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1、第 八 章 熱 電 式 傳 感 器 8-1 熱 電 阻 傳 感 器 熱 電 阻 傳 感 器 是 利 用 導(dǎo) 體 的 電 阻 隨 溫 度 變 化 的 特 性 ，對(duì) 溫 度 和 溫 度 有 關(guān) 的 參 數(shù) 進(jìn) 行 檢 測(cè) 的 裝 置 。 熱 電 阻 效 應(yīng) 物 質(zhì) 的 電 阻 率 隨 溫 度 變 化 而 變 化 的 現(xiàn) 象 。 金 屬 原 子 最 外 層 的 電 子 能 自 由 移 動(dòng) ， 當(dāng) 加 上 電 壓 以 后 ，這 些 無 規(guī) 則 移 動(dòng) 的 電 子 就 按 一 定 的 方 向 流 動(dòng) ， 形 成 電 流 。 隨著 溫 度 的 增 加 ， 電 子 的 熱 運(yùn) 動(dòng) 劇 烈 ， 電 子 之 間

2、 、 電 子 與 振 動(dòng)的 金 屬 離 子 之 間 的 碰 撞 機(jī) 會(huì) 就 不 斷 增 加 ， 因 此 電 子 的 定 向 移動(dòng) 將 受 到 阻 礙 ， 金 屬 的 電 阻 率 也 隨 之 增 大 。 實(shí) 踐 證 明 ， 純 金 屬 、 鉑 、 銅 、 鐵 和 鎳 是 比 較 適 合 的 材 料 ，其 中 主 要 應(yīng) 用 的 是 鉑 和 銅 。 鉑 是 一 種 貴 重 金 屬 ， 其 物 理 和 化 學(xué) 性 能 非 常 穩(wěn) 定 ， 是 制造 熱 電 阻 的 最 好 材 料 ， 主 要 作 標(biāo) 準(zhǔn) 電 阻 溫 度 計(jì) 。 銅 可 用 來 制 造 -50 150 范 圍 內(nèi) 工 業(yè) 用 電 阻 溫

3、 度 外 ， 特點(diǎn) 是 價(jià) 格 低 廉 ， 缺 點(diǎn) 是 電 阻 率 低 ， 且 容 易 氧 化 ， 一 般 用 在 較低 溫 度 和 沒 有 水 分 和 浸 蝕 性 的 介 質(zhì) 之 中 。 l 鉑 絲 的 電 阻 值 與 溫 度 之 間 的 關(guān) 系 在 -200 0 范 圍 內(nèi) ， R t R01+At+Bt 2+C(t 100)t 3在 0 850 范 圍 內(nèi) ， Rt R01+At+Bt 2 R0 當(dāng) 溫 度 為 0 時(shí) 的 電 阻 值 ； Rt 溫 度 為 t 時(shí) 的 電 阻 值 ；A、 B、 C 由 實(shí) 驗(yàn) 確 定 的 常 數(shù) 。 A 3.90802 10-3/B= -5.802 10

4、-7/ 2C -4.27350 10-12/ 4 鉑 電 阻 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)等級(jí) 分 度 號(hào) 測(cè) 溫 范 圍/C 允 許 偏 差/C 電 阻 比 R100/ R0名 義 值 允 許 誤差A(yù) Pt10 -200850 (0.15+0.002|t|) 1.385 0.001Pt100B Pt10 (0.30+0.005|t|)Pt100 即 便 在 氧 化 性 介 質(zhì) 中 ， 其 物 理 、 化 學(xué) 性 能 都很 穩(wěn) 定 ； 易 提 純 ， 復(fù) 現(xiàn) 性 好 ， 有 良 好 的 工 藝 性 ； 有 較 高 的 電 阻 率 ； 在 還 原 性 介 質(zhì) 中 性 能 易 受 影 響 ； 電 阻

5、 溫 度 系 數(shù) 不 太 高 ； 價(jià) 格 貴 。鉑 電 阻 的 特 點(diǎn) 幾 種 鉑 電 阻 WZP系 列 裝 配 式 鉑 電 阻及 鎧 裝 電 阻 芯用 于 一 般 工 業(yè) 場(chǎng) 測(cè) 溫使 用 溫 度 -200 700 高 強(qiáng) 度 石 英 管 測(cè) 溫 鉑 電 阻溫 度 范 圍 -100 C至 +500 C適 用 于 鍍 鋅 鍋 爐 、 耐 酸 、 耐堿 等 強(qiáng) 腐 蝕 場(chǎng) 合注 :不 耐 氫 氟 酸 及 磷 酸 精 密 溫 度 傳 感 器PtWD 1A型 -100 300誤 差 小 于 0.1 ， 精 度 為 超 A級(jí) 天 燃 氣 流 量 計(jì)溫 度 補(bǔ) 償 用 鉑 電 阻天 燃 氣 渦 輪 流

6、量 計(jì) 等 用油 浸 變 壓 器 用 鉑 電 阻 醫(yī) 療 器 械 鉑 電 阻 薄 模 鉑 電 阻 元 件用 于 汽 車 工 業(yè) 、 白 色 家 電 ， 食 品 加 工 業(yè) 、 醫(yī) 療 行 業(yè) 。 尺 寸 ：2.3mm 2.1mm 0.9mm（ 長(zhǎng) 寬 高 ） 線 長(zhǎng) 10mm 防 水 封 裝 鉑 電 阻核 心 元 件 ： 德 國(guó) 進(jìn) 口 精 密 鉑 電 阻 （ PT100 PT1000）元 件 精 度 ： 0.15 (A級(jí) ) 0.30 (B級(jí) )封 裝 材 料 ： 鍍 鎳 銅 管 或 不 銹 鋼 管管 料 尺 寸 ： 4 * 25mm 連 接 線 ： PVC包 膠 電 纜 線 （ 可 選 擇

7、 耐 高 溫 型 的 ） 在 -50 150 溫 度 范 圍 內(nèi) ， 銅 電 阻 與 溫 度 之 間 的 關(guān) 系 為 ： Rt R0(1+At+Bt 2+Ct 3) Rt 溫 度 為 t 時(shí) 的 銅 電 阻 值 R0 溫 度 為 0 時(shí) 的 銅 電 阻 值A(chǔ)、 B、 C 常 數(shù) A 4.28899 10-3/ B -2.133 10-7/ 2 C 1.233 10-9/ 3l 銅 絲 的 電 阻 值 與 溫 度 之 間 的 關(guān) 系 目 前 ， 鉑 和 銅 生 產(chǎn) 是 標(biāo) 準(zhǔn) 的 。 鉑 ： Pt50、 Pt100、 Pt300 主 要 是 Pt100（ R0 50、 100、300） 銅 ：

8、Cu50、 Cu100 鉑 的 測(cè) 溫 精 度 很 高 ， 達(dá) 0.001 銅 0.5 （ 50 50 ） ， 1 （ 50 150 ） 銅 電 阻 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)分 度 號(hào) 測(cè) 溫 范 圍/C 允 許 偏 差/C 電 阻 比 R100/ R0名 義 值 允 許 誤 差Cu50 -50150 (0.30+0.006|t|) 1.428 0.002Cu100 2021-5-5 12 學(xué) 習(xí) 查 “ 鉑 熱 電 阻 分 度 表 ”附 錄 鉑 熱 電 阻 分 度 表 銅 電 阻 的 特 點(diǎn) 電 阻 率 小 ； 容 易 氧 化 ； 價(jià) 格 便 宜 。 WZC-111/12*1000mm C

9、u50 l 熱 電 阻 的 結(jié) 構(gòu) 保 護(hù) 管內(nèi) 部 導(dǎo) 線 絕 緣 管熱 電 阻 蓋 接 線 座 骨 架 漆 包 銅 線 引 出 線 銅 熱 電 阻 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖云 母 骨 架 鉑 絲 彈 簧 支 承 片 銀 引 出 線云 母 彈 簧 型玻 璃 封 裝 型 塑 封 型 R1 R2R3E RtG Rpl 熱 電 阻 測(cè) 量 線 路 熱 電 阻 測(cè) 溫 電 橋 三 線 連 接 法 作 用 ： 當(dāng) 溫 度 變 化 時(shí) ， 導(dǎo) 線 長(zhǎng) 度 和 電 阻 溫 度 系 數(shù) 相 等 ， 它 們的 電 阻 變 化 不 會(huì) 影 響 電 橋 的 狀 態(tài) ， 即 不 會(huì) 產(chǎn) 生 溫 度 誤 差 。 Rp的 觸

10、 點(diǎn) 接 觸 電 阻 和 檢 流 計(jì) 串 聯(lián) ， 接 觸 電 阻 的 不 穩(wěn) 定不 會(huì) 破 壞 電 橋 的 平 衡 和 正 常 工 作 狀 態(tài) 。r2r1r3 熱 電 阻 測(cè) 溫 電 橋 四 線 連 接 法 當(dāng) 熱 電 阻 安 裝的 地 方 比 較 遠(yuǎn) ， 則其 導(dǎo) 線 電 阻 當(dāng) 環(huán) 境溫 度 變 化 時(shí) 也 要 變化 ， 會(huì) 造 成 測(cè) 量 誤差 。 圖 中 R1、 R2、 R3為 固 定 電 阻 ， Rp為調(diào) 零 電 位 器 R1 R2R3E RtG Rp r1r2r3r4 其 它 熱 電 阻鐵/鎳熱電阻：電阻溫度系數(shù)比鉑和銅高，電阻率也較大，可做成體積小、靈敏度高的溫度計(jì)，但易氧化，不

11、宜提純且電阻與溫度非線性，僅用于-50100；用的較少。銦電阻：-269-258 ；測(cè)量精度高，靈敏度高，但重現(xiàn)性差。錳電阻：-271-210 ；靈敏度高，但脆性高，易損壞；炭電阻：-273-268.5 ；熱容量小，靈敏度高，價(jià)格低，易操作，但熱穩(wěn)定性較差。 8-2 熱 敏 電 阻 傳 感 器 熱 敏 電 阻 是 用 半 導(dǎo) 體 材料 制 成 的 熱 敏 器 件 ， 與 金 屬熱 電 阻 比 較 而 言 ， 具 有 溫 度系 數(shù) 高 ， 靈 敏 度 高 ， 熱 慣 性好 （ 適 宜 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 ） 但 其 穩(wěn)定 性 和 互 換 性 較 差 。 溫 度半 導(dǎo) 體熱 敏 電 阻電阻 鉑 熱 電

12、 阻 金 屬 的 電 阻 隨 溫 度 的 升 高 而增 大 ， 但 半 導(dǎo) 體 卻 相 反 ， 它的 電 阻 值 隨 溫 度 的 升 高 而 急劇 減 小 ， 并 呈 現(xiàn) 非 線 性 。一 、 工 作 原 理 半 導(dǎo) 體 這 種 溫 度 特 性 ， 是 因 為 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 方 式是 載 流 子 （ 電 子 、 空 穴 ） 導(dǎo) 電 。 由 于 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子的 數(shù) 目 遠(yuǎn) 比 金 屬 中 的 自 由 電 子 少 得 多 ， 所 以 它 的 電 阻率 很 大 。 隨 著 溫 度 的 升 高 ， 半 導(dǎo) 體 中 參 加 導(dǎo) 電 的 載 流子 數(shù) 目 就 會(huì) 增 多 ， 故 半

13、 導(dǎo) 體 導(dǎo) 電 率 就 增 加 ， 它 的 電 阻率 也 就 降 低 了 。 熱 敏 電 阻 正 是 利 用 半 導(dǎo) 體 的 電 阻 值 隨 溫 度 顯 著 變化 這 一 特 性 制 成 的 熱 敏 元 件 。 它 是 由 某 些 金 屬 氧 化 物按 不 同 的 配 方 比 例 燒 結(jié) 制 成 的 。 在 一 定 的 范 圍 內(nèi) ， 根據(jù) 測(cè) 量 熱 敏 電 阻 阻 值 的 變 化 ， 便 可 知 被 測(cè) 介 質(zhì) 的 溫 度變 化 。 NTC熱 敏 電 阻 的 材 料 是 一 種 由 錳 （ Mn） 、 鎳（ Ni） 、 銅 （ Cu） 、 鈷 （ Co） 、 鐵 （ Fe） 等 金 屬氧

14、 化 物 按 一 定 比 例 混 合 燒 結(jié) 而 成 的 半 導(dǎo) 體 ， 改 變 混合 物 的 成 分 和 配 比 就 可 以 獲 得 測(cè) 溫 范 圍 、 阻 值 及 溫度 系 數(shù) 不 同 NTC熱 敏 電 阻 。 它 具 有 NTC熱 敏 電 阻 應(yīng) 用 廣 泛 。二 、 熱 敏 電 阻 的 基 本 類 型 1、 NTC熱 敏 電 阻 根 據(jù) 熱 敏 電 阻 率 隨 溫 度 變 化 的 特 性 不 同 ， 熱 敏電 阻 基 本 可 分 為 三 種 類 型 。 2、 CTR熱 敏 電 阻 CTR熱 敏 電 阻 是 以 三 氧 化二 釩 與 鋇 、 硅 等 氧 化 物 ， 在 磷 、硅 氧 化

15、物 的 弱 還 原 氣 氛 中 混 合燒 結(jié) 而 成 ， 它 呈 半 玻 璃 狀 ， 具有 負(fù) 溫 度 系 數(shù) 。 通 常 ， CTR熱敏 電 阻 用 樹 脂 包 封 成 珠 狀 或 厚膜 形 使 用 ， 其 阻 值 在 1k 10M之 間 。 CTR熱 敏 電 阻 隨 溫 度 變 化的 特 性 屬 劇 變 型 ， 具 有 開 關(guān) 特性 ， 如 左 圖 所 示 。 當(dāng) 溫 度 高 于居 里 點(diǎn) T C時(shí) ， 其 阻 值 會(huì) 減 小 到臨 界 狀 態(tài) ， 突 變 的 數(shù) 量 級(jí) 為 24。因 此 又 稱 這 類 熱 敏 電 阻 為 臨 界熱 敏 電 阻 。Tc溫 度 T（ ） 200150100

16、500103101105107 電 阻 率 （ .cm） 3、 PTC熱 敏 電 阻 T NTC10 6 200100010 1102103104105 107 溫 度 T（ ）電 阻 率 （ .cm） PTC熱 敏 電 阻 是 以 鈦 酸 鋇 摻 合稀 土 元 素 燒 結(jié) 而 成 的 半 導(dǎo) 休 陶 瓷 元件 ， 具 有 正 溫 度 系 數(shù) 。 其 溫 度 特 性曲 線 如 左 圖 所 示 ， 從 特 性 曲 線 上 可以 看 到 PTC熱 敏 電 阻 具 有 以 下 特 性 ： (1) 當(dāng) 溫 度 低 于 居 里 點(diǎn) TC時(shí) ， 具 有半 導(dǎo) 體 特 性 ； (2) 當(dāng) 溫 度 高 于 居

17、 里 點(diǎn) TC時(shí) ， 電 阻值 隨 溫 度 升 高 而 急 劇 增 大 ， 至 TN溫度 時(shí) 出 現(xiàn) 負(fù) 阻 現(xiàn) 象 ； (3) 具 有 通 電 瞬 間 產(chǎn) 生 強(qiáng) 大 電 流 而后 很 快 衰 減 的 特 性 。 基 于 PTC熱 敏 電 阻 的 特 性 ， 可 利用 其 自 控 作 用 ， 做 成 各 種 恒 溫 器 、限 流 保 護(hù) 元 件 或 溫 控 開 關(guān) 。 還 可 以用 PTC組 成 發(fā) 熱 元 件 ， 功 率 一 般 為幾 瓦 到 數(shù) 百 瓦 。 三 、 熱 敏 電 阻 的 伏 安 特 性 RT 溫 度 為 T時(shí) 電 阻 值 A與 材 料 和 幾 何 尺 寸 有 關(guān) 的 常 數(shù)

18、 B熱 敏 電 阻 常 數(shù) （ 與 半 導(dǎo) 體 物 理 性 能 有 關(guān) ） 若 已 知 T1和 T2時(shí) 電 阻 為 RT1和 RT2， 則 ： 1/1 B TTA R e 1 2 11 2 2T T TT T TR R RB lnR R R 將 熱 敏 電 阻 接 上 一 個(gè) 電 流 源 ， 并 在 它 兩 端 測(cè) 得 端 電 壓 ，可 得 到 熱 敏 電 阻 的 伏 安 特 性 。 V（ 電 壓 ）I a Im I（ 電 流 ）d0 a b c 曲 線 分 四 段 ， 0 a段 ： 電流 小 于 Ia， 功 耗 小 ， 電 流不 足 以 使 熱 敏 電 阻 發(fā) 熱 ，元 件 上 的 溫 度

19、基 本 是 環(huán) 境溫 度 。 此 時(shí) 熱 敏 電 阻 相 當(dāng)于 一 個(gè) 固 定 電 阻 ， 電 壓 與電 流 之 間 符 合 歐 姆 定 律 。 a b段 ： 隨 著 電 流 增 加 ， 熱 敏 電 阻 功 耗 增 加 ， 導(dǎo) 致 電 流 加 熱 引起 熱 敏 電 阻 自 身 溫 度 超 過 環(huán) 境 溫 度 （ 介 質(zhì) 溫 度 ） ， 其 阻 值 降 低 ，因 此 出 現(xiàn) 非 線 性 正 阻 區(qū) ， 電 流 增 長(zhǎng) 速 度 阻 值 減 小 的 速 度 。 c d段 ： 隨 著 電 流 增 加 ， 為 Im時(shí) ， 電 壓 達(dá) 到 最 大 值 ， 電 流 繼 續(xù)增 加 ， 熱 敏 電 阻 本 身

20、加 熱 更 為 劇 烈 ， 阻 值 迅 速 減 小 ， 阻 值 減 小 的速 度 大 于 電 流 增 加 的 速 度 ， 出 現(xiàn) c d段 負(fù) 阻 區(qū) 。 0 a段 ： 正 常 使 用 熱 敏 電 阻 測(cè) 溫 時(shí) 。 c d段 ： 可 用 來 測(cè) 量 風(fēng) 速 、 真 空 度 、 流 量 等 參 數(shù) 。 熱 敏 電 阻 非 線 性 嚴(yán) 重 ， 使 用 中 要 進(jìn) 行 非 線 性 補(bǔ)償 。 在 硬 件 電 路 方 法 上 ， 采 用 溫 度 系 數(shù) 較 小 的 電 阻與 熱 敏 電 阻 串 、 并 聯(lián) 接 法 ， 使 得 熱 敏 電 阻 的 電 阻 溫 度 曲 線 變 為 平 坦 。 熱 敏 電

21、阻 的 特 點(diǎn) 電 阻 溫 度 系 數(shù) 大 ， 靈 敏 度 高 ； 形 狀 多 樣 ， 體 積 小 ， 熱 慣 性 小 ， 響 應(yīng) 速 度 快 ； 電 阻 值 大 ， 遠(yuǎn) 距 離 測(cè) 量 時(shí) 可 不 考 慮 導(dǎo) 線 電 阻 的影 響 ； 在 -50C350C范 圍 內(nèi) 具 有 良 好 的 穩(wěn) 定 性 ； 阻 值 分 散 性 大 、 復(fù) 現(xiàn) 性 差 ； 非 線 性 大 ； 老 化 較 快 。 典 型 的 熱 敏 電 阻 元 件 有 圓 形 、 桿 形 和 珠 形 等 ，其 結(jié) 構(gòu) 及 溫 度 特 性 如 圖 所 示 。 熱 敏 電 阻 的 結(jié) 構(gòu) 實(shí) 物 圖 片 1.耗 散 系 數(shù) ： 5mW/

22、2.熱 時(shí) 間 常 數(shù) : 10S3.測(cè) 溫 范 圍 : -40 +110主 要 用 于 電 飯 鍋 等 烹 飪 用 具 。耐 高 溫 ， 反 應(yīng) 快 而 精 確 ABS材 質(zhì) 外 殼 ， PVC導(dǎo) 線 ,用于 電 冰 箱 、 冰 柜 。 耐 腐 防 潮 1.耗 散 系 數(shù) ： 5mW/2.熱 時(shí) 間 常 數(shù) : NB， 電 子 擴(kuò) 散 的 結(jié) 果 使 導(dǎo) 體 A失 去 電 子 而 帶 正 電 ，導(dǎo) 體 B則 因 獲 得 電 子 而 帶 負(fù) 電 ， 在 接 觸 面 形 成 電 場(chǎng) 。 這 個(gè)電 場(chǎng) 阻 礙 了 電 子 繼 續(xù) 擴(kuò) 散 ， 達(dá) 到 動(dòng) 態(tài) 平 衡 時(shí) ， 在 接 觸 區(qū) 形成 一

23、 個(gè) 穩(wěn) 定 的 電 位 差 ， 即 接 觸 電 動(dòng) 勢(shì) 。(1) 接 觸 電 動(dòng) 勢(shì) BAAB NNekTTe ln其 大 小 可 表 示 為 ： 式 中 ： K波 爾 茲 曼 常 數(shù) ， K 1.38 10-23 e 電 子 電 荷 量 e = 1.6 10-19C NA(NB)為 A(B)材 料 的 自 由 電 子 密 度 。( )ABe T AB T0T 接 觸 電 勢(shì) 0( )ABe T00 0( ) ln AAB BKT nT e T e n端 接 觸 電 勢(shì) ： ( ) ln AAB BnKTT e T e n端 接 觸 電 勢(shì) ： 同 一 導(dǎo) 體 中 的 ， 如 果 兩 端 溫

24、 度 不 同 ， 在 兩 端 間 會(huì)產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) ， 即 產(chǎn) 生 單 一 導(dǎo) 體 的 溫 差 電 動(dòng) 勢(shì) ， 這 是 由于 導(dǎo) 體 內(nèi) 自 由 電 子 在 高 溫 端 具 有 較 大 的 動(dòng) 能 ， 因 而 向低 溫 端 擴(kuò) 散 的 結(jié) 果 。 高 溫 端 因 失 去 電 子 而 帶 正 電 ， 低溫 端 由 于 獲 得 電 子 而 帶 負(fù) 電 ， 在 高 低 溫 端 之 間 形 成 一個(gè) 電 位 差 。 溫 差 電 動(dòng) 勢(shì) 的 大 小 與 導(dǎo) 體 的 性 質(zhì) 和 兩 端 的溫 差 有 關(guān) 。(2) 溫 差 電 勢(shì) 00( , ) TA ATe T T dT A A材 料 的 湯 姆 遜

25、 系 數(shù) 。（ 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) ） AB T0T 溫 差 電 勢(shì)T T0 0( , )Ae T T0( , )Be TT (3) 回 路 總 電 勢(shì) 00 0( , ) TAAB A BTBK nE T T T T ln dTe n 回 路 接 觸 電 勢(shì) 回 路 溫 差 電 勢(shì)0( , )Be T T 0( , )Ae T T( )ABe T 0( )ABe Ta babEABE 賽貝克（Seebeck）效應(yīng)AB T0T 總 溫 差 熱 電 勢(shì)T T0 0( , )Ae T T0( , )Be T T( )ABe T

26、0( )ABe T ABE 0 2 2( , ) 0 0 01( ) ( ) ; , /2AB t t AB ABe a t t b t t t t C 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 ： 幾 點(diǎn) 討 論 如 果 組 成 熱 電 偶 的 兩 個(gè) 電 極 的 材 料 相 同 ， 即 使 是 兩 結(jié) 點(diǎn) 的溫 度 不 同 也 不 會(huì) 產(chǎn) 生 熱 電 勢(shì) 。 組 成 熱 電 偶 的 兩 個(gè) 電 極 的 材 料 雖 然 不 相 同 ， 但 是 兩 結(jié) 點(diǎn) 的溫 度 相 同 也 不 會(huì) 產(chǎn) 生 熱 電 勢(shì) 。 由 不 同 電 極 材 料 A、 B組 成 的 熱 電 偶 ， 當(dāng) 冷 端 溫 度 T0 恒 定時(shí) ， 產(chǎn) 生

27、 的 熱 電 勢(shì) 在 一 定 的 溫 度 范 圍 內(nèi) 僅 是 熱 端 溫 度 T 的 單 值 函數(shù) 。 。存 在 二 次 項(xiàng) ： )( 202 ttbAB 。相 同、 0)()(,0ln TTnnBA BABA .0)()(,0ln)(0 000 TT BABA dTTTnneTTTT 1、 中 間 導(dǎo) 體 定 律二 、 熱 電 偶 的 基 本 定 律 將 由 A、 B兩 種 導(dǎo) 體 組 成 的 熱 電 偶 的 冷 端 （ T0端 ） 斷開 而 接 入 的 三 種 導(dǎo) 體 C后 ， 只 要 冷 、 熱 端 的 T0 、 T 保 持不 變 ， 則 回 路 的 總 熱 電 勢(shì) 不 變 。B T 0

28、T A B T0T T0A C T T0 AB T0T( )ABe T 0( )ACe TT0C 0( )CBe T0( , )Be T T0( , )Ae T T 0 0( , )Ce T T0( , )Be TT0( , )Ae TT( )ABe T 0( )ACe Ta b 0( )CBe T00( , ) ( )TA ATAe T T T dT導(dǎo) 體 兩 端 的 電 勢(shì) 差 ： 00( , ) ( )TB BTBe T T T dT導(dǎo) 體 兩 端 的 電 勢(shì) 差 ：000 0( , ) ( ) 0TC CTCe T T T dT 導(dǎo) 體 兩 端 的 電 勢(shì) 差 ： 00 0 00( )

29、 ln( ) ln AAC CCCB BT nT e T e nT ne T e n端 接 觸 電 勢(shì) ： ( ) ln AAB BnTT e T e n端 接 觸 電 勢(shì) ： 000 0 0 0 00 0 0 00 00( , ) ( ) ( , ) ( ) ( ) ( , )( ) ( ) ( ) ( , ) ( , )ln ln ln ( ) ( )( ) ln ( ) ( )AB AB B AC CB AAB AC CB B ATA A C B ATB C BTA B ATBe T T e T e T T e T e T e T Te T e T e T e T T e T Tn n

30、nT T T T T dTe n e n e nnT T T T dTe n 此 定 律 具 有 特 別 重 要 的 實(shí) 用 意 義 ， 因 為 用 熱 電 偶 測(cè) 溫 時(shí) 必 須接 入 儀 表 (第 三 種 材 料 )， 根 據(jù) 此 定 律 ， 只 要 儀 表 兩 接 入 點(diǎn) 的 溫 度保 持 一 致 (T0 )儀 表 的 入 就 不 會(huì) 影 響 熱 電 勢(shì) 。 而 且 A、 B結(jié) 點(diǎn) 的 焊 接方 法 也 可 以 是 任 意 的 。 2、 參 考 電 極 定 律 （ 標(biāo) 準(zhǔn) 電 極 定 律 ）B T 0T A C T0T A B T0T C 如 果 兩 種 導(dǎo) 體 A、 B分 別 與 第

31、三 種 導(dǎo) 體 C所 組 成 的 熱 電 偶 所 產(chǎn)生 的 熱 電 勢(shì) 是 已 知 的 ， 則 這 兩 種 導(dǎo) 體 所 組 成 的 熱 電 偶 的 熱 電 勢(shì) 也是 已 知 的 ， 且 0 0 0, , ,AB AC BCe T T e T T e T T 根 據(jù) 此 定 律 ， 可 以 便 于 給 出 所 有 熱 電 偶 材 料 的 有關(guān) 參 數(shù) ， 方 便 熱 電 偶 電 極 的 選 配 。 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 00 0 0( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , )( ) ln ( , ) ( , )( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , )( )

32、 ln ( , ) ( , ), , ( ) ln ln( ,AC AC AC C AA C ACBC BC BC C BB C BCA BAC BC C CCe T T e T e T e T T e T TnT T e T T e T Te ne T T e T e T e T T e T TnT T e T T e T Te nn ne T T e T T T T e n ne T T 0 0 0 00 0 0 0) ( , ) ( , ) ( , )( ) ln ( , ) ( , ) ,A C BA B A ABBe T T e T T e T TnT T e T T e T T e

33、 T Te n 證 明 ： B T0T A C T0T A B T0T C 0 0 0, , ,AB AC BCe T T e T T e T T 3、 中 間 溫 度 定 律B T0T A B T1T A B T0T1 A 這 是 中 間 溫 度 定 律 ， 因 為 熱 電 勢(shì) 與 兩 個(gè) 結(jié) 的 溫度 有 關(guān) ， 要 測(cè) 得 某 一 結(jié) 所 處 的 溫 度 ， 則 另 一 個(gè) 結(jié) 必須 0 ， 而 實(shí) 際 上 這 樣 的 條 件 是 難 辦 到 的 ； 但 只 要測(cè) 得 （ E表 示 熱 電 勢(shì) ， A、 B表 示 兩 種 不 同 金 屬 ，T、 T 1表 示 兩 個(gè) 結(jié) 處 在 T、 T

34、1溫 度 下 ） ， 并 且 可 測(cè) 得T1， 則 可 以 查 表 確 定 ， 用 與 的 和 ， 便可 確 定 T處 溫 度 。 1,ABT TE 1,0ABTE 1,ABT TE 1,0ABTE 對(duì) 電 極 材 料 的 要 求 ： 在 同 樣 的 溫 差 下 產(chǎn) 生 的 熱 電 勢(shì) 大 ， 且 其 熱 電 勢(shì) 與溫 度 之 間 呈 線 性 或 近 似 線 性 的 單 值 函 數(shù) 關(guān) 系 ； 耐 高 溫 ， 抗 輻 射 性 能 好 ， 在 較 寬 的 范 圍 內(nèi) 性 能 穩(wěn)定 ； 電 導(dǎo) 率 高 、 電 阻 溫 度 系 數(shù) 和 比 熱 容 小 ； 復(fù) 制 性 和 工 藝 性 好 ， 價(jià) 格

35、低 廉 。 三 、 常 用 的 熱 電 偶熱 電 偶 名 稱 分 度 號(hào) 極 性 化 學(xué) 成 分 100 時(shí)電 勢(shì)(mV) 使 用 溫 度 允 許 誤 差長(zhǎng) 期 短 期 ( )鉑 銠 10 鉑 LB-3 正 Pt90%Rh10% 0.643 1300 1600 600 600負(fù) Pt100% 2.4 0.4%t鉑 銠 30 鉑 銠 6 LL2 正 Pt70%Rh30% 0.034 1600 1800 600 600負(fù) Pt94%Rh6% 3 0.5%t鎳 鉻 鎳 硅 EU-2 正 Cr910%Si0.4%Ni90% 4.10 1000 1200 400 400負(fù) Si2.53.0%Co0.6%

36、Ni97% 4 0.75%t 鎳 鉻 考 銅 EA-2 正 Cr910%Si0.4%Ni90% 6.95 600 800 400 400負(fù) Cu5657%Ni4344% 4 1%t銅 康 銅 正 Cu100% 4.26 200 300 -200-400 -40400負(fù) Cu55%Ni45% 2%t 0.75% 2021-5-5 54 幾 種 常 用 熱 電 偶 的 熱 電 勢(shì) 與 溫 度 的關(guān) 系 曲 線 分 析 哪 幾 種 熱電 偶 的 測(cè) 溫 上限 較 高 ？ 結(jié) 論 ： 哪 幾 種 熱 電偶 的 線 性 較 差 ？ 哪 一 種 熱 電偶 的 靈 敏 度 較 高 ？ 哪 一 種 熱 電偶

37、的 靈 敏 度 較 低 ？為 什 么 所 有 的 曲 線 均 過 原 點(diǎn) （ 零 度 點(diǎn) ） ？ K熱 電 偶的 分 度 表 比 較查 出 的 3個(gè)熱 電 勢(shì) ，可 以 看 出熱 電 勢(shì) 是否 線 性 ？ 非 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 熱 電 偶 鐵 康 銅 熱 電 偶 ： 靈 敏 度 高 高 溫 熱 電 偶 ： 鎢 錸 系 熱 電 偶 ， 測(cè) 溫 上 限 可 達(dá) 2450攝 氏 度 低 溫 熱 電 偶 ： 銅 銅 錫 0.005可 測(cè) -271-243攝 氏 度的 低 溫 ； 鎳 鉻 鐵 金 0.03可 測(cè) -269-0攝 氏 度 按 結(jié) 構(gòu) 分 類 普 通 型 按 結(jié) 構(gòu) 分 類 鎧 裝 型 按 結(jié)

38、 構(gòu) 分 類 隔 爆 型 四 、 熱 電 偶 的 使 用1、 冷 端 溫 度 補(bǔ) 償 及 修 正 在 實(shí) 際 使 用 時(shí) ， 由 于 熱 電 偶 的 熱 端 （ 測(cè) 量 端 ） 與 冷 端 離 的 很 近 ， 冷 端 又 暴 露 于 空 間 ， 容 易 受 到 環(huán) 境 溫 度 的 影 響 ， 因 而 冷 端 溫 度 很 難 保 持 恒 定 。 為 此 需 要 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 。 由 熱 電 偶 測(cè) 溫 原 理 可 知 ， 只 有 當(dāng) 熱 電 偶 的 冷 端 溫 度 保 持 不 變 ， 熱 電 勢(shì) 才 是 被 測(cè) 溫 度 的 單 值 函 數(shù) 。 工 程 技 術(shù) 上 使 用 的 熱 電 偶

39、 分 度 表 和 根 據(jù) 分 度 表 刻 劃 的 測(cè) 溫 顯 示 儀 表 的 刻 度 都 是 根 據(jù) 冷 端 溫 度 為 0 而 制 作 的 。 （ 1） 0 恒 溫 法 將 熱 電 偶 的 冷 端 置 于 冰 水 混 合 物 中 ， 保 證 冷 端 溫 度 恒定 為 0 。 根 據(jù) 熱 電 偶 測(cè) 得 的 輸 出 熱 電 勢(shì) ， 再 查 找 該 熱 電 偶的 分 度 表 ， 即 可 得 到 測(cè) 量 端 的 溫 度 。 （ 2） 熱 電 勢(shì) 修 正 法 在 實(shí) 際 使 用 中 ， 使 冷 端 保 持 在 0 很 不 方 便 ， 有時(shí) 也 使 冷 端 保 持 在 某 一 恒 定 的 溫 度 Tn

40、， 這 種 情 況 下采 取 熱 電 勢(shì) 修 正 法 。 EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) EAB (T,Tn) 實(shí) 測(cè) 值 ； EAB(Tn,T0) 冷 端 為 0 時(shí) ， 工 作 端 為 Tn區(qū) 段 熱電 勢(shì) ， 可 查 分 度 表 得 到 ， 即 為 修 正 法 。 （ 3） 電 橋 補(bǔ) 償 法 電 橋 補(bǔ) 償 法 是 利 用 不 平 衡 電 橋 產(chǎn) 生 的 電 勢(shì) 來 補(bǔ) 償熱 電 偶 因 冷 端 溫 度 不 在 0 時(shí) 引 起 的 熱 電 勢(shì) 變 化 值 ，在 熱 電 偶 與 測(cè) 溫 儀 表 之 間 串 接 一 個(gè) 直 流 不 平 衡 電 橋 ，電 橋 中

41、 的 R1、 R2、 R3、 由 電 阻 溫 度 系 數(shù) 很 小 的 錳 銅絲 制 作 ， 另 一 橋 臂 的 RT由 溫 度 系 數(shù) 較 大 的 銅 線 繞 制 。 電 橋 的 4個(gè) 電 阻 均 和 熱 電 偶 冷 端 處 在 同 一 環(huán) 境 溫度 ， 但 由 于 RT的 阻 值 隨 環(huán) 境 溫 度 變 化 而 變 化 ， 使 電橋 產(chǎn) 生 的 不 平 衡 電 壓 的 大 小 和 極 性 隨 著 環(huán) 境 溫 度 的 變化 而 變 化 ， 從 而 達(dá) 到 自 動(dòng) 補(bǔ) 償 的 目 的 。補(bǔ)償原理 (4)、 冷 端 延 長(zhǎng) 線 工 業(yè) 應(yīng) 用 時(shí) ， 被 測(cè) 點(diǎn) 與 指 示 儀 表 之 間 往 往

42、有 很 長(zhǎng) 的 距 離 ， 這 就 要 求 熱 電 偶 有 較 長(zhǎng) 的 尺 寸 ，但 由 于 熱 電 偶 材 料 較 貴 ， 熱 電 偶 尺 寸 不 能 過 長(zhǎng) ，所 以 冷 端 （ 即 接 儀 表 端 ） 常 常 不 能 放 到 任 意 點(diǎn)上 去 ； 且 冷 端 溫 度 不 可 能 恒 定 ， 是 波 動(dòng) 的 ， 為解 決 這 一 問 題 ， 采 用 冷 端 延 長(zhǎng) 線 （ 或 稱 冷 端 補(bǔ)償 導(dǎo) 線 ） 。 所 謂 延 長(zhǎng) 線 實(shí) 際 上 是 把 在 一 定 溫 度 范 圍 內(nèi) （ 一 般為 0 100 ） 與 熱 電 偶 具 有 相 同 熱 電 特 性 的 兩 種 較 長(zhǎng)金 屬 導(dǎo) 線

43、 與 熱 電 偶 配 接 。 它 的 作 用 是 將 熱 電 偶 冷 端 移至 離 熱 源 較 遠(yuǎn) 并 且 環(huán) 境 溫 度 較 穩(wěn) 定 的 地 方 ， 從 而 消 除冷 端 溫 度 變 化 帶 來 的 影 響 ， 即 該 補(bǔ) 償 導(dǎo) 線 所 產(chǎn) 生 的 熱電 勢(shì) 等 于 工 作 熱 電 偶 在 此 溫 度 范 圍 內(nèi) 產(chǎn) 生 的 熱 電 勢(shì) 。 BABT T0TNTN A冷 端 延 長(zhǎng) 線 連 接 示 意 圖 回 路 總 電 勢(shì) 為 : Ec=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0) 上 式 證 明 了 回 路 中 總 電 勢(shì) 等 于 EAB(T,T0)， 相當(dāng) 于 冷 端

44、 直 接 延 伸 到 了 溫 度 為 T0處 ， 但 并 不 能 消除 冷 端 溫 度 不 為 0 時(shí) 產(chǎn) 生 的 影 響 ， 應(yīng) 用 前 面 介 紹的 修 正 方 法 把 冷 端 修 正 到 0 。 應(yīng) 用 延 長(zhǎng) 線 應(yīng) 注 意 ： 延 長(zhǎng) 線 只 能 與 相 應(yīng) 型 號(hào) 的 熱 電 偶 配 用 ， （ 專 用 ） ； 注 意 極 性 ， 不 能 接 反 （ 否 則 會(huì) 造 成 更 大 的 誤 差 ） ； 延 長(zhǎng) 線 和 熱 電 偶 連 接 處 ， 兩 結(jié) 點(diǎn) 溫 度 必 須 相 同 。熱 電 偶 補(bǔ) 償 導(dǎo) 線 熱 端 為 100 。 冷端 為 0 時(shí) 的 標(biāo) 準(zhǔn)熱 電 勢(shì) (mV)正

45、極 負(fù) 極材 料 顏 色 材 料 顏 色鉑 銠 鉑鎳 鉻 鎳 硅鎳 鉻 考 銅鐵 考 銅銅 康 銅 銅銅鎳 、 鉻鐵銅 紅紅褐 、 綠白紅 鎳 銅康 銅考 銅考 銅康 銅 白白白白白 0.64土 0.034. 10士 0. 156.95士 0. 305 .75土 0.254. 10土 0.15 補(bǔ) 償 導(dǎo) 線 1. 熱 電 偶 的 測(cè) 溫 線 路u冷 端 溫 度 相 同u熱 電 動(dòng) 勢(shì) 與 溫 度 呈 線 性 關(guān) 系注 意 ：五 、 熱 電 偶 測(cè) 溫 線 路 五 、 熱 電 偶 測(cè) 溫 線 路1、 熱 電 偶 直 接 與 指 示 儀 表 配 用 把 n支 相 同 型 號(hào) 的 熱 電 偶 依

46、次 將 正 、 負(fù) 極 相 連 接 ，則 線 路 的 總 電 勢(shì) 為 ： EG=E1+E2+ En=nE 串 聯(lián) 線 路 中 配 用 的 儀 表 ， 按 EG T刻 度 。 若 每 支 熱 電 偶 的 絕 對(duì) 誤 差 分 別 為 E1、 E2、 E3 En， 則 整 個(gè) 串 聯(lián) 線 路 的 絕 對(duì) 誤 差 ： 2 2 21 2G nE E E E 如 果 E1 E2 En E， 則 ：GE n E 串 聯(lián) 線 路 的 相 對(duì) 誤 差 為 ： 1GnE n E EE nE En 可 見 串 聯(lián) 線 路 的 相 對(duì) 誤 差 為 單 支 熱 電 偶 相 對(duì) 誤 差的 倍 。 1 n 測(cè) 兩 點(diǎn) 間

47、的 溫 差 21 020221 0201, , ,ttE ttEttEttE ttEttEEAB ABABAB ABAB 8-4 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 當(dāng) 一 些 晶 體 受 熱 時(shí) ， 在 晶 體 兩 端 將 會(huì) 產(chǎn) 生 數(shù) 量 相 等 而 符 號(hào)相 反 的 電 荷 ， 這 種 由 于 熱 變 化 產(chǎn) 生 的 電 極 化 現(xiàn) 象 ， 被 稱 為 熱 釋電 效 應(yīng) 。 通 常 ， 晶 體 自 發(fā) 極 化 所 產(chǎn) 生 的 束 縛 電 荷 被 來 自 空 氣 中 附集 在 晶 體 外 表 面 的 自 由 電 子 所 中 和 ， 其 自 發(fā) 極 化 電 矩 不 能 顯 示出 來 。 當(dāng) 溫

48、 度 變 化 時(shí) ， 晶 體 結(jié) 構(gòu) 中 的 正 負(fù) 電 荷 重 心 產(chǎn) 生 相 對(duì) 位移 ， 晶 體 自 發(fā) 極 化 值 就 會(huì) 發(fā) 生 變 化 ， 在 晶 體 表 面 就 會(huì) 產(chǎn) 生 電 荷耗 盡 。 能 產(chǎn) 生 熱 釋 電 效 應(yīng) 的 晶 體 稱 為 熱 釋 電 體 ， 又 稱 為 熱 電 元件 。 熱 電 元 件 常 用 的 材 料 有 單 晶 (LiTa03等 ） 、 壓 電 陶 瓷 (PZT等 ） 及 高 分 子 薄 膜 （ PVFZ等 ） 。一 、 熱 釋 電 效 應(yīng) 如 果 在 熱 電 元 件 兩 端 并 聯(lián) 上 電 阻 ， 當(dāng) 元 件 受熱 時(shí) ， 電 阻 上 就 有 電 流

49、 流 過 ， 在 電 阻 兩 端 也 能 得到 電 壓 信 號(hào) 。 這 里 所 說 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 是 指 利 用 熱 電元 件 的 熱 釋 電 效 應(yīng) 探 測(cè) 人 體 用 的 紅 外 傳 感 器 。 它適 用 于 防 盜 報(bào) 警 、 來 客 告 知 及 非 接 觸 開 關(guān) 等 紅 外領(lǐng) 域 。 二 、 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 圖 濾 光 片 的 光 譜 特 性 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 的 視 野 特 性 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 主 要 由 外 殼 、 濾 光 片 、 熱電 元 件 PZT、 結(jié) 場(chǎng) 效 應(yīng) 管

50、 FET、 電 阻 、 二 極 管 等組 成 。 其 中 濾 光 片 設(shè) 置 在 窗 口 處 ， 組 成 紅 外 線 通過 的 窗 口 。 濾 光 片 為 6m多 層 膜 干 涉 濾 光 片 ， 這種 濾 光 片 對(duì) 于 太 陽 光 和 熒 光 燈 光 的 短 波 長(zhǎng) （ 約 5 m以 下 ） ， 具 有 高 的 反 射 率 ， 而 對(duì) 6 m以 上 的 從人 體 發(fā) 出 來 的 紅 外 線 熱 源 (10 m )， 有 高 的 穿 透性 。 阻 抗 變 換 用 的 結(jié) 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 FET和 電 路 元 件 放置 在 管 底 部 分 。 熱 電 元 件 選 用 PZT壓 電 陶 瓷 ， 其

51、居 里 點(diǎn) 高 不 會(huì) 造 成 因 環(huán) 境 溫 度 過 高 而 影 響 其 輸 出性 能 ， PZT材 料 也 適 合 批 量 生 產(chǎn) ， 成 本 低 ， 且 可靠 性 高 。 型 號(hào) P228 LS-064 LHI958典 型 噪 聲 值 （ mV峰 峰 ) 80 80 20響 應(yīng) 性 （ V/W) 6500 3300 3500窗 口 光 頗 響 應(yīng) （ m) 715 814工 作 電 壓 （ V） 315 2.215 315失 調(diào) 電 壓 (V) 0.4 0.7 1.0工 作 溫 度 ( ) -4060 -3070 -4070保 存 溫 度 （ ） -55125 -4080 -4080元

52、件 尺 寸 （ mm) 2 1 2 1 2 1封 裝 形 式 TO5 TO5 TO5幾 種 常 見 探 測(cè) 人 體 用 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 除 了 探 測(cè) 人 體 使 用 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 外 ， 還有 供 測(cè) 溫 使 用 的 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 ， 其 工 作 電 壓 為315V， 電 壓 靈 敏 度 在 3Hz時(shí) 為 70V/W， 響 應(yīng) 波 長(zhǎng)范 圍 為 215m， 測(cè) 溫 范 圍 可 達(dá) -801500 。三 、 熱 釋 電 紅 外 探 測(cè) 模 塊 熱 釋 電 紅 外 探 測(cè) 模 塊 是 一 個(gè) 將 熱 釋 電

53、紅 外 傳感 器 、 放 大 器 、 信 號(hào) 處 理 電 路 、 延 時(shí) 電 路 和 高 低電 平 輸 出 電 路 集 成 于 一 體 的 新 器 件 。 它 具 有 靈 敏度 高 、 抗 干 擾 能 力 強(qiáng) 、 耐 低 溫 （ -30 ） 及 使 用 方便 等 特 點(diǎn) ， 主 要 用 來 探 測(cè) 人 體 發(fā) 射 出 的 紅 外 線 能量 ， 適 用 于 人 體 移 動(dòng) 的 探 測(cè) 報(bào) 警 系 統(tǒng) 。 HN 911型 熱 釋 電 紅 外 探 測(cè) 模 塊 的 外 形 圖 HN911模 塊 電 路 框 圖 平 時(shí) ， 1端 輸 出 低 電 平 ， 2端 輸 出 高 電 平 。 當(dāng) 有移 動(dòng) 發(fā) 熱

54、 體 進(jìn) 入 監(jiān) 視 范 圍 時(shí) ， 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 接受 到 紅 外 能 量 ， 并 輸 出 檢 測(cè) 信 號(hào) 。 該 信 號(hào) 經(jīng) 放 大 器放 大 ， 由 比 較 器 進(jìn) 行 比 較 判 斷 ， 再 由 信 號(hào) 處 理 電 路處 理 后 輸 出 控 制 信 號(hào) 。 此 時(shí) ， 輸 出 端 1變 為 高 電 平 ，輸 出 端 2變 為 低 電 平 。 在 模 塊 的 外 部 ， 可 接 增 益 調(diào)節(jié) 電 位 器 ， 以 調(diào) 節(jié) 放 大 器 的 增 益 。 放 大 器 具 有 溫 度補(bǔ) 償 功 能 ， 其 主 要 作 用 是 當(dāng) 環(huán) 境 溫 度 增 高 或 背 景 紅外 輻 射 能 量 增 加 時(shí) ， 可 使 放 大 器 的 增 益 隨 著 它 們 的增 高 而 自 動(dòng) 提 升 ， 從 而 保 證 整 個(gè) 電 路 工 作 的 穩(wěn) 定 性 。測(cè)量原理 返 回中 間 導(dǎo) 體 定 律 應(yīng) 用