傳感器原理與應用習題-第7章熱電式傳感器.doc

傳感器原理與應用及傳感器與測量技術(shù)習題集與部分參考答案教材：傳感器技術(shù)（第3版）賈伯年主編，及其他參考書第7章 熱電式傳感器7-1 熱電式傳感器有哪幾類？它們各有什么特點？答：熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點：（1)高溫度系數(shù)、高電阻率。(2)化學、物理性能穩(wěn)定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性小（5）準確度高（6）輸出信號便于遠傳7-2 常用的熱電阻有哪幾種？適用范圍如何？答：鉑、銅為應用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測量精度高。銅在-50150范圍內(nèi)銅電阻化學、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線性，價格低廉。當溫度高于100時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有侵蝕性的介質(zhì)中工作。7-3 熱敏電阻與熱電阻相比較有什么優(yōu)缺點？用熱敏電阻進行線性溫度測量時必須注意什么問題？7-4 利用熱電偶測溫必須具備哪兩個條件？答：（1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同7-5 什么是中間導體定律和連接導體定律？它們在利用熱電偶測溫時有什么實際意義？答：中間導體定律：導體A、B組成的熱電偶，當引入第三導體時，只要保持第三導體兩端溫度相同，則第三導體對回路總熱電勢無影響。利用這個定律可以將第三導體換成毫伏表，只要保證兩個接點溫度一致，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。連接導體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢EAB(T,T0)與連接導線電勢EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。連接導體定律是工業(yè)上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎。7-6 什么是中間溫度定律和參考電極定律？它們各有什么實際意義？答：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)這是中間溫度定律表達式，即回路的總熱電勢等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。Tn為中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎。7-7 鎳絡-鎳硅熱電偶測得介質(zhì)溫度800，若參考端溫度為25，問介質(zhì)的實際溫度為多少？答：t=介質(zhì)溫度+k*參考溫度（800+1*25=825）7-8 熱電式傳感器除了用來測量溫度外，是否還能用來測量其他量？舉例說明之。7-9 實驗室備有鉑銠-鉑熱電偶、鉑電阻器和半導體熱敏電阻器，今欲測量某設備外殼的溫度。已知其溫度約為300400，要求精度達2，問應選用哪一種？為什么？圖710 用浸入式熱電偶測量熔融金屬示意圖1 鋼水包；2鋼熔融體； 3熱電極A 、 B4 、7補償導線接線柱 5補償導線6保護管8毫伏表9、10 毫伏表接線柱*7-10在煉鋼廠中，有時直接將廉價熱電極（易耗 品，例如鎳鉻、鎳硅熱偶絲，時間稍長即熔化）插入鋼水中測量鋼水溫度，如圖 7-10所示。試說明測量鋼水溫度的基本原理？為什么不必將工作端焊在一起？ 要滿足哪些條件才不影響測量精度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律？如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？ 答：測量鋼水溫度的基本原理是利用了熱電效應；因為鋼水是導體，又處在同一個溫度下，把鋼水看作是第三導體接入，利用了熱電偶的導體接入定律；如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料不行，因為，塑料不導電，不能形成熱電勢。*7-11 用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫度，已知冷端溫度為40，用高精度毫伏表測得這時的熱電勢為29.186mV ，求被測點溫度？答：查K分度表，熱電偶在40時相對于0的熱電勢為：1.6118mV;由公式：=29.186+1.6118mV=30.798mV;查K分度表得被測點溫度值為：740。*7-12 使用k型熱電偶，基準接點為0、測量接點為30和900時，溫差電動勢分別為1.203mV和37.326mV。當基準接點為30，測溫接點為900時的溫差電動勢為多少？ 答：由公式，得：當基準接點為30，測溫接點為900時的溫差電動勢為:37.326-1.203=36.123mV。7-13 熱電偶冷端溫度對熱電偶的熱電勢有什么影響？為消除冷端溫度影響可采用哪些措施？半導體熱敏電阻的主要優(yōu)缺點是什么？在電路中是怎樣克服的？7-14 PN結(jié)為什么可以用來作為溫敏元件？7-15 集成溫度傳感器的測溫原理，有何特點？7-16 如果需要測量1000和20溫度時，分別宜采用哪種類型的溫度傳感器？7-17 采用一只溫度傳感器能否實現(xiàn)絕對溫度、攝氏溫度、華氏溫度的測量？怎樣做？7-18 熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應用在什么不同場合？答：熱電阻傳感器分為以下幾種類型：鉑電阻傳感器：特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。主要作為標準電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，還被廣泛地應用于溫度的基準、標準的傳遞，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一種。銅電阻傳感器：價錢較鉑金屬便宜。在測溫范圍比較小的情況下，有很好的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫度之間接近線性關(guān)系。材料容易提純，價格便宜。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。鐵電阻和鎳電阻：鐵和鎳兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小、靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，復制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。目前應用不多。7-19 什么叫熱電動勢、接觸電動勢和溫差電動勢？說明熱電偶測溫原理及其工作定律的應用。分析熱電偶測溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法。答：熱電動勢：兩種不同材料的導體（或半導體）A、B串接成一個閉合回路，并使兩個結(jié)點處于不同的溫度下，那么回路中就會存在熱電勢。有電流產(chǎn)生相應的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢。 接觸電動勢：接觸電勢是由兩種不同導體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電勢。它的大小取決于兩導體的性質(zhì)及接觸點的溫度，而與導體的形狀和尺寸無關(guān)。溫差電動勢：是在同一根導體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的熱電效應。所謂熱電效應，就是當不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。熱電偶三定律：a 中間導體定律：熱電偶測溫時，若在回路中插入中間導體，只要中間導體兩端的溫度相同，則對熱電偶回路總的熱電勢不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測溫時，連接導線及顯示一起等均可看成中間導體。b 中間溫度定律：任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為T，冷端為T 時的熱電勢等于該熱電偶熱端為T冷端為Tn時的熱電勢與同一熱電偶熱端為Tn，冷端為T0時熱電勢的代數(shù)和。應用：對熱電偶冷端不為0度時，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長度不夠時，可根據(jù)中間溫度定律選用適當?shù)难a償線路。c參考電極定律：如果A、B兩種導體（熱電極）分別與第三種導體C（參考電極）組成的熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0）時分別為EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么受相同溫度下，又A、B兩熱電極配對后的熱電勢為EAB（T，T0）= EAC（T，T0）- EBC（T，T0）實用價值：可大大簡化熱電偶的選配工作。在實際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標準鉑電極配對的熱電勢，那么由這兩種熱電極配對組成熱電偶的熱電勢便可由上式求得，而不需逐個進行測定。誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響減小誤差的措施有：a 0oC恒溫法b 計算修正法（冷端溫度修正法）c 儀表機械零點調(diào)整法d 熱電偶補償法e 電橋補償法f 冷端延長線法。7-20 試述熱電偶測溫的基本原理和基本定理。答：熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的熱電效應。所謂熱電效應，就是當不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩個結(jié)點的溫度不同，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小?；径ɡ硪姷?題。7-21 試比較電阻溫度計與熱電偶溫度計的異同點。答：電阻溫度計利用電阻隨溫度變化的特性來測量溫度。熱電偶溫度計是根據(jù)熱電效應原理設計而成的。前者將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的大小，后者將溫度轉(zhuǎn)換為電勢大小。相同點：都是測溫傳感器，精度及性能都與傳感器材料特性有關(guān)。7-22 試解釋負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性并說明其用途。答：伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。當電流很小時不足以引起自身發(fā)熱，阻值保持恒定，電壓降與電流間符合歐姆定律。當電流IIs時，隨著電流增加，功耗增大，產(chǎn)生自熱，阻值隨電流增加而減小，電壓降增加速度逐漸減慢，因而出現(xiàn)非線性的正阻區(qū)ab。電流增大到Is時，電壓降達到最大值Um。此后，電流繼續(xù)增大時，自熱更為強烈，由于熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)大，阻值隨電流增加而減小的速度大于電壓降增加的速度，于是就出現(xiàn)負阻區(qū)bc段。研究伏安特性，有助于正確選擇熱敏電阻的工作狀態(tài)。對于測溫、控溫和溫度補償，應工作于伏安特性的線性區(qū)，這樣就可以忽略自熱的影響，使電阻值僅取決于被測溫度。對于利用熱敏電阻的耗散原理工作的場合，例如測量風速、流量、真空等，則應工作于伏安特性的負阻區(qū)。7-23 有一串聯(lián)的熱敏電阻測溫電路，如圖所示。試設計其最佳線性工作特性，并計算其線性度，最后，用坐標紙每5一點繪出電路圖中u=f(t)的曲線。7-24 鉑線電阻在20時為10。求500C時的電阻。答：R=R0（1+t）中，t=20，R=10，=30*10-4/。因此，10= R0（1+30*10-4*20），R= R0（1+30*10-4*50）得R10.8。17-25 下圖1所示的鉑測溫電阻元件，當溫度由0上升到100時，電阻變化率R/R0為多少?下圖2所示的熱敏電阻（R0=28k），其R/R0為多少?圖1圖2答：由圖1可讀取t=100時的R/R01.4。因此，R=1.4R0，又有R= R-R0= 1.4R0-R0=0.4 R0。因此，R/R=0.4。圖2的熱敏電阻中t=100時的R103。又R= R-R0=-27k。因此，R/R0=-27/28-0.96。7-26 上圖1 所示的鉑測溫電阻元件，在0200范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)為多少？答：由圖1 ，t=200處的R/R01.8，電阻溫度系數(shù)（曲線的傾斜率）=（1.8-1）/200=0.4%/。7-27 要測1000左右的高溫，用什么類型的熱電偶好？要測1500左右的高溫呢？答：若是1000鉻鎳-鋁鎳，鉑、銠-鉑，1500時，鉑、銠30%-鉑。7-28 使用k型熱電偶，基準接點為0、測量接點為30和900時，溫差電動勢分別為1.203mV和37.326mV。當基準接點為30，測溫接點為900時的溫差電動勢為多少？答：現(xiàn)t2=900 ，t1=30 ，基準接點溫度為30 ，測溫接點溫度為900時的溫差電動勢設為 E，則37.326=1.203+ E，所以E=36.123mV。7-29 0時鉑金熱電阻的阻值為100。按下圖所示進行溫度測量。R1=100,R2=200,R3=300時橋路達到平衡。此時溫度為多少？假設鉑金電阻的溫度系數(shù)為0.003851-1，電阻與溫度成線性關(guān)系，另外導線的電阻可忽略不計。答：電橋平衡的條件為R1* R2= R1* R3，所以另一方面，t()時的電阻阻值表示式為Rt= 100（1+0.003851*t）Rt=150所以t =129.87-30 0時的電阻為100的鉑金熱電阻。300時的阻值按下面兩種方法計算，其結(jié)果之差換算成溫度差是多少？電阻用溫度的一次方程表示，RT=R0（1+At+Bt2）式中B=0，A=0.003851-1。（此時100時的電阻值為138.51）電阻值與溫度為二次函數(shù)關(guān)系。用一次方程近似時，溫度誤差為多少？答：（1）RT=100（1+0.003851*t），以t=300代入，得RT=215.53。（2）RT=R0（1+At+Bt2）式中以t=300代入，得RT=212.05。（3）同（2），算得t=310時電阻值為215.61，即溫度上升10電阻增加3.56。因此，由（215.53-212.05）/0.356=9.8算得誤差為9.8。7-31 某熱敏電阻0時電阻為30k,若用來測量100物體的溫度，其電阻為多少？設熱敏電阻的系數(shù)B為3450K。答：式中以R0=3*104，B=3450，T=373.15和T0=273.15代入得RT=1.017k。7-32 和人體體溫（36）相同的黑體，其熱輻射的分光輻射輝度為最大時波長為多少？答：將T=273.15+36=309.15代入m*T=2.8978*10-3mK,得m=9.37*10-6 m=9.37m。7-33 何謂熱電阻傳感器？測量溫度的范圍？答：熱電阻利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器稱熱電阻傳感器。常用的熱電阻有：鉑、銅等。鉑（-200650）、銅（-50150）經(jīng)常使用電橋作為傳感器的測量電路，為了減少連線電阻變化引起的誤差，工業(yè)上用鉑電阻引線為三根，實驗室用四根，可消除測量電路中連線電阻引起的誤差。7-34 熱電勢公式：，從公式中得到的哪幾個結(jié)論？答：（1）若組成熱電偶回路的兩種導體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢為零。（2）如熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導體A、B的材料不同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢為零。（3）熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān)，而只與接點溫度有關(guān)。（4）熱電偶AB在接點溫度為時的熱電勢，等于熱電偶在接點溫度為和時的熱電勢總和。（5）在勢電偶回路中，接入第三種材料的導線，只要第三種導線的兩端溫度相同，第三種導線的引入不會影響熱電偶的熱電勢。（6）當溫度為時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電勢之代數(shù)和。7-35 熱電偶測溫的物理基礎是什么？熱電偶冷端為什么要溫度補償？常用的溫度補償方法有哪些？答：熱電偶測溫的物理基礎是熱電效應。為了熱