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1、工程测试技术基础工程测试技术基础 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院Welcome to My Class主讲主讲: 邬文俊邬文俊 讲师讲师 -湖北工业大学精品课程湖北工业大学精品课程 科学引领工程，工程引入课堂科学引领工程，工程引入课堂 设计和制作：设计和制作：何涛教授及工程测试技术基础课程教学团队何涛教授及工程测试技术基础课程教学团队 9/9/20241温度是物理现象中具有代表性的物理量温度是物理现象中具有代表性的物理量温度是物理现象中具有代表性的物理量温度是物理现象中具有代表性的物理量是十大计量单位之一是十大计量单位之一是十大计量单位之一是十大计量单位之一现代生活中温度测量和控制是
2、不可缺少的，如家现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。用电器中都少不了温度传感器。用电器中都少不了温度传感器。用电器中都少不了温度传感器。概述概述9/9/20242红外人体探测器现代楼宇自动化现代楼宇自动化(电源管理、安全监测、照明控电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水制、空调控制、停车管理、水/废
3、水管理和电梯监废水管理和电梯监控控)中温度是不可缺少的，中温度是不可缺少的，概述概述9/9/20243现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，概述概述精确的烟草烘干精确的烟草烘干木材烘干木材烘干9/9/20244 温度传感器的种类很多温度传感器的种类很多： 热膨胀温度传感器热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃式温：有液体、气体的玻璃式温 度计、体温计，结构简单，应用广泛；度计、体温计，结构简单，应用广泛； 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使用，价：家电、汽车上使用，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；格便宜、用量大、成本低、性能差别
4、不大； 金属电阻、热电偶、红外温度传感器金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工业上常：工业上常用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较昂贵。昂贵。 集成温度传感器集成温度传感器，利用晶体管，利用晶体管PN结电流、电压随结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量廉，测量150以下温度。以下温度。 概述概述9/9/20245第第9讲讲 温度传感器原理与应用温度传感器原理与应用-热电偶热电偶Thermoelectric Couple Sensors一、热电偶的一、热电偶的工作原理工作原理
5、；二、热电偶测温实验二、热电偶测温实验三、热电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律四、热电偶的冷端补偿及补偿导线四、热电偶的冷端补偿及补偿导线9/9/20246YC-811 报警温度计报警温度计分辨率分辨率: 0.1C/0.1F K Type:镍铬-镍硅热电偶可测温度范围-200C 1372C 可设定上下限蜂鸣报警n实验：测冰水温度、测沸水温度（观察准确度和响应时间）9/9/20247结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A自由端自由端（冷端、（冷端、参考端）参考端） 测量端测量端（热端、（热端、工作端）工作端）
6、热电极热电极B B热电势热电势ABnAnB结点1结点2一、一、 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 9/9/20248结论：结论：热电偶两结点所产生的总的热电偶两结点所产生的总的热电势热电势等于热端热电势与冷等于热端热电势与冷端热电势端热电势之差之差，是两个结点的，是两个结点的温差温差tt 的函数：的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ）热电势与热电势与两个结点的两个结点的温差温差t t 成函数关系成函数关系9/9/202491、热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路闭合回路，
7、并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。角反而减小。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。将两种将两种不同材料不同材料的导体的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当串接成一个闭合回路，当两个两个接点温度不同接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形时，在回路
8、中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。成电流，此现象称为热电效应。！两端温度不同的导体会产生电动势！两种不同的导体接在一起会产生电动势？能用来制作传感器吗ABTT09/9/2024102、热电势的组成：接触电势当相互接触的两金属密度密度不同时产生接触电势。温差电势同一金属，若两端的温度温度不同则产生温差电势。9/9/202411 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的。自由电子将从密度大的金
9、属金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带正失去电子带正电电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生接触电势接触电势。 自由自由电子电子ABEAB（ T T ）T T接触电势的大小与温度有关接触电势的大小与温度有关式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT、NBT温度为T导体A、B的电子密度。方向：从密度小指向方向：从密度小指向密度大的密度大的接触电势接触电势9/9/202412ABTT0两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反。两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反。整个回路中总的接触电动势为：整个回路中总的接触电动势为：如果两个结点的温度相同，
10、如果两个结点的温度相同，T=TT=T0 0，则总接触电动势为，则总接触电动势为0 0图中：图中：N NA ANNB B，TTTT0 0以顺时针为正以顺时针为正EAB(T)(T)EAB(T(T0 0) )9/9/202413同同一一导导体体的的两两端端温温度度不不同同时时, , 高高温温端端的的电电子子能能量量要要比比低低温温端端的的电电子子能能量量大大, , 因因而而从从高高温温端端跑跑到到低低温温端端的的电电子子数数比比从从低低温温端端跑跑到到高高温温端端的的要要多多, , 结结果果高高温温端端因因失失去去电电子子而而带带正正电电, , 低低温温端端因因获获得得多多余的电子而带负电余的电子而
11、带负电, , 因此因此, , 在导体两端便形成在导体两端便形成温差电势温差电势。自由自由电子电子TT0接触电势的大小与密度有关接触电势的大小与密度有关式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT温度为T导体A的电子密度。AEA(T,T(T,T0 0) )方向：从低温指向高温方向：从低温指向高温温差电势温差电势9/9/202414ABTT0整个回路中总的整个回路中总的温差电动势温差电动势为：为：如果如果ABAB两金属的密度相同，则总温差电动势为两金属的密度相同，则总温差电动势为0 0以顺时针为正以顺时针为正EB(T,T(T,T0 0) )EA(T,T(T,T0 0) )9/9/202415
12、接触电势当相互接触的两金属的密度密度不同时产生接触电势，其大小与结点的温度温度相关。温差电势同一金属，若两端的温度温度不同则产生温差电势，其大小其密度密度相关。结论：结论：9/9/202416回路中回路中总热电动势总热电动势为：为：EAB(T, T0)=EB(T, T0)+ EAB(T)- EAB(T0)-EA(T, T0)以顺时针为正以顺时针为正蓝色的为接触电势蓝色的为接触电势绿色的为温差电势绿色的为温差电势ABTT0EB(T,T(T,T0 0) )EA(T,T(T,T0 0) )如果如果A、B密度相同（均质导体），则不存在接触电动势，两密度相同（均质导体），则不存在接触电动势，两导体内温差
13、电动势，大小相等，方向相反，总热电势为导体内温差电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0。即。即为为均质导体定律均质导体定律如果两结点温度相同（如果两结点温度相同（T=T0），则不存在温差电动势，两结），则不存在温差电动势，两结点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0.EAB(T)(T)EAB(T(T0 0) )由一种均质导体组成的闭合回路中由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何面和长度如何以及各处的温度分布如何, 都不能产都不能产生热电势生热电势。9/9/202417热电势=接触电势+
14、温差电势EAB(T, T0)=EAB(T)- EAB(T0) +EB(T, T0) - EA(T, T0) 结论：当nA=nB， 不存在接触电势EAB E总总= EB(T, T0)- EA(T, T0)=0 当T=T0， 不存在温差电势EA、EB E总总= EAB(T)- EAB(T0) =0 9/9/202418（1）在总热电势中）在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多温差电势比接触电势小很多, 可忽略不计可忽略不计, 热电偶的热电势可表示为：热电偶的热电势可表示为： EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) （2）对于已选定的热电偶）对于已选定的热电偶, 当参考端温度当参考端温
15、度T0恒定时恒定时, EAB (T0)=C为常数为常数, 则则总的热电势就只与温度总的热电势就只与温度T成单成单值函数关系值函数关系, 即即 EAB(T, T0)= EAB(T)-C =f(T)3、热电势热电势与被测温度的关系：与被测温度的关系：（3）实际应用中）实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电热电势与温度之间关系是通过热电偶偶分度表分度表来确定的。分度表是在参考端温度为来确定的。分度表是在参考端温度为0时时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。对应关系。9/9/202419K热电偶的热电偶的分度表分度表 热电偶的
16、冷端热电偶的冷端温度为温度为0 0 C C，查表得出被测查表得出被测温度？温度？如何利用分度表如何利用分度表来确定温度？来确定温度？3种环境下（种环境下（K型热型热电偶）热端的热电电偶）热端的热电势分别为势分别为0、为、为4、为为-3.5。9/9/2024204 4、几种常用热电偶、几种常用热电偶分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/ mVB铂铑3030铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑1313铂-501768 C C10.50610.506S铂铑1010铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) -20
17、01372 C C41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)270800 C C?9/9/202421几种常用热电偶的热电势与温度的关系几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析曲线分析 哪几种热电偶的哪几种热电偶的测温上限较高？测温上限较高？ 结论：结论：哪几种热电偶的哪几种热电偶的线性较差？线性较差？哪一种热电偶的哪一种热电偶的灵敏度较高？灵敏度较高？ 哪一种热电偶的哪一种热电偶的灵敏度较低？灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？9/9/202422二、热电偶测温实验二、热电偶测温实验测出变色涂料的变色温度超温报警实验CPU散热
18、风扇散热风扇低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色9/9/202423问题：1、测量时，热端在哪？冷端在哪？热电势是用什么检测仪表测量的？测量仪表的导线与热电阻的导体不同，是不是会对测量结果产生影响？2、冷端怎么保持0度？若是不为0度怎么办？9/9/2024241)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。偶回路的总热电动势。TT0V同时也解决了测量头热端远离冷端的问题，中间可用其他导线连接。三、热
19、电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律9/9/2024252) 2) 中间温度定律中间温度定律 热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为T T、T T0 0时的热电势时的热电势E EABAB(T, T(T, T0 0）等于热电偶等于热电偶ABAB在接点温度在接点温度T T、T Tc c和和T Tc c、T T0 0时的热电势的时的热电势的代数和：代数和： EAB(T, T0）= EAB(T, Tc）+ EAB(Tc, T0） ABTT0=ABTTC+ABTcT0该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。 在实在实际热电偶测温回路中际热电偶测温回路中,利
20、用热电偶这一性质利用热电偶这一性质,可对参可对参考端温度不为考端温度不为0的热电势进行修正。的热电势进行修正。 9/9/202426热电偶基本定律解决了两个问题：热电偶基本定律解决了两个问题：1、实际测量时冷端和热端相隔很远（、实际测量时冷端和热端相隔很远（中间导体定律中间导体定律）热电偶补偿导线热电偶补偿导线2、实际测量时冷端温度不为、实际测量时冷端温度不为0度（度（中间温度定律中间温度定律 ）冷端补偿冷端补偿四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿9/9/202427 在在实实际际测测温温时时, 需需要要把把热热电电偶偶输输出出的的电电势势信信号号传传输输到到远远离
21、离现现场场数数十十米米的的控控制制室室里里的的显显示示仪仪表表或或控控制制仪仪表表, 这这样样参参考考端端温温度度t0也也比比较较稳稳定定。热热电电偶偶一一般般做做得得较较短短 需需要要用用导导线线将将热热电电偶偶的的冷冷端端延延伸伸出出来来。工工程程中中采采用用一一种种补补偿偿导导线线, 它它通通常常由由两两种种不不同同性性质质的的廉廉价价金金属属导导线线制制成成, 而而且且在在0100温温度度范范围围内内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 热电偶补偿导线热电偶补偿导线9/9/202428 (1)参参考考端端温温度度修修正正法法：参考
22、端温度不等于0, 则需要对热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。 经修正后的实际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值。EAB(T, 0）= EAB(T, T0）+ EAB(T0, 0） (2)参参考考端端0恒恒温温法法： 在实验室及精密测量中, 通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中, 以便参考端温度保持0. (3)参参考考端端温温度度自自动动补补偿偿法法（补补偿偿电电桥桥法法）： 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。冷端补偿方法冷端补偿方法9/9/202429 如图所示, 不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、 r2 、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu 和稳压电源组成。 补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度, 但由于RCu的阻值随环境温度变化而变化, 如果适当选择桥臂电阻和桥路电流, 就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB(t, t0)变化量, 从而达到自动补偿的目的。 9/9/202430普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰9/9/202431课外实验实时监测电脑CPU的运行温度，并设置超温报警。9/9/202432
