传感器在工程检测中的应用

③热力学温标根据理想气体的热力学定律得到(高中物理)。单位：开尔文(K)④国际温标(a)国际温标是建立在热力学温标基础上的，它们本质上是一致的。故其单位也为开尔文(K)。国际温标(热力学温标)T与摄氏温标t的关系：T=t+273.15(b)根据一些物质的熔点，沸点和三相点的热力学温度，定义了11个可以复现的温度点。(c)规定了4个温度段的标准仪器。Ⅰ.13.82K~273.15K，低温铂电阻温度计;Ⅱ.273.15K~903.89K，铂电阻温度计;Ⅲ.903.89K~1337.58K，铂铑-铂热电偶温度计;Ⅳ.1337.58K，光测温度计。第一页，共三十页，编辑于2023年，星期五12.温度的测量方法(参见表15-1)(1)接触式测量。①优点：(a)结构简单，价格便宜;(b)工作可靠(精度高)。(2)非接触式测量。②缺点：(a)特殊场合，接触式测量不适用;(b)接触测量会影响被测物的温度场。①优点:

(a)可用于高温,强腐蚀等场所;(b)不会影响被测物的温度场。②缺点:

(a)结构较复杂；(b)精度低。(对表15-1进行说明)第二页，共三十页，编辑于2023年，星期五2二.膨胀式温度传感器(体积式)1.液体膨胀式（略）原理：双金属片的弯曲效应2.固体膨胀式而且温度变化越大，弯曲得就越厉害。可见：根据双金属片的弯曲方向和程度就可测出温度的变化。第三页，共三十页，编辑于2023年，星期五33.气体膨胀式原理：气体V一定时，p/T=C。可见测出p，就可测出T。第四页，共三十页，编辑于2023年，星期五4三.热电偶传感器1.结构T：测量端(热端或工作端);T0：自由端(冷端或参考端)。热电偶：两不同的半导体或者导体接成的一闭合回路。热电效应：不同A、B，在接触点T≠T0，则回路产生热电势(接触电势和温差电电势)的现象。2.工作原理：热电效应第五页，共三十页，编辑于2023年，星期五5(1)接触电势①接触点T处:②接触点T0处:同理可得到此处也存在上为正的电势eAB(T0)第六页，共三十页，编辑于2023年，星期五6(2)温差电势①A导体:②B导体:同理可得到B也存在左为正的电势eA(T,T0)第七页，共三十页，编辑于2023年，星期五7(3)回路总电势eAB(T,T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)

温差电势<<接触电势，于是eAB(T,T0)≈eAB(T)-eAB(T0)(4)测温原理参考端T0恒定，eAB(T0)=C，故eAB(T,T0)=eAB(T)-C=f

(T)回路总电势只与T有关，反之测出总电势，就可测出T。热电偶测温原理第八页，共三十页，编辑于2023年，星期五82.热电偶的基本定律(1)均质导体定律条件：热电偶导体A、B都是均质导体但A、B之间是不同材质证明:结论：①热电势只与A、B的接触温度T、T0及材质有关。

②与A、B尺寸形状和各处温度无关。①可见，热电势只与T、T0及NAT，NBT，NAT0，NBT0有关。与T、T0和A、B材质有关,与尺寸形状无关故可得结论①，且热电势与A、B尺寸形状无关。第九页，共三十页，编辑于2023年，星期五9证明:②热电势与各处温度无关。设A中间有一点温度TC：TC≠T，TC≠T0。TC处接触电势：可见，对于均质材料，其它点的温度不产生接触电势。实际指导意义:实际中冷端和热端温度不一样，故它们之间的温度是变化的。但由均质定律，只要热电偶是均质材料，则不需要考虑中间温度的变化。第十页，共三十页，编辑于2023年，星期五10(2)中间导体定律A、B组成的热电偶中接入第三种导体C，且满足条件：C的接入两端温度相等；证明:

①C接入冷端T0(或者热端T)。结论：热电势不变。第十一页，共三十页，编辑于2023年，星期五11证明:

②C接入A的中间(或B的中间)。实际指导意义:测量热电势时，必须要接入电压表或者测量电路。但由中间导体定律，只要两接入点温度相等，则热电势不变。第十二页，共三十页，编辑于2023年，星期五12热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势为eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)，则在t、t0时的热电势eAB(t,t0)为证明:(3)中间温度定律第十三页，共三十页，编辑于2023年，星期五13应用:①利用分度表求T0≠0℃时，标准热电偶的热电势。例：利用表15-3求S型热电偶T0=30℃，T=1150℃时的热电势。解:②在补偿导线上的应用补偿导线：如冷端和热端相距较远，热电偶无法连接它们，则需要在热电偶和冷端间加补偿导线(如图中A′B′)。设两接入点温度都为tC，则热电势为第十四页，共三十页，编辑于2023年，星期五14②①热电势不变(a)A与A′，B与B′是相同导体，则①、②式明显满足，故此时热电势不变。(b)A与A′,B与B′不是相同导体，则①式②式③④A与,B与满足③④式，则称A与,B与热电特性相似。第十五页，共三十页，编辑于2023年，星期五15结论：补偿导线不影响热电势的条件(a)两接入点温度相等(都为tC)。(b)

A与，B与是相同的导体(或热电特性相似)。第十六页，共三十页，编辑于2023年，星期五16(4)参考电极定律A、B、C导体组成热电偶AB、AC、BC，如果AB、AC的热电势已知，则BC的热电势为证明:第十七页，共三十页，编辑于2023年，星期五17应用：利用标准电偶的分度表某些非标准热电偶的热电势。例：利用书上分度表计算镍硅-铜镍热电偶在T0=0℃,T=30℃时的热电势.解:由表15-5，知由表15-6，知第十八页，共三十页，编辑于2023年，星期五18(1)8种标准热电偶3.热电偶类型第十九页，共三十页，编辑于2023年，星期五19(2)分度表：标准热电偶在T0=0℃时的热电势值表15-3~15-6给出了S、B、K、E型的分度表。4.热电偶的结构形式(1)普通型热电偶第二十页，共三十页，编辑于2023年，星期五20(2)铠装热电偶主要优点：①测温端热容量小，动态响应快。②机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。(3)薄膜热电偶主要优点：热接点可以做得很小(可薄到0.01~0.1μm)，具有热容量小，反应时间可达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。第二十一页，共三十页，编辑于2023年，星期五215.热电偶的补偿导线及冷端补偿(1)补偿导线

①适用范围：测温端和处理电路所在的控制室较远(可达几十米，而热电偶为35cm~2m)。②补偿方法:(a)热电偶较便宜(镍、铜、铁)，补偿导线与热电偶材料一致。(b)热电偶较贵(铂)，补偿导线用热电特性相似的廉价金属代替。第二十二页，共三十页，编辑于2023年，星期五22(2)冷端补偿：T0≠0℃时，如何利用分度表。②冷端0℃恒温法：

冷端放入装满冰水混合物中。①冷端温度修正法：利用中间温度定律进行修正第二十三页，共三十页，编辑于2023年，星期五23(b)工作原理:热电偶回路总电势e总=eAB(T)-eAB(T0)+UABⅠ.T0=0℃时，调整RCu使得UAB=0，则e总=eAB(T)-eAB(0)(a)结构：锰铜电阻R1、R2

、R3(温度系数很小)；铜电阻RCu(温度系数较大)；稳压电源。③补偿电桥法Ⅱ.T0↑e总=eAB(T)-eAB(T0)+UAB变化很小。即e总≈eAB(T)-eAB(0)，这相当于冷端温度恒定为0。第二十四页，共三十页，编辑于2023年，星期五246.热电偶测温线路(1)典型电路图15-17热电偶典型测温线路普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路第二十五页，共三十页，编辑于2023年，星期五25(2)热电偶的串并联(a)同向串联：E总=E1+E2+E3+En，测几个温度之和。(b)反向串联：E总=E1-E2，测2个温度之差。第二十六页，共三十页，编辑于2023年，星期五26r1、r2、r3、r4是相同热电偶电阻，RL是仪表电阻。(c)并联:等效电路如右于是有r1=r2=r3=r4=r<<RL测平均温度第二十七页，共三十页，编辑于2023年，星期五27四.热电阻传感器热电阻：金属热电阻。热敏电阻：半导体热电阻。热电阻传感器：利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。1.常用热电阻(1)铂热电阻

①特点：(a)精度高、稳定性好、性能可靠。(b)温度范围为-200~+850℃。②特性方程:(a)-200~0℃内：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](b)0~850℃内：

Rt=R0(1+At+Bt2)Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻值;A,B和C为常数。第二十八页，共三十页，编辑于2023年，星期五28(2