2022年传感器原理与应用习题-第7章热电式传感器.docx

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1、精品学习资源传感器原理与应用及传感器与测量技术习题集与部分参考答案教材：传感器技术第3 版贾伯年主编，及其他参考书第 7 章 热电式传感器7-1 热电式传感器有哪几类？它们各有什么特点？答：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置；它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器；热电阻传感器的特点： 1 高温度系数、高电阻率；2 化学、物理性能稳固；3 良好的输出特性； 4.良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本；热电偶传感器的特点： 1 结构简洁 2 制造便利 3 测温范畴宽 4 热惯性小 5 精确度高 6 输出信号便于远传7-2 常用的热电阻有哪几种？适用范畴如何？答：铂、铜为应用最广

2、的热电阻材料；铂简洁提纯，在高温顺氧化性介质中化学、物理性能稳固，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高；铜在 -50 150 范畴内铜电阻化学、物理性能稳固，输出输入特性接近线性， 价格低廉；当温度高于 100 时易被氧化， 因此适用于温度较低和没有腐蚀性的介质中工作；7-3 热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？用热敏电阻进行线性温度测量时必需留意什么问题？7-4 利用热电偶测温必需具备哪两个条件？答： 1 用两种不同材料作热电极2 热电偶两端的温度不能相同7-5 什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？答：中间导体定律：导体A 、 B 组成的热电偶，当

3、引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，就第三导体对回路总热电势无影响；利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一样， 就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出；连接导体定律： 回路的总电势等于热电偶电势E AB T ,T0 与连接导线电势EA B Tn,T0的代数和； 连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础；7-6 什么是中间温度定律和参考电极定律？它们各有什么实际意义？ 答： E AB T ,Tn,T0=EAB T ,Tn+EAB Tn,T0这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于E AB T ,Tn 与 E AB Tn,T0的代数和； Tn为

4、中间温度；中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础；7-7 镍络-镍硅热电偶测得介质温度800 ，假设参考端温度为25 ，问介质的实际温度为多少？ 答： t= 介质温度 +k* 参考温度 800+1*25=8257-8 热电式传感器除了用来测量温度外，是否仍能用来测量其他量？举例说明之；7-9 试验室备有铂铑 - 铂热电偶、铂电阻器和半导体热敏电阻器，今欲测量某设备外壳的温度；已知其温度约为 300400，要求精度达2 ，问应选用哪一种？为什么？欢迎下载精品学习资源1 钢水包；2钢熔融体；3 热 电 极 A、B4、7 补偿导图 7 10 用浸入式热电偶测量熔融金属示意图线接线柱*7-10在炼钢厂

5、中，有时直接将廉价热电极易耗品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化插入钢水中测量钢水温度，如图7-10所示；试说明测量钢水温度的基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？要满意哪些条件才不影响测量精度？采纳上述方法是利用了热电偶的什么定律？假如被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应； 由于钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看 作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律； 假如被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，由于， 塑料不导电，不能形成热电势；欢迎下载精品学习资源*7-11用镍铬 -镍硅 K 热电偶测温度，已知冷端温度29.186mV，求被

6、测点温度？t0 为 40 ，用高精度毫伏表测得这时的热电势为欢迎下载精品学习资源答：查 K 分度表，热电偶在40 时相对于 0 的热电势为： 1.6118mV;欢迎下载精品学习资源由公式：U t,0U t ,40U 40,0=29.186+1.6118mV=30.798mV;欢迎下载精品学习资源查 K 分度表得被测点温度值为：740 ；*7-12使用 k 型热电偶， 基准接点为 0 、 测量接点为 30 和 900 时， 温差电动势分别为1.203mV和 37.326mV；当基准接点为 30 ，测温接点为 900 时的温差电动势为多少？欢迎下载精品学习资源答：由公式U 900,0U 900,3

7、0U 30,0 ，得：U 900,30U 900,0U 30,0欢迎下载精品学习资源当基准接点为 30 ，测温接点为 900 时的温差电动势为 :37.326-1.203=36.123mV；7-13 热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为排除冷端温度影响可采纳哪些措施？半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？7-14 PN结为什么可以用来作为温敏元件？7-15 集成温度传感器的测温原理，有何特点？7-16 假如需要测量 1000和 20 温度时，分别宜采纳哪种类型的温度传感器？7-17 采纳一只温度传感器能否实现肯定温度、摄氏温度、华氏温度的测量？怎样做？7-18 热电阻

8、传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？ 答：热电阻传感器分为以下几种类型： 铂电阻传感器：特点是精度高、稳固性好、性能牢靠；主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中；此外，仍被广泛地应用于温度的基准、标准的传递，是目前测温复现性最好的一种； 铜电阻传感器：价钱较铂金属廉价；在测温范畴比较小的情形下，有很好的稳固性；温度系数比较大， 电阻值与温度之间接近线性关系；材料简洁提纯，价格廉价；不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小；欢迎下载精品学习资源 铁电阻和镍电阻：铁和镍两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小、灵敏度高的电阻温度计，其缺点是简洁氧化，化学稳固性差

9、，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差；目前应用不多；7-19 什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用；分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法；答： 热电动势：两种不同材料的导体或半导体A 、B 串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电势；有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势； 接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势；它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的外形和尺寸无关； 温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一

10、种电势； 热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的 热电效应 ；所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时， 假设两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象；两点间的温差越大， 产生的电动势就越大；引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小； 热电偶三定律：a 中间导体定律：热电偶测温时，假设在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就对热电偶回路总的热电势不产生影响；在用热电偶测温时，连接导线及显示一起等均可看成中间导体；b 中间温度定律：任何两种匀称材料组成的热电偶，热端为T ，冷端为T时的热电势等于该热电偶热端为 T 冷端为 T n 时的热电势与

11、同一热电偶热端为T n ，冷端为 T 0 时热电势的代数和；应用：对热电偶冷端不为0 度时，可用中间温度定律加以修正；热电偶的长度不够时，可依据中间温度定律选用适当的补偿线路；c 参考电极定律：假如A 、B 两种导体热电极分别与第三种导体C参考电极组成的热电偶在结点 温度为 T ，T 0 时分别为 E AC T ， T0 和 E BC T ，T 0 ，那么受相同温度下，又A 、B 两热电极配对后的热电势为E AB T ， T 0 = E AC T ， T 0 - E BC T ， T 0 有用价值：可大大简化热电偶的选配工作；在实际工作中，只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势，那么由这两

12、种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，而不需逐个进行测定； 误差因素：参考端温度受四周环境的影响减小误差的措施有：a 0 o C 恒温法b 运算修正法冷端温度修正法c 外表机械零点调整法d 热电偶补偿法e 电桥补偿法f 冷端延长线法；7-20 试述热电偶测温的基本原理和基本定理；欢迎下载精品学习资源答：热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的 热电效应 ；所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，假设两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象；两点间的温差越大，产生的电动势就越大；引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小；基本定理见第 7 题；7-

13、21 试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点；答：电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温度；热电偶温度计是依据热电效应原理设计而成的；前者将温度转换为电阻值的大小，后者将温度转换为电势大小；相同点：都是测温传感器，精度及性能都与传感器材料特性有关；7-22 试说明负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并说明其用途；答：伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I 与其上电压降 U 之间的关系； 当电流很小时不足以引起自身发热，阻值保持恒定，电压降与电流间符合欧姆定律；当电流IIs时，随着电流增加，功耗增 大，产生自热，阻值随电流增加而减小，电压降增加速度逐步减慢，因而显现非线性的正阻区ab ；电

14、流增大到 Is 时，电压降到达最大值Um ；此后，电流连续增大时，自热更为剧烈，由于热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度，于是就显现负阻区bc段；讨论伏安特性，有助于正确挑选热敏电阻的工作状态；对于测温、控温顺温度补偿，应工作于伏安特性的线性区，这样就可以忽视自热的影响，使电阻值仅取决于被测温度；对于利用热敏电阻的耗散原理工作的场合，例如测量风速、流量、真空等，就应工作于伏安特性的负阻区；7-23 有一串联的热敏电阻测温电路，如下图；试设计其最正确线性工作特性，并运算其线性度，最终，用坐标纸每 5 一点绘出电路图中 u=ft的曲线；7-24铂线电阻在 20

15、时为 10 ；求 50 0 C 时的电阻；答： R=R 0 1 +t 中， t=20 ，R=10 ， =30*10-4/ ；因此， 10= R0 1+30*10-4*20， R= R 0 1+30*10-4*50得 ；17-25以下图 1 所示的铂测温电阻元件，当温度由阻变化率 R/R 0 为多少 .以下图 2 所示的热敏电阻为多少 .0 上升到 100 时，电R 0 =28k ，其 R/R0图 1图 2答：由图 1 可读取 t=100 时的 R/R 0 1.4 ；因此 0 ， 又有 R= R-R00 -R 0 =0.4 R0；因此， R/R=0.4；欢迎下载精品学习资源图 2 的热敏电阻中t

16、=100 时的 R103 ；又 R= R-R0 =-27k；因此， R/R 0 ；7-26 上图 1所示的铂测温电阻元件，在0 200 范畴内的电阻温度系数为多少？ 答：由图 1， t=200处的 R/R 0 1.8 ，电阻温度系数 曲线的倾斜率= 1.8-1/200=0.4%/ ；7-27 要测 1000左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500 左右的高温呢？答：假设是 1000 铬镍 -铝镍，铂、铑 -铂， 1500 时，铂、铑 30%- 铂；7-28 使用 k 型热电偶，基准接点为0 、测量接点为30 和 900 时，温差电动势分别为1.203mV和 37.326mV；当基准接点为

17、 30 ，测温接点为900 时的温差电动势为多少？ 答：现 t 2 =900 ， t 1 =30 ，基准接点温度为30 ，测温接点温度为 900 时的温差电动势设为E ， 就 37.326=1.203+ E，所以 E=36.123mV；7-29 0 时铂金热电阻的阻值为 100 ；按以下图所示进行温度测量； R 1 =100 ,R 2 =200 ,R 3 =300 时桥路到达平稳； 此时温度为多少？假设铂金电阻的温度系数为 0.003851 -1 ，电阻与温度成线性关系， 另外导线的电阻可忽视不计；答：电桥平稳的条件为R 1 * R 2 = R 1 * R 3 ，所以另一方面， t 时的电阻阻

18、值表示式为R t= 1001+0.003851*tR t =150所以 t =129.87-30 0 时的电阻为10 0 的铂金热电阻； 300 时的阻值按下面两种方法运算，其结果之差换算成温度差是多少？电阻用温度的一次方程表示， R T =R 0 1+A t+B t2 式中 B=0 ， A=0.003851 -1 ；此时 100 时的电阻值为 138.51 电阻值与温度为二次函数关系； 用一次方程近似时， 温度误差为多少？答： 1 R T =1001+0.003851*t，以 t=300 代入，得 R T =215.53 ；欢迎下载精品学习资源2 R T=R 0 1+At+Bt2式中以 t=

19、300 代入，得 R T =212.05 ；3 同 2 ，算得 t=310 时电阻值为 215.61 ， 即温度上升 10 电阻增加 3.56 ；9.8 ；7-31 某热敏电阻 0 时电阻为 30k,假设用来测量 100 物体的温度，其电阻为多少？设热敏电阻的系数 B 为 3450K；答：式中以 R 00T =1.017k ；7-32 和人体体温 36 相同的黑体，其热辐射的分光辐射辉度为最大时波长为多少？ 答：将 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 何谓热电阻传感器？测量温度的范畴？答：热电阻利用

20、电阻随温度变化的特性制成的传感器称热电阻传感器；常用的热电阻有：铂、铜等；铂 -200 650 、铜 -50 150 常常使用电桥作为传感器的测量电路，为了削减连线电阻变化引起的误差，工业上用铂电阻引线为三根，试验室用四根，可排除测量电路中连线电阻引起的误差；欢迎下载精品学习资源7-34 热电势公式：EAB T, T0 EAB T EAB T0 k T en AT 0 lnnB，从公式中得到的哪几个结论？欢迎下载精品学习资源答：1 假设组成热电偶回路的两种导体相同，就无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电势为零；欢迎下载精品学习资源2 如热电偶两接点温度相同，TT 0 ，就尽管导体A 、B

21、的材料不同，就无论两接点温度如何，热电欢迎下载精品学习资源偶回路中的总热电势为零；3 热电偶 AB 的热电势与A 、 B 材料的中间温度无关，而只与接点温度有关；欢迎下载精品学习资源4 热电偶 AB在接点温度为T1, T3 时的热电势， 等于热电偶在接点温度为T1 ,T2 和 T2 ,T3 时的热电势总和；欢迎下载精品学习资源5 在势电偶回路中，接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同，第三种导线的引入不会影响热电偶的热电势；欢迎下载精品学习资源6 当温度为T1, T2 时，用导体 A ，B 组成的热电偶的热电势等于AC 热电偶和 CB 热电偶的热电势之代欢迎下载精品学习资源数和；7

22、-35 热电偶测温的物理基础是什么？热电偶冷端为什么要温度补偿？常用的温度补偿方法有哪些？欢迎下载精品学习资源答：热电偶测温的物理基础是热电效应；为了热电势与被测温度间呈单值函数关系，需要热电偶冷端的温度保持恒定；由于热电偶的温度热电势关系曲线刻度特性是在冷端温度保持0 的情形下得到的与之配套的外表是依据这一关系曲线进行刻欢迎下载精品学习资源度的，测量时，必需满意T00的条件，否就显现误差，而在实际工作时，冷端受外界温度影响；欢迎下载精品学习资源1 冷端温度恒温法； 2 运算修正法； 3 电桥补偿法；7-36常用热电偶及其测温范畴铂铑铂热电偶：长时间1300，良好环境短期1600；镍铭镍硅 铝

23、热电偶：氧化性或中性介质中900 以下 , 短期 1200以下，复原性介质500 以下镍铬考铜热电偶：复原性或中性介质600 以下，短期： 800 铂铑 30 铂铑 6 热电偶：长期1600，短期 1800；7-37 热电偶补偿导线的作用是什么？ 答：将热电偶冷端延长出来；7-38 试说明热电偶的测温原理；答：两种不同材料构成的热电变换元件称为热电偶，导体称为热电极，通常把两热电极的一个端点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常保持为某一恒定温度或室温，称冷羰；热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势两种电势组成；热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，在热电极接点接触面处产生自由电子的扩散现象； 扩散的结果， 接触面上逐步形成静电场；该静电场具有阻碍原扩散连续进行的作用， 当到达动态平稳时，在热电极接点处便产生一个稳固电势差，称为接触电势；其数值取决于热电偶两热电极的材料和接触点的温度，接点温度越高，接触电势越大；欢迎下载