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1、第七章第七章 熱電式傳感器熱電式傳感器學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)：學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)：1.了解熱電偶的工作原理與結(jié)構(gòu)類型了解熱電偶的工作原理與結(jié)構(gòu)類型2.掌握熱電偶的型號構(gòu)成及選用方法掌握熱電偶的型號構(gòu)成及選用方法3.學(xué)會用其進行溫度測量學(xué)會用其進行溫度測量4.了解常見熱電偶測溫系統(tǒng)的組成與功能了解常見熱電偶測溫系統(tǒng)的組成與功能1.溫度的基本概念溫度的基本概念一、概述一、概述溫度是一個基本物理量。溫度是一個基本物理量。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。處于熱平衡狀態(tài)的所有熱力學(xué)系衡的兩物體，其溫度相等。處于熱平衡狀態(tài)的所有熱

2、力學(xué)系統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)。這一宏觀特性用溫度表示即一切統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)。這一宏觀特性用溫度表示即一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度。互為熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度。溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。分子溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)，自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗以及日常生活中需要普遍因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。進行測量和控制的一個重要物理量。由于不同物質(zhì)的

3、不同物理特性與溫度有著不同的關(guān)系，由于不同物質(zhì)的不同物理特性與溫度有著不同的關(guān)系，因此即使用同一物質(zhì)的不同特性，或不同物質(zhì)的同一種特性因此即使用同一物質(zhì)的不同特性，或不同物質(zhì)的同一種特性對同一個溫度進行測量，也會得出不同的量值，這就需要建對同一個溫度進行測量，也會得出不同的量值，這就需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)溫度單位，即溫標(biāo)。立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)溫度單位，即溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)：所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法攝氏溫標(biāo)：所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點為是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點為0度，沸點為度，沸點為100度，度，水銀體積膨脹被分為水銀體積膨脹被分為100等份，對

4、應(yīng)每份的溫度定義為等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏攝氏度，單位為度，單位為“”。（熱力學(xué)溫標(biāo)。（熱力學(xué)溫標(biāo)K：=K-273.16）2.測溫方法的分類測溫方法的分類按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。兩大類。（1）接觸式測溫：傳感器直接與被測物體接觸進行溫）接觸式測溫：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，是測溫的基本形式。度測量，是測溫的基本形式。接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡。之間進行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡。優(yōu)點：直觀

5、可靠。優(yōu)點：直觀可靠。缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。（2）非接觸式測溫）非接觸式測溫非接觸式是測量物體熱輻射非接觸式是測量物體熱輻射非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具有較是通過輻射進行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性

6、小，可達(dá)千分之一高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運動物體的溫度和快速度變化的溫度。秒，故便于測量運動物體的溫度和快速度變化的溫度。3.測溫儀器的分類測溫儀器的分類對應(yīng)于兩種測溫方法，測溫儀器分為接觸式和非接觸式對應(yīng)于兩種測溫方法，測溫儀器分為接觸式和非接觸式兩大類。兩大類。（1）接觸式儀器又可分為：）接觸式儀器又可分為：膨脹式溫度計：包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式膨脹式溫度計：包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計溫度計電阻式溫度計：包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電電阻式溫度計：包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計阻溫度計熱電式溫度計：包括熱電

7、偶和熱電式溫度計：包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計、以及其它原結(jié)溫度計、以及其它原理的溫度計理的溫度計（2）非接觸式溫度計又可分為輻射溫度計、亮度溫度計）非接觸式溫度計又可分為輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計，由于它們都是見光輻射為基礎(chǔ)，故也按統(tǒng)稱為和比色溫度計，由于它們都是見光輻射為基礎(chǔ)，故也按統(tǒng)稱為輻射溫度計。輻射溫度計。按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。超低溫一般是指高溫溫度測量。超低溫一般是指010K，低溫指，低溫指10800K，中溫指中溫指8001900K，高溫指，高溫指19002800K的溫度，的溫度，2800

8、K以以上被認(rèn)為是超高溫。上被認(rèn)為是超高溫。（一）熱電偶的測溫原理（一）熱電偶的測溫原理二、熱電偶二、熱電偶1.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電偶的基本工作原理是物體的熱電效應(yīng)。當(dāng)兩種不同熱電偶的基本工作原理是物體的熱電效應(yīng)。當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點溫的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點溫度不等（度不等（TT0）時，回路中會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，這）時，回路中會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、準(zhǔn)確度較高、測溫范熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、準(zhǔn)確度較高、測溫范圍寬等優(yōu)點，在溫度測量中應(yīng)用極為廣泛。常

9、用的熱電偶可圍寬等優(yōu)點，在溫度測量中應(yīng)用極為廣泛。常用的熱電偶可測量的溫度范圍為測量的溫度范圍為-50 1600，若再配以特殊材料，測，若再配以特殊材料，測溫范圍可達(dá)溫范圍可達(dá)-180 2000。工作原理：熱電偶是基于熱電勢效應(yīng)原理的測溫用傳感工作原理：熱電偶是基于熱電勢效應(yīng)原理的測溫用傳感器，如圖，若器，如圖，若1、2點溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱點溫度不同，回路中有電流產(chǎn)生，稱之為熱電勢。對于某個確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫度電勢。對于某個確定的熱電偶，當(dāng)某一端溫度T0恒定時，熱電恒定時，熱電勢僅與測量端溫度勢僅與測量端溫度T有關(guān)，故可測溫度有關(guān)，故可測溫度T。熱電勢由兩部分組。熱電勢

10、由兩部分組成：成：接觸電勢；接觸電勢；溫差電勢。溫差電勢。2.接觸電動勢接觸電動勢A、B兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面附近兩導(dǎo)體接觸后，由于電子濃度不同，在截面附近產(chǎn)生接觸電勢：產(chǎn)生接觸電勢：波爾茨曼常數(shù)，電子電荷量，波爾茨曼常數(shù)，電子電荷量，A、B電子電子濃度，絕對溫度。濃度，絕對溫度。熱電勢的方向與導(dǎo)體電子濃度熱電勢的方向與導(dǎo)體電子濃度n有關(guān)。顯然，當(dāng)有關(guān)。顯然，當(dāng)AB材料已材料已定時，接觸電勢與溫度定時，接觸電勢與溫度T（絕對溫度）有關(guān)。（絕對溫度）有關(guān)。3.溫差電動勢溫差電動勢當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。當(dāng)一塊導(dǎo)體兩端溫度不同時，在導(dǎo)體兩端形成溫差電勢。湯

11、奴遜系數(shù)，與材料性質(zhì)及導(dǎo)體兩端平均溫度有關(guān)湯奴遜系數(shù)，與材料性質(zhì)及導(dǎo)體兩端平均溫度有關(guān)。4.熱電偶回路的總熱電動勢熱電偶回路的總熱電動勢當(dāng)兩種材料當(dāng)兩種材料AB組成一個閉合回路時，設(shè)組成一個閉合回路時，設(shè)0時，時，回路中總電勢為：回路中總電勢為：由于接觸電勢大于溫差電勢，所以，當(dāng)由于接觸電勢大于溫差電勢，所以，當(dāng)0時，時，A為為正極，正極，B為負(fù)極。若忽略溫差電勢的影響，并設(shè)為負(fù)極。若忽略溫差電勢的影響，并設(shè)AB，通?？蓪懽鳎和ǔ？蓪懽鳎菏街?，式中，AB為熱電偶靈敏度。為熱電偶靈敏度。一般熱電偶的分度表（輸出特性）是在冷端為一般熱電偶的分度表（輸出特性）是在冷端為0時給時給出的，若測量時冷端不

12、為出的，若測量時冷端不為0，則可據(jù)此修正。，則可據(jù)此修正。中間溫度定律：熱電偶中間溫度定律：熱電偶AB的電動勢僅取決于熱電偶的的電動勢僅取決于熱電偶的材料和兩節(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布無關(guān)。材料和兩節(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布無關(guān)。均勻電路定律：由單一的金屬構(gòu)成的回路中不存在熱均勻電路定律：由單一的金屬構(gòu)成的回路中不存在熱電勢。電勢。（二）熱電偶基本定理（二）熱電偶基本定理 中間導(dǎo)體定律：在由中間導(dǎo)體定律：在由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，將冷端斷開，接入第三種或更多種導(dǎo)體，只要保證接入端中，將冷端斷開，接入第三種或更多種導(dǎo)體，只要保證接入端的溫度相同

13、，則回路總電勢不變。的溫度相同，則回路總電勢不變。證明：證明：標(biāo)準(zhǔn)電極定律：標(biāo)準(zhǔn)電極定律：若熱電偶若熱電偶AB的兩個節(jié)點的溫度為的兩個節(jié)點的溫度為T和和T0，則回路的熱電動勢等于熱電偶，則回路的熱電動勢等于熱電偶AC和熱電偶和熱電偶CB的熱的熱電動勢之和，即電動勢之和，即有時熱電偶的兩個極有時熱電偶的兩個極AB的分度表不知，但知道的分度表不知，但知道AC、BC的分度表，據(jù)此則可獲得的分度表，據(jù)此則可獲得A、B的分度表。的分度表。等值替代等值替代定律：如果使一熱電偶在某一溫度范圍內(nèi)定律：如果使一熱電偶在某一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢等于另一支熱電偶在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)所產(chǎn)生的熱電勢等于另一支熱電偶

14、在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢，則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)可以互相代生的熱電勢，則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)可以互相代用。用。如果以如果以A、B組成的熱電偶作為測量用的熱電偶，則組成的熱電偶作為測量用的熱電偶，則C、D兩線我們稱之為補償導(dǎo)線。兩線我們稱之為補償導(dǎo)線。補償導(dǎo)線的作用：為使熱電勢與被測溫度間成單值函補償導(dǎo)線的作用：為使熱電勢與被測溫度間成單值函數(shù)關(guān)系，需要熱電偶自由端（冷端）的溫度保持恒定（最數(shù)關(guān)系，需要熱電偶自由端（冷端）的溫度保持恒定（最好為好為0度），當(dāng)然可以把熱電偶做得很長，是自由端遠(yuǎn)離工度），當(dāng)然可以把熱電偶做得很長，是自由端遠(yuǎn)離工作端，并同測量儀表一起放置到恒溫或溫度

15、波動較小的地作端，并同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動較小的地方，但這種方法安裝使用不方便，并且耗費許多貴重金屬方，但這種方法安裝使用不方便，并且耗費許多貴重金屬材料。一般是用補償導(dǎo)線將熱電偶自由端延伸出來，遠(yuǎn)離材料。一般是用補償導(dǎo)線將熱電偶自由端延伸出來，遠(yuǎn)離工作端，延伸到溫度恒定的地方，使工作端，延伸到溫度恒定的地方，使t0穩(wěn)定，同時用廉價穩(wěn)定，同時用廉價金屬替代了貴金屬，便于安裝和敷設(shè)。金屬替代了貴金屬，便于安裝和敷設(shè)。（三）熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)和分類（三）熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)和分類熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻熱電偶的材料有許多種，一般金屬有鎳鉻-鎳硅鎳硅(鋁鋁)、銅、康銅，貴重金屬

16、有鉑銠銅、康銅，貴重金屬有鉑銠-鉑、鉑銠鉑、鉑銠3，鉑銠，鉑銠6以及鎢、鉬以及鎢、鉬等。熱電偶的種類也比較多，構(gòu)成基本相同：由熱電極材等。熱電偶的種類也比較多，構(gòu)成基本相同：由熱電極材料、絕緣材料、保護材料和引線裝置等組成。料、絕緣材料、保護材料和引線裝置等組成。熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號可直接接入熱電偶是一種發(fā)電型傳感器，其輸出信號可直接接入記錄儀器。利用熱電偶還可測量兩點溫差及溫度場中多點記錄儀器。利用熱電偶還可測量兩點溫差及溫度場中多點的平均溫度，在實際使用時，還可利用不同被測對象構(gòu)成的平均溫度，在實際使用時，還可利用不同被測對象構(gòu)成熱電偶，如測磨削溫度；可用車刀與零件構(gòu)成一對

17、熱電偶熱電偶，如測磨削溫度；可用車刀與零件構(gòu)成一對熱電偶等。等。1.熱電偶的材料熱電偶的材料根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶。在實際應(yīng)用中，用作熱電都可以作為熱電極組成熱電偶。在實際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：(1)溫度測量范圍廣溫度測量范圍廣(2)性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定(3)物理化學(xué)性能好物理化學(xué)性能好2、熱電偶的結(jié)構(gòu)、熱電偶的結(jié)構(gòu)1）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)）普通工業(yè)裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾熱電偶通常由熱電極、絕緣管

18、、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成。個主要部分組成。2）熱電偶的結(jié)構(gòu)）熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時間快和堅固耐用熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時間快和堅固耐用等許多優(yōu)點，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度等許多優(yōu)點，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，同時亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。用，同時亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。熱電偶結(jié)構(gòu)2）非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶）非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱

19、電偶等。等。1）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶主要有：鉑銠主要有：鉑銠30-鉑銠鉑銠6熱電偶，分度號熱電偶，分度號“B”；鉑銠鉑銠10-鉑熱電偶，分度號鉑熱電偶，分度號“S”；鎳鉻鎳鉻-鎳硅熱電偶鎳硅熱電偶，分度號，分度號“K”；鎳鉻鎳鉻-康銅熱電偶康銅熱電偶，分度號，分度號“E”；鐵鐵-康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號“J”；銅銅-康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號“T”。3、熱電偶的種類、熱電偶的種類4.型型號號表表示示（四）熱電偶冷端的溫度補償（四）熱電偶冷端的溫度補償1）補償導(dǎo)線法）補償導(dǎo)線法2）0恒溫法恒溫法3）冷端溫度校正法）冷端溫度校正法4）補償電橋法）補償電橋法冷端溫度補償電

20、橋 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3R注意：橋臂注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。一溫度之下。冷端溫度升高時，如果冷端溫度升高時，如果ab間電位差正好等于減小的熱間電位差正好等于減小的熱電動勢值，輸出的電動勢不受自由端溫度的變化影響，即電動勢值，輸出的電動勢不受自由端溫度的變化影響，即起到了自動補償作用。起到了自動補償作用。（五）熱電偶實用測溫電路（五）熱電偶實用測溫電路1）測量某點溫度的電路）測量某點溫度的電路2）測量兩點之間溫度差的電路）測量兩點之間溫度差的電路3）測量熱源平均溫度差的電路）測量熱源平均溫度差的電路作業(yè)：作業(yè)：1.什么是熱電效應(yīng)？熱電偶的測溫原理？什么是熱電效應(yīng)？熱電偶的測溫原理？2.敘述并證明熱電偶的中間溫度定律和中間導(dǎo)體敘述并證明熱電偶的中間溫度定律和中間導(dǎo)體定律。定律。3.利用補償電橋法進行熱電偶冷端溫度補償?shù)墓だ醚a償電橋法進行熱電偶冷端溫度補償?shù)墓ぷ髟?。作原理?/p>