第2章_温度检测与仪表.ppt

(一)光纤光栅结构与工作机理 结构特点：光纤光栅传感器所用光纤与普通通讯用光纤基本相同，一般由纤芯、包层、涂覆层和护套组成。光纤芯的主要成分为掺锗二氧化硅，用以提高纤芯的折射率，与包层形成全内反射条件将光限制在纤芯中。单模光纤其纤芯直径为9μm，包层主要成分也为掺锗二氧化硅，直径为125μm。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250μm，以增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。 光纤结构示意图 工作原理 图中输入光为宽光源，在光纤纤芯传播，将在每个光栅面处发生散射，当满足布拉格条件时，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后形成一个反射峰，反射光为窄带光信号，其中心波长lB(Bragg波长)随光纤芯的有效折射率n和光栅周期Λ变化而变化，即： lB = 2nΛ (二)光纤布拉格光栅传感原理与温度检测 光纤光栅的Bragg波长对温度变化ΔT和纵向应变ε很敏感，其关系为: 光纤布拉格光栅传感原理与温度检测 由上可知，光纤受外界应变和温度影响将通过弹光效应和热光效应影响n；通过光纤长度变化和热膨胀影响Λ，从而引起中心波长lB的改变。 光纤光栅传感器原理：利用光纤光栅有效折射率n和周期Λ的空间变化对外界参量(如温度、应变等)的敏感特性，将被测量的变化转化为Bragg波长的漂移，再通过检测该波长的移动来实现测量的。 三、集成电路温度传感器 集成温度传感器(温度IC)将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能的测温传感器。它采用PN结作为感温元件，利用的是晶体管结电压Ube随温度改变的原理。 AD590集成电路温度传感器就是典型的一种，以下以AD590为例进行讲解 。 AD590测温原理 AD590采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，两管的结电压差?Ube(T)为： AD590原理电路图 式中k—波尔茨曼常数； q—电子的电荷量； ?—V1与V2的发射极面积比例因子，是由结构决定的系数；电流I1与I2由恒流源提供。 AD590的测温电路 再通过转化电路，将温度变化转化为电流信号Io(温度灵敏系数为1μA/K)输出。测量时，将AD590接入电路中即可测量出温度，下图给出的为用测绝对温度T或摄氏温度t时的电路。 AD 590 4~30V Uo (0.001T) 910W 220W RL 1kW + - 20kW 4.7kW +6V AD 590 -6V Uo(=0.1t) 20kW 100kW Io-273 273mA Io - + Io - + (a) (a)测绝对温度；(b)测摄氏温度 (b) 第七节 工业特殊测温技术 一、高温金属熔体的温度测量 高温金属熔体温度测量分为两种方式，一种是连续测温，另一种是间断测量。在高温熔体中进行连续温度检测，由于熔体温度高，熔体运动的机械冲刷及侵蚀等作用，温度测量的可靠性就是对其保护管的耐腐蚀与抗热震性能能力的考验。 高温金属熔体的温度测量 金属 温度范围 方法 铝水 1000~1300℃ SiC保护管及Si3N4结合SiC保护管 铜液 1000~1300℃ MAC-6型金属陶瓷保护管 钢水 1500~1700℃ Mo-MgO系金属陶瓷管配用钨铼热电偶 (1)消耗式快速微型热电偶。 (2)消耗型光纤辐射温度计。 (3)非接触式光纤温度计。 二、高温烟气温度测量 当测温元件周围有低温吸热面时，导致测温元件对冷壁面辐射热较大，使得温度计示值低于实际气体温度，造成以辐射为主的测温误差。 加遮热罩 抽气式热电偶 三、真空炉温度测量 对于真空状态下的高温检测，必须保证测温元件安装不应破坏真空炉的密封，一般采用实体化结构及密封性极强的连接方式，即保护管折断也不会破坏体系真空度。 在真空环境下，1100℃以下，选用K型或N型热电偶；炉温高于1100℃，可选用S型或R型；B型或钨铼系热电偶使用温度为1500℃以上。在烧结WC等硬质合金时，最好使用刚玉保护管。 本章结束 谢 谢! * 。 (三)斯忒潘—玻耳兹曼定律 单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能量称为辐射力(emissive power)，其单位为W／m2。斯忒潘—玻耳兹曼定律建立了物体总的辐射力E与热力学温度T间的定量关系，即： E=seT4 式中 s— 斯忒藩-玻尔兹曼常数，即黑体辐射常数，其值为5.6697×10-8W?m-2?K-4 。 辐射测温原理及有关问题 由上面有关公式可知，在一定波长下，测量物体的辐射强度，可推算出其温度，这就是辐射温度