傳感器原理與應(yīng)用習(xí)題熱電式傳感器

1、傳感器原理與應(yīng)用及傳感器與測(cè)量技術(shù)習(xí)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(shū)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(diǎn)？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(diǎn)：（1）高溫度系數(shù)、高電阻率。（2）化學(xué)、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(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）制造方便（3）測(cè)溫范圍寬（4）熱慣性?。?）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳7-2常用的熱電阻有哪幾種？適用范圍如何？答：鉗、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材

2、料。鉗容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉗電阻輸出一輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。銅在-50150C范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出-輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。當(dāng)溫度高于100c時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒(méi)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(diǎn)？用熱敏電阻進(jìn)行線性溫度測(cè)量時(shí)必須注意什么問(wèn)題？7-4利用熱電偶測(cè)溫必須具備哪兩個(gè)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(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體定律？它們?cè)诶脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)有什么實(shí)際意義？答：中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持第

3、三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對(duì)回路總熱電勢(shì)無(wú)影響。利用這個(gè)定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB（T,T0）與連接導(dǎo)線電勢(shì)EA，B，（Tn,T0）的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。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(shí)際意義？答：EAB（T,Tn,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）這是中間溫度定律表達(dá)式，即回路的總熱電勢(shì)等于EAB（T,Tn）與EAB（TT0）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(chǔ)。

4、7-7饃絡(luò)-饃硅熱電偶測(cè)彳導(dǎo)介質(zhì)溫度800C,若參考端溫度為25C,問(wèn)介質(zhì)的實(shí)際溫度為多少？答：1=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(lái)測(cè)量溫度外，是否還能用來(lái)測(cè)量其他量？舉例說(shuō)明之。7-9實(shí)驗(yàn)室備有鉗銬-鉗熱電偶、鉗電阻器和半導(dǎo)體熱敏電阻器，今欲測(cè)量某設(shè)備外殼的溫度。已知其溫度約為300400C,要求精度達(dá)士2C,問(wèn)應(yīng)選用哪一種？為什么？*7-10在煉鋼廠中，有時(shí)直接將廉價(jià)熱電極(易耗品，例如饃銘、饃硅熱偶絲，時(shí)間稍長(zhǎng)即熔化)插入鋼水中測(cè)量鋼水溫度，如圖7-10所示。試說(shuō)明測(cè)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(cè)量精

5、度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律？如果被測(cè)物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？答：測(cè)量鋼水溫度的基本原理是利用了熱電效應(yīng)；因?yàn)殇撍菍?dǎo)體，又處在同一個(gè)溫度下，把鋼水看作是第三導(dǎo)體接入，利用了熱電偶的導(dǎo)體接入定律；如果被測(cè)物不是鋼水，而是熔化的塑料不行，因?yàn)?，塑料不?dǎo)電，不能形成熱電勢(shì)。*7-11用饃銘-饃硅(K)熱電偶測(cè)溫度，已知冷端溫度t0為40C,用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電勢(shì)為29.186mV,求被測(cè)點(diǎn)溫度？答：查K分度表，熱電偶在40C時(shí)相對(duì)于0c的熱電勢(shì)為：1.6118mV;由公式：U(t，0)=U(t，40)U(40,0)=29.186+1.6118mV=30.798m

6、V;查K分度表得被測(cè)點(diǎn)溫度值為：740C。*7-12使用k型熱電偶，基準(zhǔn)接點(diǎn)為0C、測(cè)量接點(diǎn)為30c和900c時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)分別為1.203mV和37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30C,測(cè)溫接點(diǎn)為900c時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？答：由公式U(900,0)=U(900,30)(30,0),得：U(900,30)=U(900,0)U(30,0)=當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30C,測(cè)溫接點(diǎn)為900c時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為：37.326-1.203=36.123mV。7-13熱電偶冷端溫度對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)有什么影響？為消除冷端溫度影響可采用哪些措施？半導(dǎo)體熱敏電阻的主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么？在電路中是怎樣克服的？7-14PN結(jié)為什么

7、可以用來(lái)作為溫敏元件？7-15集成溫度傳感器的測(cè)溫原理，有何特點(diǎn)？7-16如果需要測(cè)量1000C和20C溫度時(shí)，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(shí)現(xiàn)絕對(duì)溫度、攝氏溫度、華氏溫度的測(cè)量？怎樣做？7-18熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應(yīng)用在什么不同場(chǎng)合？答：熱電阻傳感器分為以下幾種類型：I白電阻傳感器：特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，也常被用在工業(yè)測(cè)量中。此外，還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。1電阻傳感器：價(jià)錢(qián)較鉗金屬便宜。在測(cè)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

8、近線性關(guān)系。材料容易提純，價(jià)格便宜。不足之處是測(cè)量精度較鉗電阻稍低、電阻率小。鐵電阻和饃電阻：鐵和饃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(jì)，1鋼水包；2鋼熔融體；3一熱電極A、B4、7補(bǔ)償導(dǎo)線接線柱5補(bǔ)償導(dǎo)線6保護(hù)管8一毫伏表9、10量伏表接圖710用浸入式熱電偶測(cè)量熔融金屬示意圖其缺點(diǎn)是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。目前應(yīng)用不多。7-19什么叫熱電動(dòng)勢(shì)、接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)？說(shuō)明熱電偶測(cè)溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測(cè)溫的誤差因素，并說(shuō)明減小誤差的方法。答：熱電動(dòng)勢(shì)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B

9、串接成一個(gè)閉合回路，并使兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度下，那么回路中就會(huì)存在熱電勢(shì)。有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，通稱熱電勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)：接觸電勢(shì)是由兩種不同導(dǎo)體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電勢(shì)。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無(wú)關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)：是在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢(shì)。熱電偶測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理基于物理的熱電效應(yīng)。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，那么在回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測(cè)得溫度的

10、大小。熱電偶三定律：a中間導(dǎo)體定律：熱電偶測(cè)溫時(shí)，若在回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶回路總的熱電勢(shì)不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線及顯示一起等均可看成中間導(dǎo)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(mén),冷端為T(mén)時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶熱端為T(mén)冷端為T(mén)n時(shí)的熱電勢(shì)與同一熱電偶熱端為T(mén)n,冷端為T(mén)0時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和。應(yīng)用：對(duì)熱電偶冷端不為0度時(shí)，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長(zhǎng)度不夠時(shí)，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償線路。c參考電極定律：如果A、B兩種導(dǎo)體（熱電極）分別與第三種導(dǎo)體C（參考電極）組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（T,T。）時(shí)分別為EAC（

11、T,T0）和EBC（T,T。），那么受相同溫度下，又A、B兩熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì)為EAB（T,To）=EAC（T,TO）-EBC（T,TO）實(shí)用價(jià)值：可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。在實(shí)際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉗電極配對(duì)的熱電勢(shì)，那么由這兩種熱電極配對(duì)組成熱電偶的熱電勢(shì)便可由上式求得，而不需逐個(gè)進(jìn)行測(cè)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：a0oC恒溫法b計(jì)算修正法（冷端溫度修正法）c儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法d熱電偶補(bǔ)償法e電橋補(bǔ)償法f冷端延長(zhǎng)線法。7-20試述熱電偶測(cè)溫的基本原理和基本定理。答：熱電偶測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理基于物理的熱電效應(yīng)。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料

12、的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，那么在回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測(cè)得溫度的大小。基本定理見(jiàn)第7題。7-21試比較電阻溫度計(jì)與熱電偶溫度計(jì)的異同點(diǎn)。答：電阻溫度計(jì)利用電阻隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。熱電偶溫度計(jì)是根據(jù)熱電效應(yīng)原理設(shè)計(jì)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(shì)大小。相同點(diǎn)：都是測(cè)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(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性并說(shuō)明其用途。答：伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過(guò)的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。當(dāng)電流很小時(shí)不足以

13、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(dāng)電流IIs時(shí)，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(shí)，電壓降達(dá)到最大值Um。此后，電流繼續(xù)增大時(shí)，自熱更為強(qiáng)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(fù)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(duì)于測(cè)溫、控溫和溫度補(bǔ)償，應(yīng)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(cè)溫度。對(duì)于利用熱敏電阻的耗散原理工作的場(chǎng)合，例如測(cè)量風(fēng)速、流量、真空等，則應(yīng)工作于伏安特性的負(fù)阻

14、區(qū)。7-23有一串聯(lián)的熱敏電阻測(cè)溫電路，如圖所示。試設(shè)計(jì)其最佳線性工作特性，并計(jì)算其線性度，最后，用坐標(biāo)紙每5c一點(diǎn)繪出電路圖中u=f(t)的曲線。7-24鉗線電阻在20C時(shí)為10a。求500C時(shí)的電阻。也才0答：R=R0(1+at)中，t=20C,R=10Q,a=30*10-4/C。.一因此，10=R0(1+30*10-4*20),R=Ro(1+30*10-4*50)得R10.8Q。0.17-25下圖1所示的鉗測(cè)溫電阻元件，當(dāng)溫度由0c上升到100C時(shí)，電阻變化率AR/R0為多少？下圖2所示的熱敏電阻(R0=28kQ)，其AR/RO為多少？圖1圖2答：由圖1可讀取t=100C時(shí)的R/R0=1

15、.4。因此，R=1.4R0,又有AR=R-R0=1.4R0-R0=0.4R0。因此，AR/R=0.4。taiB3mIDDso伯則根電網(wǎng)元件圖2的熱敏電阻中t=100C時(shí)的Z103a。又AR=R-R0=-27kQ。因此，AR/R0=-27/28=-0.96。7-26上圖1所示的鉗測(cè)溫電阻元件，在0200C范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)為多少？答：由圖1,t=200C處白R(shí)/R0=1.8,電阻溫度系數(shù)”(曲線的傾斜率)=(1.8-1)/200=0.4%/C。7-27要測(cè)1000C左右的高溫，用什么類型的熱電偶好？要測(cè)1500C左右的高溫呢？答：若是1000C銘?zhàn)x-鋁饃，鉗、銬-鉗，1500C時(shí)，鉗、銬30%

16、-鉗。7-28使用k型熱電偶，基準(zhǔn)接點(diǎn)為0C、測(cè)量接點(diǎn)為30c和900c時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)分別為1.203mV和37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30C,測(cè)溫接點(diǎn)為900c時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？答：現(xiàn)12=900C,t1=30C,基準(zhǔn)接點(diǎn)溫度為30C,測(cè)溫接點(diǎn)溫度為900c時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)設(shè)為E,貝U37.326=1.203+E,所以E=36.123mV。7-290C時(shí)鉗金熱電阻的阻值為100a。按下圖所示進(jìn)行溫度測(cè)量。RI=100Q,R2=200Q,R3=300Q時(shí)橋路達(dá)到平衡。此時(shí)溫度為多少？假設(shè)鉗金電阻的溫度系數(shù)為0.003851C-1,電阻與溫度成線性關(guān)系，另外導(dǎo)線的電阻可忽略不計(jì)。答：電橋平衡

17、的條件為RI*R2=R1*R3,所以另一方面，t(C)時(shí)的電阻阻值表示式為Rt=100(1+0.003851*t)Rt=150所以t=129.8C7-300C時(shí)的電阻為100a的鉗金熱電阻。300c時(shí)的阻值按下面兩種方法計(jì)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=0.003851C-1。(此時(shí)100C時(shí)的電阻值為138.51Q)電阻值與溫度為二次函數(shù)關(guān)系。用一次方程近似時(shí)，溫度誤差為多少？100*300200=1500Rt電源答：(1)RT=100(1+0.003851*t),以t=300C代入，得RT=215.53Q。(2)RT

18、=R0(1+At+Bt2)式中以t=300C代入，得RT=212.05Q。(3)同(2),算得t=310C時(shí)電阻值為215.61Q,即溫度上升10c電阻增加3.56Q。因此，由(215.53-212.05)/0.356=9.8算得誤差為9.8C。7-31某熱敏電阻0c時(shí)電阻為30kQ,若用來(lái)測(cè)量100c物體的溫度，其電阻為多少？設(shè)熱敏電阻的系數(shù)B為3450K。答：式中以R0=3*104,B=3450,T=373.15和T=273.15代入得RT=1.017kQ。7-32和人體體溫(36C)相同的黑體，其熱輻射的分光輻射輝度為最大時(shí)波長(zhǎng)為多少？答：將T=273.15+36=309.15代入入m*

19、T=2.8978*10-3mK,得入m=9.37*10-6m=9.37pm。7-33何謂熱電阻傳感器？測(cè)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：鉗、銅等。鉗(-200C650C)、銅(-50C150C)經(jīng)常使用電橋作為傳感器的測(cè)量電路，為了減少連線電阻變化引起的誤差，工業(yè)上用鉗電阻引線為三根，實(shí)驗(yàn)室用四根，可消除測(cè)量電路中連線電阻引起的誤差。_k_n7-34熱電勢(shì)公式：EAB(T,TO)=EAB(T)EAB(TO)=(TT0)ln,從公式中得到的哪幾個(gè)結(jié)論？enB答：(1)若組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢(shì)為零。(2)如熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，T0,則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電勢(shì)為零。(3)熱電偶AB的熱電勢(shì)與A、B材料的中間溫度無(wú)關(guān)，而只與接點(diǎn)溫度有關(guān)。(4)熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為 TI,T3時(shí)的熱電勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為 TI,T2和 T2,T3時(shí)的熱電勢(shì)總和。(5)在勢(shì)電偶回路中，接入第三種材料的導(dǎo)線，只要第三種導(dǎo)線的兩端溫度相同，第三種導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)。(6)當(dāng)溫度為一,丁2時(shí)，用導(dǎo)體A,B組成的熱電偶的熱電勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電勢(shì)之代數(shù)和。答：熱電偶測(cè)溫的物理基礎(chǔ)是熱電效應(yīng)。為了熱電勢(shì)與被測(cè)溫度間