傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用

第15章傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用

14.1溫度測(cè)量一.溫度概述1.溫度與溫標(biāo)(1)溫度：表示物體冷熱程度的物理量。(2)溫標(biāo)：溫度的標(biāo)尺，也就是溫度的單位制。①華氏溫標(biāo):冰的熔點(diǎn)：32℉水的沸點(diǎn)：212℉32℉~212℉之間，根據(jù)水銀柱長(zhǎng)度變化均分為180等份。②攝氏溫標(biāo):冰的熔點(diǎn)：0℃水的沸點(diǎn)：100℃0℃~100℃之間，根據(jù)水銀柱長(zhǎng)度變化均分為100等份兩種溫標(biāo)的關(guān)系:德國(guó)物理學(xué)家華倫海特瑞典科學(xué)家攝爾修斯當(dāng)前第1頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)1③熱力學(xué)溫標(biāo)根據(jù)理想氣體的熱力學(xué)定律得到(高中物理)。單位：開爾文(K)④國(guó)際溫標(biāo)(a)國(guó)際溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)溫標(biāo)基礎(chǔ)上的，它們本質(zhì)上是一致的。故其單位也為開爾文(K)。國(guó)際溫標(biāo)(熱力學(xué)溫標(biāo))T與攝氏溫標(biāo)t的關(guān)系：T=t+273.15(b)根據(jù)一些物質(zhì)的熔點(diǎn)，沸點(diǎn)和三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度，定義了11個(gè)可以復(fù)現(xiàn)的溫度點(diǎn)。(c)規(guī)定了4個(gè)溫度段的標(biāo)準(zhǔn)儀器。Ⅰ.13.82K~273.15K，低溫鉑電阻溫度計(jì);Ⅱ.273.15K~903.89K，鉑電阻溫度計(jì);Ⅲ.903.89K~1337.58K，鉑銠-鉑熱電偶溫度計(jì);Ⅳ.1337.58K，光測(cè)溫度計(jì)。當(dāng)前第2頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)22.溫度的測(cè)量方法(參見表15-1)(1)接觸式測(cè)量。①優(yōu)點(diǎn)：(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜;(b)工作可靠(精度高)。(2)非接觸式測(cè)量。②缺點(diǎn)：(a)特殊場(chǎng)合，接觸式測(cè)量不適用;(b)接觸測(cè)量會(huì)影響被測(cè)物的溫度場(chǎng)。①優(yōu)點(diǎn):

(a)可用于高溫,強(qiáng)腐蝕等場(chǎng)所;(b)不會(huì)影響被測(cè)物的溫度場(chǎng)。②缺點(diǎn):

(a)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；(b)精度低。(對(duì)表15-1進(jìn)行說明)當(dāng)前第3頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)3二.膨脹式溫度傳感器(體積式)1.液體膨脹式（略）原理：雙金屬片的彎曲效應(yīng)2.固體膨脹式而且溫度變化越大，彎曲得就越厲害。可見：根據(jù)雙金屬片的彎曲方向和程度就可測(cè)出溫度的變化。當(dāng)前第4頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)43.氣體膨脹式原理：氣體V一定時(shí)，p/T=C?？梢姕y(cè)出p，就可測(cè)出T。當(dāng)前第5頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)5三.熱電偶傳感器1.結(jié)構(gòu)T：測(cè)量端(熱端或工作端);T0：自由端(冷端或參考端)。熱電偶：兩不同的半導(dǎo)體或者導(dǎo)體接成的一閉合回路。熱電效應(yīng)：不同A、B，在接觸點(diǎn)T≠T0，則回路產(chǎn)生熱電勢(shì)(接觸電勢(shì)和溫差電電勢(shì))的現(xiàn)象。2.工作原理：熱電效應(yīng)當(dāng)前第6頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)6(1)接觸電勢(shì)①接觸點(diǎn)T處:②接觸點(diǎn)T0處:同理可得到此處也存在上為正的電勢(shì)eAB(T0)當(dāng)前第7頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)7(2)溫差電勢(shì)①A導(dǎo)體:②B導(dǎo)體:同理可得到B也存在左為正的電勢(shì)eA(T,T0)當(dāng)前第8頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)8(3)回路總電勢(shì)eAB(T,T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)

溫差電勢(shì)<<接觸電勢(shì)，于是eAB(T,T0)≈eAB(T)-eAB(T0)(4)測(cè)溫原理參考端T0恒定，eAB(T0)=C，故eAB(T,T0)=eAB(T)-C=f

(T)回路總電勢(shì)只與T有關(guān)，反之測(cè)出總電勢(shì)，就可測(cè)出T。熱電偶測(cè)溫原理當(dāng)前第9頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)92.熱電偶的基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律條件：熱電偶導(dǎo)體A、B都是均質(zhì)導(dǎo)體但A、B之間是不同材質(zhì)證明:結(jié)論：①熱電勢(shì)只與A、B的接觸溫度T、T0及材質(zhì)有關(guān)。

②與A、B尺寸形狀和各處溫度無關(guān)。①可見，熱電勢(shì)只與T、T0及NAT，NBT，NAT0，NBT0有關(guān)。與T、T0和A、B材質(zhì)有關(guān),與尺寸形狀無關(guān)故可得結(jié)論①，且熱電勢(shì)與A、B尺寸形狀無關(guān)。當(dāng)前第10頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)10證明:②熱電勢(shì)與各處溫度無關(guān)。設(shè)A中間有一點(diǎn)溫度TC：TC≠T，TC≠T0。TC處接觸電勢(shì)：可見，對(duì)于均質(zhì)材料，其它點(diǎn)的溫度不產(chǎn)生接觸電勢(shì)。實(shí)際指導(dǎo)意義:實(shí)際中冷端和熱端溫度不一樣，故它們之間的溫度是變化的。但由均質(zhì)定律，只要熱電偶是均質(zhì)材料，則不需要考慮中間溫度的變化。當(dāng)前第11頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)11(2)中間導(dǎo)體定律A、B組成的熱電偶中接入第三種導(dǎo)體C，且滿足條件：C的接入兩端溫度相等；證明:

①C接入冷端T0(或者熱端T)。結(jié)論：熱電勢(shì)不變。當(dāng)前第12頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)12證明:

②C接入A的中間(或B的中間)。實(shí)際指導(dǎo)意義:測(cè)量熱電勢(shì)時(shí)，必須要接入電壓表或者測(cè)量電路。但由中間導(dǎo)體定律，只要兩接入點(diǎn)溫度相等，則熱電勢(shì)不變。當(dāng)前第13頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)13熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)為eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)，則在t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)為證明:(3)中間溫度定律當(dāng)前第14頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)14應(yīng)用:①利用分度表求T0≠0℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)。例：利用表15-3求S型熱電偶T0=30℃，T=1150℃時(shí)的熱電勢(shì)。解:②在補(bǔ)償導(dǎo)線上的應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線：如冷端和熱端相距較遠(yuǎn)，熱電偶無法連接它們，則需要在熱電偶和冷端間加補(bǔ)償導(dǎo)線(如圖中A′B′)。設(shè)兩接入點(diǎn)溫度都為tC，則熱電勢(shì)為當(dāng)前第15頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)15②①熱電勢(shì)不變(a)A與A′，B與B′是相同導(dǎo)體，則①、②式明顯滿足，故此時(shí)熱電勢(shì)不變。(b)A與A′,B與B′不是相同導(dǎo)體，則①式②式③④A與,B與滿足③④式，則稱A與,B與熱電特性相似。當(dāng)前第16頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)16結(jié)論：補(bǔ)償導(dǎo)線不影響熱電勢(shì)的條件(a)兩接入點(diǎn)溫度相等(都為tC)。(b)

A與，B與是相同的導(dǎo)體(或熱電特性相似)。當(dāng)前第17頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)17(4)參考電極定律A、B、C導(dǎo)體組成熱電偶AB、AC、BC，如果AB、AC的熱電勢(shì)已知，則BC的熱電勢(shì)為證明:當(dāng)前第18頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)18應(yīng)用：利用標(biāo)準(zhǔn)電偶的分度表某些非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)。例：利用書上分度表計(jì)算鎳硅-銅鎳熱電偶在T0=0℃,T=30℃時(shí)的熱電勢(shì).解:由表15-5，知由表15-6，知當(dāng)前第19頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)19(1)8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶3.熱電偶類型當(dāng)前第20頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)20(2)分度表：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在T0=0℃時(shí)的熱電勢(shì)值表15-3~15-6給出了S、B、K、E型的分度表。4.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式(1)普通型熱電偶當(dāng)前第21頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)21(2)鎧裝熱電偶主要優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。②機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。(3)薄膜熱電偶主要優(yōu)點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小(可薄到0.01~0.1μm)，具有熱容量小，反應(yīng)時(shí)間可達(dá)到微秒級(jí)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。當(dāng)前第22頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)225.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端補(bǔ)償(1)補(bǔ)償導(dǎo)線

①適用范圍：測(cè)溫端和處理電路所在的控制室較遠(yuǎn)(可達(dá)幾十米，而熱電偶為35cm~2m)。②補(bǔ)償方法:(a)熱電偶較便宜(鎳、銅、鐵)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶材料一致。(b)熱電偶較貴(鉑)，補(bǔ)償導(dǎo)線用熱電特性相似的廉價(jià)金屬代替。當(dāng)前第23頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)23(2)冷端補(bǔ)償：T0≠0℃時(shí)，如何利用分度表。②冷端0℃恒溫法：

冷端放入裝滿冰水混合物中。①冷端溫度修正法：利用中間溫度定律進(jìn)行修正當(dāng)前第24頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)24(b)工作原理:熱電偶回路總電勢(shì)e總=eAB(T)-eAB(T0)+UABⅠ.T0=0℃時(shí)，調(diào)整RCu使得UAB=0，則e總=eAB(T)-eAB(0)(a)結(jié)構(gòu)：錳銅電阻R1、R2

、R3(溫度系數(shù)很小)；銅電阻RCu(溫度系數(shù)較大)；穩(wěn)壓電源。③補(bǔ)償電橋法Ⅱ.T0↑e總=eAB(T)-eAB(T0)+UAB變化很小。即e總≈eAB(T)-eAB(0)，這相當(dāng)于冷端溫度恒定為0。當(dāng)前第25頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)256.熱電偶測(cè)溫線路(1)典型電路圖15-17熱電偶典型測(cè)溫線路普通測(cè)溫線路；(b)帶有補(bǔ)償器的測(cè)溫線路；(c)具有溫度變送器的測(cè)溫線路；(d)具有一體化溫度變送器的測(cè)溫線路當(dāng)前第26頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)26(2)熱電偶的串并聯(lián)(a)同向串聯(lián)：E總=E1+E2+E3+En，測(cè)幾個(gè)溫度之和。(b)反向串聯(lián)：E總=E1-E2，測(cè)2個(gè)溫度之差。當(dāng)前第27頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)27r1、r2、r3、r4是相同熱電偶電阻，RL是儀表電阻。(c)并聯(lián):等效電路如右于是有r1=r2=r3=r4=r<<RL測(cè)平均溫度當(dāng)前第28頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)28四.熱電阻傳感器熱電阻：金屬熱電阻。熱敏電阻：半導(dǎo)體熱電阻。熱電阻傳感器：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。1.常用熱電阻(1)鉑熱電阻

①特點(diǎn)：(a)精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。(b)溫度范圍為-200~+850℃。②特性方程:(a)-200~0℃內(nèi)：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](b)0~850℃內(nèi)：

Rt=R0(1+At+Bt2)Rt和R0分別為t℃和0℃時(shí)鉑電阻值;A,B和C為常數(shù)。當(dāng)前第29頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)29(2)銅熱電阻②特性方程:

Rt=R0(1+αt)Rt和R0分別為t℃和0℃時(shí)電阻值;α為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)。①特點(diǎn)：(a)測(cè)量精度不高;(b)溫度范圍為50~+150℃，不適宜在高溫下工作;(c)銅熱電阻線性好，價(jià)格便宜。當(dāng)前第30頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)302.熱電阻的結(jié)構(gòu)(1)結(jié)構(gòu)：電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒。當(dāng)前第31頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)31(2)熱電阻內(nèi)部引線方式：兩線制、三線制和四線制。①研究引線方式的重要意義溫度變化也會(huì)引起引線電阻的變化，這種變化如果不進(jìn)行處理的話，它會(huì)被誤當(dāng)做是熱電阻的變化，引起測(cè)量誤差。而選擇合適的引線方式就可以避免這種誤差。②兩線制：二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大，用于測(cè)溫精度不高場(chǎng)合。當(dāng)前第32頁\共有34頁\編于星期二\17點(diǎn)32③三線制：可以減小引線電阻引起的測(cè)量誤差。R：三根相同的引線的電阻；Rt：熱電阻；R1=R2：固定電阻。R4：精密電位器。μA表(b)工作原理：