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1、第九章 熱電式傳感器,熱電偶溫度傳感器 熱敏電阻溫度傳感器 IC溫度傳感器,通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢(shì)；理解熱電效應(yīng)定義，掌握熱電偶三定律及相關(guān)計(jì)算，熱電偶冷端補(bǔ)償原因及補(bǔ)償方法；掌握熱敏電阻不同類型的特點(diǎn)、特性曲線及應(yīng)用場(chǎng)合；,學(xué)習(xí)要點(diǎn),第一節(jié) 概 論,溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。,溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量。 在2000多年前，就開始為檢測(cè)溫度進(jìn)行了各種努力， 并開始使用溫度傳感器檢測(cè)溫度。 人類社會(huì)中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。

2、 工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化流程，溫度測(cè)量點(diǎn)要占全部測(cè)量點(diǎn)的一半左右。,溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。,因此，人類離不開溫度，當(dāng)然也離不開溫度傳感器。,一、溫度的基本概念,熱平衡：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。 分子物理學(xué)：溫度反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。 能量：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量。 溫標(biāo)：表示溫度大小的尺度是溫度的標(biāo)尺。,熱力學(xué)溫標(biāo)thermodynamic temperature scale 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)International practical temperature scale 攝氏溫標(biāo) Celsius temperature scale 華

3、氏溫標(biāo)Fahrenheit temperature scale,如果在式中再規(guī)定一個(gè)條件,就可以通過卡諾循環(huán)中的傳熱量來完全地確定溫標(biāo)。1954年，國(guó)際計(jì)量會(huì)議選定水的三相點(diǎn)為273.16，并以它的1/273.16定為一度，這樣熱力學(xué)溫標(biāo)就完全確定了，即T=273.16(Q1/Q2)。,1848年威廉湯姆首先提出:以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，建立溫度僅與熱量有關(guān)，而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)，又稱開爾文溫標(biāo)(scale of Kelvin)，用符號(hào)K表示。它是國(guó)際基本單位制之一 。 根據(jù)熱力學(xué)中的卡諾定理，如果在溫度T1的熱源與溫度為T2的冷源之間實(shí)現(xiàn)了卡諾循環(huán)，則存在下列關(guān)系式,1．熱力學(xué)溫標(biāo)the

4、rmodynamic temperature scale,Q1——熱源給予熱機(jī)的傳熱量 Q2——熱機(jī)傳給冷源的傳熱量,為解決國(guó)際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的同意及實(shí)用問題，國(guó)際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即能保證一定的準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)，即國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) (簡(jiǎn)稱IPTS-68)，又稱國(guó)際溫標(biāo)。,2．國(guó)際實(shí)用溫標(biāo),注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1℃。T0是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融化溫度， T0 = 273.15 K。水的三相點(diǎn)溫度比冰點(diǎn)高出0.01 K。,1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定熱力學(xué)溫度是基本溫度，用t表示，其單位是開爾文，符號(hào)為K。1K定義為水三相點(diǎn)熱

5、力學(xué)溫度的1/273.16，水的三相點(diǎn)是指純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項(xiàng)平衡時(shí)的溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定三相點(diǎn)溫度為273.16 K，這是建立溫標(biāo)的惟一基準(zhǔn)點(diǎn)。,International Practical Temperature Scale,四個(gè)溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器 ①低溫鉑電阻溫度計(jì)（13.81K—273.15K）； ②鉑電阻溫度計(jì)（273.15K—903.89K）； ③鉑銠-鉑熱電偶溫度計(jì)（903.89K—1337.58K）； ④光測(cè)溫度計(jì)（1337.58K以上）。 國(guó)際實(shí)用開爾文溫度與國(guó)際實(shí)用攝氏溫度分別用符號(hào)T68和t68來區(qū)別（一般簡(jiǎn)寫為T與t）。,3．?dāng)z氏溫標(biāo)Cels

6、ius temperature scale,是工程上最通用的溫度標(biāo)尺。攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)中間劃分一百個(gè)等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，℃)，一般用小寫字母t表示。與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開爾文并用。 攝氏溫標(biāo)與國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系：,4．華氏溫標(biāo)Fahrenheit temperature scale,目前使用較少，規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點(diǎn)為32華氏度，水的沸點(diǎn)為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，符號(hào)℉，與攝氏溫度的關(guān)系：,T=t+273.15 K,t=T-273.15 ℃,m=1.8n+32 ℉,n= 5/9 (m-

7、32) ℃,二、溫度傳感器的特點(diǎn)與分類,隨物體的熱膨脹相對(duì)變化而引起的體積變化； 蒸氣壓的溫度變化； 電極的溫度變化 熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)； 光電效應(yīng) 熱電效應(yīng) 介電常數(shù)、導(dǎo)磁率的溫度變化； 物質(zhì)的變色、融解； 強(qiáng)性振動(dòng)溫度變化； 熱放射； 熱噪聲。,1 溫度傳感器的物理原理(11),特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢 測(cè)和處理，且隨溫度呈線性變化； 除溫度以外，特性對(duì)其它物理量的靈敏度要低； 特性隨時(shí)間變化要??； 重復(fù)性好，沒有滯后和老化； 靈敏度高，堅(jiān)固耐用，體積小，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的影響要??； 機(jī)械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好； 能大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜； 無危險(xiǎn)性，無公害等。,2.溫度傳感器

8、應(yīng)滿足的條件,3. 溫度傳感器的種類及特點(diǎn),接觸式溫度傳感器 非接觸式溫度傳感器,接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。,非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)；連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。,物理現(xiàn)象,體積熱膨脹,,電阻變化,,溫差電現(xiàn)象,導(dǎo)磁率變化,電容變化,壓電

9、效應(yīng),超聲波傳播速度變化,物質(zhì) 顏色,P–N結(jié)電動(dòng)勢(shì),晶體管特性變化,可控硅動(dòng)作特性變化,,熱、光輻射,種類,鉑測(cè)溫電阻、熱敏電阻,熱電偶,BaSrTiO3陶瓷,石英晶體振動(dòng)器,超聲波溫度計(jì),示溫涂料 液晶,半導(dǎo)體二極管,晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器,可控硅,輻射溫度傳感器 光學(xué)高溫計(jì),1.氣體溫度計(jì) 2. 玻璃制水銀溫度計(jì) 3.玻璃制有機(jī)液體溫度計(jì) 4.雙金屬溫度計(jì) 5.液體壓力溫度計(jì) 6. 氣體壓力溫度計(jì),1． 熱鐵氧體 2． Fe-Ni-Cu合金,,,,,,,,,,,,,溫度傳感器分類(1),溫度傳感器分類(2),溫度傳感器分類(3),此外，還有微波測(cè)溫溫度傳感器、噪聲測(cè)溫

10、溫度傳感器、溫度圖測(cè)溫溫度傳感器、熱流計(jì)、射流測(cè)溫計(jì)、核磁共振測(cè)溫計(jì)、穆斯保爾效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、約瑟夫遜效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測(cè)溫計(jì)、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應(yīng)用，有的尚在研制中。,公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計(jì)。一百年后，研制成酒精溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動(dòng)式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導(dǎo)體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術(shù)的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。,三、溫度傳感器的發(fā)展概況,接觸式溫度傳感器 非接觸式溫度傳感器,1．常用熱電阻 范圍：-260～＋850℃；精度：0.0

11、01℃。改進(jìn)后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。 2．管纜熱電阻 測(cè)溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級(jí)。,（－）接觸式溫度傳感器,3．陶瓷熱電阻 測(cè)量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級(jí)。 4．超低溫?zé)犭娮?兩種碳電阻，可分別測(cè)量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。 5．熱敏電阻器 適于在高靈敏度的微小溫度測(cè)量場(chǎng)合使用。經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格便宜。,l．輻射高溫計(jì) 用來測(cè)量 1000℃以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)和光電高溫計(jì)。 2．光譜高溫計(jì) 前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動(dòng)測(cè)溫通用光譜高溫計(jì),

12、其測(cè)量范圍為400～6000℃,是采用電子化自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。,（二）非接觸式溫度傳感器,3．超聲波溫度傳感器 特點(diǎn)是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強(qiáng)。目前國(guó)外有可測(cè)到5000℉的產(chǎn)品。 4．激光溫度傳感器 適用于遠(yuǎn)程和特殊環(huán)境下的溫度測(cè)量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計(jì)可測(cè)很高的溫度，精度為1％。美國(guó)麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計(jì)，最高溫度可達(dá)8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光溫度傳感器可測(cè)幾千開(K)的高溫。,1．超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和–250℃以下的溫度傳感器。 2．提高溫度傳感器的

13、精度和可靠性。 3．研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要的價(jià)廉的溫度傳感器。 4．發(fā)展新型產(chǎn)品，擴(kuò)展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測(cè)溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。 5．發(fā)展適應(yīng)特殊測(cè)溫要求的溫度傳感器。 6．發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動(dòng)化的溫度傳感器。,（三）溫度傳感器的主要發(fā)展方向,溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可

14、用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。,第二節(jié) 熱電偶溫度傳感器,★熱電偶的工作原理 ★熱電偶回路的性質(zhì) ★熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu) ★冷端處理及補(bǔ)償 ★熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn),兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。,一、工作原理,回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)thermo-electric force由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。,熱端,冷端,1. 接觸電勢(shì),,,,+,A,B,T

15、,eAB(T),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,-,eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T 時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)； e——單位電荷， e =1.610-19C； k——波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ； nA、nB ——導(dǎo)體A、B在溫度為T 時(shí)的電子密度。,接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。,接觸電勢(shì)原理圖,,,,,,A,eA(T,To),,To,T,eA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)； T，T0——高低端的絕對(duì)溫度； σA——湯姆遜系數(shù)，

16、表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ =2μV/℃。,,,,,2. 溫差電勢(shì),溫差電勢(shì)原理圖,由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,,,,,,,,,,,3. 回路總電勢(shì),結(jié)論(4點(diǎn))：,EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C= (T ),由于nA、nB是溫度的單值函數(shù),在工程應(yīng)用中，常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得：,EAB(T

17、, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T0)-EAB(0)] = EAB(T，0)-EAB(T0，0),熱電偶的熱電勢(shì)，等于兩端溫度分別為T 和零度以及T0和零度的熱電勢(shì)之差。,導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。,只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。,熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無關(guān)。,只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱

18、電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點(diǎn)溫度分別為T1、T2 、 …、Tn ，冷端溫度為零度的熱電勢(shì)。其熱電勢(shì)為 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+…+ENA（Tn）,由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。,二、熱電偶回路的性質(zhì),1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律,E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0,三種不同導(dǎo)體組成的熱

19、電偶回路,2. 中間導(dǎo)體定律,一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零。,如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則,兩點(diǎn)結(jié)論： l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點(diǎn)2與C、A的接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢(shì)不變，即 同理，圖b中C、A接點(diǎn)2與C、B的接點(diǎn)3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢(shì)也為：,T2,T1,A a,B,C,2,3,EAB,A,T0,2,3,A,B,EAB,T1,T2,C,T0,EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,(a),(b),T

20、0,T0,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,第三種材料接入熱電偶回路圖,E,,,,,,,,,,,,T0,T0,T,,,,,,,,,,,,,,,E,T0,T1,T1,T,電位計(jì)接入 熱電偶回路,根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來的熱電勢(shì)，接入的方式見下圖所示。,,,,3. 中間溫度定律,如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T1、T2(如圖所示)時(shí),則其熱電勢(shì)為EAB(T1, T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T2, T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB

21、(T1, T3)，則,B,B,A,T2,T1,T3,A,A,B,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）,,A,B,T1,,,,,,,,,,,T2,T2,A’,B’,T0,T0,,,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖,,E,對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0℃時(shí)，則：,只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點(diǎn)溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢(shì)。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。,EAB=EAB(T1)–EA

22、B(T0),說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng)EAA?(T2)=EBB?(T2)時(shí)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為,,熱電偶材料應(yīng)滿足： 物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時(shí)間改變； 化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測(cè)量時(shí)不被腐蝕； 熱電勢(shì)高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??； 便于制造； 復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。,三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu),1．鉑—鉑銠熱電偶(S型) 分度號(hào)LB—3 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期：1300℃、短期：1600℃。,（一）熱電偶常用材料,2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型) 分度號(hào)EU—2 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期1000℃，短期1300

23、℃。,3．鎳鉻—考銅熱電偶(E型) 分度號(hào)EA—2 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期600℃，短期800℃。,4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型) 分度號(hào)LL—2 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到1600℃，短期可達(dá)1800℃。,幾種持殊用途的熱電偶 （1）銥和銥合金熱電偶 如銥50銠—銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測(cè)量高達(dá)2100℃的高溫。 （2）鎢錸熱電偶 可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。 （3）金鐵—鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測(cè)量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。 （4）鈀—鉑銥15熱電偶 輸出性能高，在1398℃時(shí)的熱電勢(shì)為47.255mV。,（6

24、）銅—康銅熱電偶，分度號(hào)MK 熱電勢(shì)略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，廣泛用于20K～473K的低溫實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中。,（5）鐵—康銅熱電偶，分度號(hào)TK 靈敏度高，線性度好，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。,（二）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 1．工業(yè)用熱電偶 2．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶） 3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶 4．快速消耗微型熱電偶,方法 冰點(diǎn)槽法 計(jì)算修正法 補(bǔ)正系數(shù)法 零點(diǎn)遷移法 冷端補(bǔ)償器法 軟件處理法,四、冷端處理及補(bǔ)償,原因 熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定； 熱電偶分度表

25、給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。,1. 冰點(diǎn)槽法 把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,mV,,,,A,B,A’,B’,T,C,C’,儀表,銅導(dǎo)線,試管,補(bǔ)償導(dǎo)線,熱電偶,冰點(diǎn)槽,冰水溶液,,,,,,,四、冷端處理及補(bǔ)償,T0,,,2. 計(jì)算修正法 用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算 例 用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，T

26、H)=1.979mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.979+0.84 =2.819(mV) 再次查分度表，與2.819mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=69℃。,注意:既不能只按1.979mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),3. 補(bǔ)正系數(shù)法 把參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。用公式表達(dá)即

27、 式中：T——為未知的被測(cè)溫度； T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度； TH——室溫； k——為補(bǔ)正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。 例 用鉑銠10－鉑熱電偶測(cè)溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對(duì)應(yīng)于1150℃的補(bǔ)正系數(shù)k=0.53。于是，被測(cè)溫度 T=1150+0.5335=1168.3（℃） 用這種辦法稍稍簡(jiǎn)單一些，比計(jì)算修正法誤差可能大一點(diǎn)，但誤差不大于0.14％。,T＝ T′＋ k T H,例 用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫T

28、H的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。,4. 零點(diǎn)遷移法,應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場(chǎng)所）。,實(shí)質(zhì)：在測(cè)量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì)EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點(diǎn)的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。,5. 冷端補(bǔ)償器法 利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值

29、。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。 設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時(shí)Uab=0 ,電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。,冷端補(bǔ)償器的作用,注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。,,,,,,,,,,,,,,,mV,,,,,,,,,,,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,,,,,U,,,,,Uab,RCu,R1,R2,R3,,,,,R,T0 RCu Ua Uab EAB(T,T0),,,,,供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。 注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷

30、端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。,,,6. 軟件處理法 冷端溫度恒定T0 ：但T0不為0℃時(shí)，只需在采樣后 加一個(gè)與冷端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。 冷端溫度T0波動(dòng)：可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動(dòng)修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢(shì)之外還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào)，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度也很有利。,1 極板間距式電容式傳感器，極板半徑r=4mm，間隙δ=0.5mm，極板介質(zhì)為空氣，試求其靜態(tài)靈敏度。若極板移動(dòng)，求其電容變化。 2 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與電阻絲（敏感柵）的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 3 為什么電容式傳感器易受干擾？如何減小干擾？ 4 用壓電式傳感器能測(cè)量靜態(tài)或變化很緩慢的信號(hào)嗎？為什么？ 5 什么是外光電效應(yīng)？?jī)?nèi)光電效應(yīng)？光生伏特效應(yīng)？光電導(dǎo)效應(yīng)？ 6光電器件中的光照特性、光譜特性分別描述的是光電器件的什么性能？,