射计法测温
3
4 5
分光辐射计法
光散射测温法 TDLAS
第一章 1.1 测温方法的分类
接触式测温
热电偶测温
膨胀式温度计 热电偶测温 热电阻测温
光纤传感器测温
声学测温法 谱线反转法
温度测量
辐射计法
辐射吸收法
色温法 绝对温度法
非接触式测温
分光辐射计法
光学 发射 和吸 收
P1
P2
调节外光路使入射激光束垂 直地通过样品池的中心
4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS）
LRS－II型激光拉曼/荧光光谱仪
4.3 相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）
当几束激光按一定的角度要求在燃烧场中聚焦时，在聚 焦区域会产生一束类似于弱激光的CARS信号。一般用2束 频率相同的泵浦激光和一束频率在泵浦光的斯托克斯光 位置的激光——三波混频。
h0
h(0 + )
h
ANTI-STOKES
Rayleigh
0
0 +
Raman散射的产生：光电场E 中，分子产生诱导偶极矩 = E， 分子极化率；
4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS）
散射组分在特定振动-转动能级状态下的拉曼谱线强度为：
I (v, J ) Cg I 0 (d / d)v,J n(v, J )F (, T )
激光拉曼光谱仪光路调节：
M1
调节反射镜M1使反射 光束与入射光束重合
L2 反复调节聚光镜L2的位置，使 样品中激光束通过聚光镜L2清 晰地成像于单色仪入射狭缝上
M2 调节M2使通过M2反射成 像与直接成像二者重合
S
L1 laser
S1 调节样品架的位置，使 激光束处于样品正中央
调节汇聚透镜L1的位置，使聚焦激 光束的腰部正好处于样品池的中心
色温：光源发射光的颜 色与黑体在某一温度下 辐射光色相同时，黑体 的温度称为该光源的色 温。（色温高温计：维 恩位移定律） 亮温：物体的辐射能量 用同辐射量的黑体温度 表示。（亮温高温计： 普朗克辐射定律）小于 真实温度。 辐射高温计：StefanBoltzman辐射定律。
2.2 辐射吸收法
谱线反转法
T0 > TF
T0 = TF
谱镜上是暗线光谱
调整T0 ，使得观察到的光 谱线由亮变暗或者由暗变 亮，找到“隐没(消失)点”
常在火焰中加入钠盐~纳线隐现法
T0 < TF
谱镜上是亮线光谱

亮温高温计：依据普朗克辐射定律
亮温：在火焰处与光源在该处有相同辐射（亮度） 的黑体温度。 有效黄色亮温、红色亮温、黄色亮温、真实温度
V EAB (TN , T0 )
EAB (T , TN ) V EAB (T , T0 )
第二章
2.1 谱线隐现（反转）法 辐射计法
辐射计法测温
需要反复调节参考光源的 亮度温度，因此不适应瞬 态火焰温度的测量。
谱线反转法
辐射吸收法
色温法
参考（背景）光源（钨带灯） 的亮度温度为T0，火焰温度为TF
布居之差的函数，通过光谱轮廓进行拟
合可得到温度场信息；对光谱强度进行 分析可得到密度信息。
CARS测量温度原理
常用的测温介质组分是简单的双原子气体，特别是N2和H2。N2是空气参加燃 烧的系统中的一种主要成分，它的谱线常数是已知的，物理模型也很好建 立，易于计算；它又有易于被CARS诊断的Q支，故常被选作测温的成分。

色温高温计：依据维恩位移定律
色温：当实际光源的光谱成分与黑体在某一温度时 的成分一致或接近（颜色相同）时的黑体温度。

辐射高温计：依据斯蒂芬-波尔兹曼辐射定律
着眼点：辐射总能量相同时的黑体温度。
λmT＝b——维恩位移定律， 常量b＝2.8978×10-3米· 开称 为维恩位移常数。仅在短波段 与实验结果相符。
分度 号
S B R
名称
铜-康铜 镍铬-康 铜 铁-康铜
分 度 号
T E J
源自文库
名称
镍铬-镍硅
分度 号
K
K热电偶的 分度表
直接从热电偶 的分度表查温 度与热电势的 关系时的约束 条件是：冷端 温度必须为 0 C 。
1.4 热电偶冷端温度的补偿方法 1. 补偿导线法

原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的 热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导 线为补偿导线。
色温法在内燃机中的应用
第三章 3.1 绝对温度法
分光辐射计法
绝对温度法：仅对单一的谱线或谱带进行绝对辐射量测量。 采用该法的前提是被测火焰处于热平衡状态，无自吸收作用； 需知道各原子常数，计算粒子密度； 保证测温时所用的乳剂种类、显影条件与标定时完全一样。
在实际应用中是比较难实现的。
3.2 相对温度法
I1 12 exp( C2 / 1T ) I 2 2 15 exp( C2 / 2T )
5
优点：无需参考光源，从而有利于简化实用中的光路布置。 缺点：测量的精度取决于假定的 (,TF ) 表达式的准确度。
2.3 色温法
多用三色法：红、蓝、
绿，利用CCD图像处理
技术重建温度场
电偶冷端温度Tn，这就相当于在输入电势之前，就有
一个补偿电势EAB(Tn， 0 ℃)，则有：
EAB (T , TN ) EAB (TN ,0) EAB (T ,0)
4.补偿电桥法
利用电桥不平衡原 理，桥臂热电阻随 温度变化，产生补 偿电压V
EAB (T , TN ) EAB (T , T0 ) EAB (TN , T0 )