传感器检测技术与仪表课件(完整版).pptx

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1、中国铁道出版社中国铁道出版社传感器检测技术与仪表2023/3/72第一章.绪论引言1.1传感器1.2传感器基本特性1.3传感器技术发展趋势1.4变送器1.5 传感器的标定和校准引言对传感器进行标定，目的是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。传感器的标定分为静态特性标定和动态特性标定。1.1传感器 传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置，其作用是感受被测参量的变化并按照一定规律和精确度将其转换为与之有确

2、定关系、便于应用的某种物理量信号。1.1.1传感器含意：传感器是测量装置，能完成信息采集任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量、生物量等；它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，输出物理量可是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。1.1.2传感器组成图1-1 传感器组成框图1.1.3传感器的分类表1-1 传感器的分类1.1.4传感器的作用与地位传感器为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号，所以传感器的作用与地位就特别重要了。“没有传感器就没有现代

3、科学技术”已为全世界所公认。若将计算机比喻为人的大脑，那么传感器则可以比喻为人的感觉器官。1.2传感器基本特性表1-2传感器的主要性能指标1.2.1传感器静(态)特性 所谓静（态）特性是传感器在稳态（输入量为常量，或变化极慢时）输入信号作用下，传感器输出与输入信号之间的关系，一般用曲线、数学表达式或表格表示。衡量静态特性的主要参数1.测量范围2.线性度3.灵敏度4.分辨率5.灵敏限6.迟滞7.重复性8.稳定性1.2.2传感器动(态)特性1.传感器的动态特性所谓静（态）特性是传感器在稳态（输入量为常量，或变化极慢时）输入信号作用下，传感器输出与输入信号之间的关系，一般用曲线、数学表达式或表格表示

4、；当输入量随时间较快地变化时，这一关系就称为动（态）特性，动态特性是传感器输出随时间变化的响应特性。2.传感器动态特性的研究方法研究动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。表1-3传感器动态测量输入信号由于输入信号的时间函数是各种各样的，在时域内研究传感器的动态特性时，只能研究几种特性的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜波函数等的响应特性。通常取输入为阶跃信号时的输出响应。一阶系统：动态性能可以用一阶微分方程来描述；二阶系统：动态性能可以用二阶微分方程来描述。3.一阶传感器动态特性图1-8一阶传感器阶跃输入的响应曲线4.二阶传感器动态特性o图图1-9二阶传感器的

5、单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应5.过渡过程与传感器的阶跃响应特性指标图1-10二阶传感器的阶跃响应特性指标6.传感器的频率响应特性(a)幅频特性 (b)相频特性图1-11一阶传感器幅频特性和相频特性6.传感器的频率响应特性（a）幅频特性 （b）相频特性图1-12二阶传感器的频率特性1.3传感器技术发展趋势传感器技术的主要发展动向，是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，进一步实现传感器的集成化与多功能化。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。1.4变送器变送器（transmitter）是在传感器的基础上，将物理测量信号或普通电信号（

6、非标准的输出信号）转换成标准信号或能够以通讯协议方式输出的设备。变送器的传统输出直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20mA、4-20mA等，目前工业上最广泛采用的是用420mA电流来传输模拟量。1.4.4变送器技术指标表1-4 电流电压变送器的技术指标1.5 传感器的标定和校准 对传感器进行标定，目的是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。传感器的标定分为静态特性标定和动态特性标定。1.5.1静态特性

7、标定静态标定过程步骤：将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距区间；根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐递增标准量值输入，记录与各输入值对应的输出值；将输入值由大到小逐渐递减，同时记录下与各输入值相对应的输出值；按过程、，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输入输出测试数据用表格或曲线表示；对测试数据进行处理，根据处理结果可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。1.5.2动态静态特性标定 传感器动态特性标定主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率 和阻尼比 两个参数。标准激励信号可以采用阶跃信号、正弦信号

8、、随机信号和脉冲信号。一般采用阶跃信号响应法。1.一阶传感器的动态特性标定图1-13一阶传感器时间常数的求法 2.二阶传感器的动态特性标定图1-14欠阻尼（Cx2各点各点电压电压波形波形o图图2-33脉冲凋脉冲凋宽宽型型电电路各点路各点电压电压波形波形2.4.8相敏相敏检检波波电电路路o图图2-34相敏相敏检检波波电电路原理路原理图图相敏相敏检检波波电电路路o（a）、为为正半周正半周时时等效等效电电路路 (c)、为负为负半周半周时时等效等效电电路路o图图2-35相敏相敏检检波波电电路原理路原理图图-衔铁衔铁在中在中间间位置位置相敏相敏检检波波电电路路o（a）、为为正半周正半周时时等效等效电电路

9、路 (b)、为负为负半周半周时时等效等效电电路路o图图2-36相敏相敏检检波波电电路原理路原理图图-衔铁衔铁在零位以上在零位以上相敏相敏检检波波电电路路o（a）u1为负为负半周、半周、u2为为正半周正半周时时等效等效电电路路 (b)u1为为正半周、正半周、u2为负为负半周半周时时等效等效电电路路o图图2-37相敏相敏检检波波电电路原理路原理图图-衔铁衔铁在零位以下在零位以下 2.5.1误误差的基本概念差的基本概念2.5.2误误差的分差的分类类及来源及来源2.5.3精密度、精确度、准确度精密度、精确度、准确度2.5.4粗大粗大误误差、系差、系统误统误差和随机差和随机误误差的差的处处理理2.5.5

10、多次等精度多次等精度测测量量结结果的表达果的表达2.5.6测测量量误误差的合成差的合成2.5.7测测量量误误差的分配差的分配2.5.8有效数字有效数字2.5.9数据数据处处理理实实例例2.5误误差分析及数据差分析及数据处处理基理基础础2.5.1误误差的基本概念差的基本概念o1.误误差的表示差的表示o误误差（差（error）指）指测测量量值值与真与真值值之差。之差。o误误差常用差常用绝对误绝对误差（差（absolute error）和相）和相对对误误差（差（relative error）表示。）表示。o（2-45）o （2-46）2.5.2误误差的分差的分类类及来源及来源o1.按按误误差的表示方

11、法分差的表示方法分类类o（1）绝对误绝对误差差o（2）相）相对误对误差差o（3）满满度（引用）相度（引用）相对误对误差差o（4）示）示值值相相对误对误差差o（5）测测量精度量精度o2.按按误误差的使用条件分差的使用条件分类类o（1）基本）基本误误差差 o（2）附加）附加误误差差 o3.按按误误差的性差的性质质分分类类o（1）粗大）粗大误误差（差（Gross error）o（2）系）系统误统误差（差（systematic error）o（3）随机）随机误误差（差（random error）o4.按被按被测测量与量与时间时间的关系分的关系分类类o静静态误态误差和差和动态误动态误差差o5.仪仪表的表

12、的误误差差o示示值误值误差、基差、基值误值误差、零差、零值误值误差、差、2.5.3精密度、精确度、准确度精密度、精确度、准确度（a）（b）（c）o图图2-38 精密度、准确度、精确度概念精密度、准确度、精确度概念2.5.4粗大粗大误误差、系差、系统误统误差和随机差和随机误误差的差的处处理理o（1）粗大）粗大误误差的差的发现发现和剔除和剔除：首先应设法判断是否存在，若存在粗大误差，必须将其剔除。检测人员应当严格认真，避免过失。o（2）系）系统误统误差的差的发现发现、修正或减小、修正或减小：系统误差的性质决定了它不可能通过增加测量次数来消除。可以通过选择较好的检测系统、提高操作水平等技术措施使得检

13、测系统完善，予以消除或补偿系统误差；也可在发现系统误差后用修正值的方法予以修正。o（3）随机）随机误误差的减小或消除差的减小或消除：引起原因是很多，难以掌握或暂时未能掌握的微小因素，一般无法控制,不能用简单的修正值来修正。2.5.4粗大粗大误误差、系差、系统误统误差和随机差和随机误误差的差的处处理理o1.随机随机误误差的差的处处理理o随机随机误误差的正差的正态态分布的概率密度函数分布的概率密度函数o图图2-39正正态态分布方程式关系曲分布方程式关系曲线图线图2.5.4粗大粗大误误差、系差、系统误统误差和随机差和随机误误差的差的处处理理o算算术术平均平均值值 算算术术平均平均值值是是诸测诸测量量

14、值值的最可信的最可信赖赖的表达，的表达，为测为测量的最佳估量的最佳估计值计值，它可以作，它可以作为为等精度多等精度多次次测测量的量的结结果。果。o标标准差准差 图图2-40不同不同的正的正态态分布曲分布曲线线 2.5.4粗大粗大误误差、系差、系统误统误差和随机差和随机误误差的差的处处理理o测测量的极限量的极限误误差差o2.系系统误统误差的根源、差的根源、发现发现和消除和消除o（2）系）系统误统误差的差的发现发现o 实验对实验对比法比法o 残余残余误误差差观观察法察法o准准则检查则检查法法o（3）系）系统误统误差的消除差的消除o在在测测量量结结果中果中进进行修正行修正o消除系消除系统误统误差的根

15、源差的根源o在在测测量系量系统统中采用中采用补偿补偿措施措施o 实时实时反反馈馈修正修正2.5.4粗大粗大误误差、系差、系统误统误差和随机差和随机误误差的差的处处理理o3.粗大粗大误误差的差的发现发现和剔除和剔除o常用准常用准则则：o3准准则则（拉依达准拉依达准则则）o肖肖维维勒准勒准则则o格拉布斯准格拉布斯准则则2.5.5多次多次测测量量结结果的表达果的表达o1.等精度等精度测测量数据量数据处处理方法理方法o例例2.3对对某物体某物体长长度度测测量量11次，次，测测量的数据如量的数据如表表2-3。o表表2-3 例例题题1.3数据数据o2.不等精度不等精度测测量数据量数据处处理方法理方法次数1

16、234567891011长 度（cm）20.7220.7520.7120.65 20.62 20.7020.45 20.6220.6720.7420.732.5.6测测量量误误差的合成差的合成o1.随机随机误误差的合成差的合成o2.系系统误统误差的合成差的合成o3.随机随机误误差与系差与系统误统误差的合成差的合成o=2.5.7测测量量误误差的分配差的分配o工程上，通常首先根据等误差原则进行分配，即令每个直接测量值的系统误差（绝对误差表示），标准差。2.5.8有效数字有效数字o1.有效数字有效数字o所谓有效数字，是实际能够测量的数字。在测量过程中可以把有效数字的位数定义为与仪表精度相符的测量值的

17、位数。有效数字的位数决定于测量仪表的精度，只有数据中的最后一位是可疑数字，所以根据测量值的记录结果便可以推知所用仪表的精度。o2.数据数据处处理理时时数字修数字修约规约规定定o“四舍六入五成双”o3.测测量量值值的的记录记录及运算及运算o正确记录测量值o正确表达分析结果2.5.9数据数据处处理理实实例例o例例2.4本章小本章小结结o本章重点介绍了检测概念及检测系统组成、常用检测方法、常用检测与转换电路、误差分析及数据处理。o测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。o检测对象、检测环境和被测量不同，相应的有不同检测方法；另外，从不同角度出发，检测方法有不同分类方法。o在信号检测技术中，

18、常用的中间转换电路有电桥、放大器、滤波器、调频电路、阻抗匹配电路等。o误差是客观存在的，数据处理过程中，首先应发现剔除粗大误差，然后发现、修正或减小系统误差，最后利用随机误差性质进行处理。o通过本章的学习，读者可以了解检测基本概念、检测系统组成，掌握常用检测方法和检测与转换电路，误差分析及数据处理方法。作作业业：习题习题二二1.检测检测系系统统主要由哪几部分主要由哪几部分组组成？成？2.自自动测试动测试系系统统可以分成哪几可以分成哪几类类？3.传传感器的感器的组组成、作用是什么？成、作用是什么？4.测测量方法有哪几种分量方法有哪几种分类类方法？各种方法概念是什么？方法？各种方法概念是什么？5.

19、误误差有哪几种分差有哪几种分类类方法？各种方法概念是什么？方法？各种方法概念是什么？6.何何谓传谓传感器的静感器的静态态和和动态动态特性？衡量特性？衡量传传感器静感器静态态特性和特性和动态动态特性的主要参数有哪些特性的主要参数有哪些？7.为为什么被什么被测测量的真量的真值值是无法是无法测测量的？量的？8.4.5V和和4.50V这这两个两个测测量量值值有什么不同有什么不同吗吗？9.常常规规工工业仪业仪表以表以电电流方式互相配接，流方式互相配接，为为什么？什么？10.标标准准输输出出电电流信号有流信号有010mA和和420mA两种，其中两种，其中420mA的的标标准准输输出出电电流被广泛流被广泛地

20、地应应用。用。为为什么？什么？11.，工工业业上上应应用的用的电电流型流型V/I变变送器送器实际实际使用两使用两线线制的制的传传感器越来越多，感器越来越多，为为什么？什么？12.某温度某温度传传感器感器给给定相定相对误对误差差为为2%，满满量程量程输输出出为为100，求可能出，求可能出现现的最大的最大误误差差（），当），当传传感器使用在感器使用在满满刻度刻度时时，计计算可能算可能产产生的相生的相对误对误差，并差，并说说明使用明使用传传感感器量程器量程选选用必要性。用必要性。END第第2章章检测检测技技术术基本知基本知识识作作业业o2.5o2.6o2.8o2.9o2.10o2.11o2.1220

21、23/3/7中国铁道出版社中国铁道出版社传感器检测技术与仪表2023/3/783第三章第三章.温度温度检测检测o引言引言o3.1温度温度检测检测基本知基本知识识o3.2热热膨膨胀胀式温度式温度计计o3.3 热电热电偶温度偶温度计计o3.4热电热电阻温度阻温度计计o3.5辐辐射式温度射式温度计计o3.6 新型温度新型温度传传感器感器o3.7温度温度传传感器工程感器工程应应用用实实例例引言引言o 温度是国际单位制（温度是国际单位制（SISI）七个基本物理量）七个基本物理量之一，也是四大热工当量之一。温度一般占之一，也是四大热工当量之一。温度一般占全部过程参数的全部过程参数的50%50%左右。因而，

22、准确测量左右。因而，准确测量和控制温度，对于获得正确的科研数据和保和控制温度，对于获得正确的科研数据和保证产品质量都十分重要。例如，在金属冶炼证产品质量都十分重要。例如，在金属冶炼过程中，若温度得以准确的测量和控制，则过程中，若温度得以准确的测量和控制，则耗能可降低耗能可降低17%17%，生产率可提高，生产率可提高18%18%，产量可，产量可增加增加15%15%。3.1温度温度检测检测基本知基本知识识 温度定温度定义义：度量系：度量系统热统热平衡状平衡状态态的物理量。的物理量。它反映物体冷它反映物体冷热热程度，是物体分子运程度，是物体分子运动动平均平均动动能大小的能大小的标标志。志。3.1.1

23、温温标标o概念：用来量度物体温度高低的标尺，它是温度的数值表示方法。o一个温标主要包括两个方面的内容：一是给出温度数值化的一套规则和方法，例如规定温度的读数起点(零点)；二是给出温度的测量单位。建立温标必须具备三个条件：建立温标必须具备三个条件：o固定的温度点（基准点）固定的温度点（基准点）o测温仪器（确定测温质和测温量测温仪器（确定测温质和测温量）o温标方程（内插公式）温标方程（内插公式）常用温标：常用温标：q经验温标，热力学温标，国际实用温标经验温标，热力学温标，国际实用温标1 1、经验温标：借助于某一种物质的物理量与温、经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验

24、公式所确度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。如根据液体定的温标。如根据液体(水银水银)受热后体积膨受热后体积膨胀的性质确定温标。胀的性质确定温标。v华氏温标华氏温标-1714-1714年，荷兰人华伦海年，荷兰人华伦海特把一定浓度的盐水凝固时的温度定为特把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0 0度度,在标准大气压下水的冰点为在标准大气压下水的冰点为3232度，水的沸度，水的沸点为点为212212度，中间划分为度，中间划分为180180等分，每一等等分，每一等分为一华氏度。分为一华氏度。摄氏温标摄氏温标：17421742年，由瑞典摄尔休提出。年，由瑞典摄尔休提出。标准大气压下水的冰点定位零

25、度，把水的标准大气压下水的冰点定位零度，把水的沸点定位沸点定位100100度。度。=(9/5)+32=(9/5)+32。经验经验温温标标的缺点：的缺点：1）局限性：适用于某一温度）局限性：适用于某一温度计计，应应用范用范围围有限。有限。2）随意性：）随意性：2、热热力学温力学温标标（开（开尔尔文温文温标标）K：19世世纪纪中中叶，英国人开叶，英国人开尔尔文提出，符号文提出，符号为为T，单单位位为为开开尔尔文（符号文（符号为为K）。已由）。已由1927年国年国际计际计量量大会采大会采纳纳作作为为国国际统际统一的基本温一的基本温标标。它有一。它有一个个绝对绝对零度，低于零度的温度不可能存在。零度，

26、低于零度的温度不可能存在。绝对绝对零度零度时时的温度定的温度定义为义为0K。t=T-273.15热热力学温力学温标标的局限性：的局限性：o特点：不与某一特定的温度计相联系，并特点：不与某一特定的温度计相联系，并与测温物质的性质无关，是由卡诺定理推与测温物质的性质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以用热力学温标所表示的热导出来的，所以用热力学温标所表示的热力学温度被认为是最理想的温度数值。力学温度被认为是最理想的温度数值。o热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上并不存在，因此热力学温标是一种实际上并不存在，因此热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。

27、纯理论的理想温标，无法直接实现。国国际实际实用温用温标标o该该温温标选择标选择一些固定点温度作一些固定点温度作为为温温标标基准点；基准点；规规定了不同温度范定了不同温度范围围内的基准内的基准仪仪器；固定点器；固定点温度温度间间采用内插公式，采用内插公式，这这些公式建立了些公式建立了标标准准仪仪器示器示值值与国与国际际温温标标数数值间值间的关系。的关系。o随着科学技随着科学技术术的的发发展，固定点温度的数展，固定点温度的数值值和和基准基准仪仪器的准确度会越来越高，内插公式的器的准确度会越来越高，内插公式的精度也会不断提高，因此国精度也会不断提高，因此国际际温温标标准确度会准确度会不断提高，并尽可

28、能接近不断提高，并尽可能接近热热力学温力学温标标。第一个国第一个国际际温温标标是是1927年建立的，年建立的，记为记为ITS-27。1948年、年、1968年和年和1990年年进进行了几次行了几次较较大修改，大修改，ITS-48、ITS-68和和 ITS-90。目前我。目前我国已开始采用国已开始采用ITS-90。国国际际温温标标以下列三个条件以下列三个条件为为基基础础：o要求尽可能接近要求尽可能接近热热力学温力学温标标；o要求复要求复现现准确度高，世界各国均能以很高的准确度高，世界各国均能以很高的准确度加以复准确度加以复现现，以确保温度，以确保温度值值的的统统一；一；o用于复用于复现现温温标标

29、的的标标准温度准温度计计，使用方便，性，使用方便，性能能稳稳定。定。3.1.2 温度温度测测量量仪仪表的分表的分类类测温仪表的分类：测温仪表的分类：按测温范围分：高温计（按测温范围分：高温计（600600）、温度计（）、温度计（600600）按用途分：标准仪表、实用仪表按用途分：标准仪表、实用仪表按工作原理分：按工作原理分：o膨胀式温度计膨胀式温度计利用物体的热膨胀来测温。利用物体的热膨胀来测温。o压力式温度计压力式温度计利用密闭容器中物质受热后体积膨胀而利用密闭容器中物质受热后体积膨胀而压力升高的原理来测温的。压力升高的原理来测温的。o热电偶温度计热电偶温度计利用导体的热电效应来测温的。利用

30、导体的热电效应来测温的。o热电阻温度计热电阻温度计利用电阻随温度的变化特性来测温的。利用电阻随温度的变化特性来测温的。o辐射式高温计辐射式高温计利用物体表面辐射与温度的关系来测温利用物体表面辐射与温度的关系来测温的。的。按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计高温计高温计辐射式温度计辐射式温度计测温仪表测温仪表按使用范围分按使用范围分按测量方式分按测量方式分接触式接触式测测温温仪仪表表非接触式非接触式测测温温仪仪表表温度计温度计按测温原理分按测温原理分膨胀式温度计膨胀式温度计压力式温度计压力式温度计热电偶温度计热电偶温度计热电阻温度计热电阻温度计半导

31、体温度计半导体温度计3.2热热膨膨胀胀式温度式温度计计 定定义义：基于物体受：基于物体受热时产热时产生膨生膨胀胀的原理的原理分分类类：液体膨：液体膨胀胀式、固体膨式、固体膨胀胀式和气体膨式和气体膨胀胀式式三三类类。3.2.1.玻璃液体温度玻璃液体温度计计：水：水银银温度温度计计、酒精温度、酒精温度计计 玻璃液体温度玻璃液体温度计计的的结结构基本上是由装有感构基本上是由装有感温液温液(或称或称测测温介温介质质)的感温泡、玻璃毛的感温泡、玻璃毛细细管管和刻度和刻度标标尺三部分尺三部分组组成。感温泡位于温度成。感温泡位于温度计计的下端，是玻璃液体温度的下端，是玻璃液体温度计计感温的部分，可感温的部分

32、，可容容纳绝纳绝大部分的感温液，所以也称大部分的感温液，所以也称为贮为贮液泡。液泡。常用的有水银以及甲苯、乙醇常用的有水银以及甲苯、乙醇和煤油等有机液体。玻璃毛细管是和煤油等有机液体。玻璃毛细管是连接在感温泡上的中心细玻璃管，连接在感温泡上的中心细玻璃管，感温液体随温度的变化在里面移动。感温液体随温度的变化在里面移动。标尺是将分度线直接刻在毛细管表标尺是将分度线直接刻在毛细管表面，同时标尺上标有数字和温度单面，同时标尺上标有数字和温度单位符号，用来表明所测温度的高低。位符号，用来表明所测温度的高低。3.2.2压压力温度力温度计计压力式温度计：基于物体受热时产生膨胀后引压力式温度计：基于物体受热

33、时产生膨胀后引起密封容器中的压力变化来指示温度。起密封容器中的压力变化来指示温度。工作介质不同分为：气体、液体和蒸汽式压力工作介质不同分为：气体、液体和蒸汽式压力温度计。温度计。温包：感受温度的变化温包：感受温度的变化毛细管：传递压力的变化（毛细管：传递压力的变化（D D0 0=1.2=1.25mm5mm，D D i i=0.15 0.15 0.5mm0.5mm）弹簧管：压力表的弹性元件弹簧管：压力表的弹性元件3.2.3 双金属温度双金属温度计计 其感温元件是用两片线膨胀系数不同的金其感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的，由于两片金属片属片叠焊在一起而制成的，由于两片金属片

34、的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大。如图所示。度就越大。如图所示。3.3 热电热电偶温度偶温度计计3.3.1热电热电偶工作原理演示偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。上述结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。上述现象称为热电现象，现象称为热电现象，18211821年赛贝克发现的，也称赛贝克效应年赛贝克发现的，也称赛贝克效应 热电热电极极A右端称右端称为为：自由端（参自由端（参考端、冷端）考端、冷端）左端称左端称为为：测测量端（工

35、量端（工作端、作端、热热端）端）热电热电极极B热电势热电势AB热电势热电势由由单单一一导导体体温差温差电势电势和两种和两种导导体体接触接触电势电势组组成：成：1）、温差）、温差电势电势：一根一根导导体两端温度不同体两端温度不同产产生的生的热电动势热电动势.原因：同一根原因：同一根导导体中体中电电子从高温端向低温子从高温端向低温端迁移而引起的端迁移而引起的电动势电动势。接触接触电势电势：两种不同两种不同导导A、B接触接触时产时产生生.原原因因:两种不同导体的电子密度不同，从而在接触点处两种不同导体的电子密度不同，从而在接触点处发生电子扩散而形成的电动势发生电子扩散而形成的电动势.设设NANB 接

36、触接触电势电势的大小与接触点的温度高低及的大小与接触点的温度高低及导导体体电电子密度有关子密度有关.回路回路总电动势总电动势：A的的电电子密度大于子密度大于B，tt0，则则回路中存在着回路中存在着四个四个电势电势,在实际使用中，只要保持冷端温度为t0，根据仪表测得的热电动势EAB(t,t0)，就计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应的被测温度t。3.3.2 基本定律基本定律1.均匀均匀导导体定律体定律 定律内容：定律内容：由一种均匀由一种均匀导导体（或半体（或半导导体）体）组组成成的的闭闭合回路，不合回路，不论论温度如何分布，都不能温度如何分布，都不能产产生生电动势电动势。2.中中间导间导体

37、定律体定律定律内容：不同材料定律内容：不同材料组组成的成的闭闭合回路中，若合回路中，若各各种材料接触点的温度种材料接触点的温度都相同，都相同，则则回路中回路中热电热电势势的的总总和等于零。和等于零。3、中中间间温度定律温度定律定律内容：定律内容：热电热电偶在两接点温度偶在两接点温度t1、t3时时的的热电动势热电动势等于接点温度分等于接点温度分别为别为t1、t2和和t2、t3 的两支同性的两支同性质热电质热电偶的偶的热电动势热电动势的代数的代数和。和。+A At t1 1t t2 2B BE E1 1+A At t3 3B BE E2 2+A At t1 1t t3 3E E3 3=E=E1 1

38、+E+E2 23.3.3热电热电偶偶结结构构1、普通型热电偶（装配式结构）组成：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒。特点：热惯性大，响应慢。2 2、铠装型热电偶铠装型热电偶 将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。的组合体。特点：热惯性小，响应块，可弯特点：热惯性小，响应块，可弯曲（最长可达曲（最长可达100m）,柔性好，柔性好，可安装在狭窄或结构复杂的测量可安装在狭窄或结构复杂的测量场合。场合。3、薄膜薄膜热电热电偶偶由两种金属薄膜由两种金属薄膜连连接而成。接而成。1）特点：）

39、特点：微小面微小面积积上的温度上的温度测测量；量；动态动态响响应应快，可快，可测测瞬瞬变变的表面温度。的表面温度。2)应应用：用：(1)如将如将热电热电极材料直接蒸极材料直接蒸镀镀到被到被测测表面，可表面，可测测微秒微秒级变级变化的温度。化的温度。(2)如制成如制成针针状，状，针针尖尖为热为热端，可端，可测测量点的温度量点的温度3.3.4热电热电偶材料偶材料1.热电热电极材料及性极材料及性质质：1）物理性）物理性质稳质稳定，其定，其热电热电性性质质不随不随时间变时间变化。化。2）化学性）化学性质稳质稳定，不易被氧化和腐定，不易被氧化和腐蚀蚀。3）灵敏度和）灵敏度和线线性度好。性度好。4）电导电

40、导率高，率高，电电阻温度系数小。阻温度系数小。5）复制性好复制性好，以便交，以便交换换。6）价格便宜。）价格便宜。2.标标准化准化热电热电偶偶o标标准化准化热电热电偶：是指制造工偶：是指制造工业较业较成熟，成熟，应应用用广泛，能成批生广泛，能成批生产产、性能、性能优优良而良而稳稳定并已列定并已列入入专业专业或国家工或国家工业标业标准化文件中的那些准化文件中的那些热电热电偶偶o标标准化准化热电热电偶具有互偶具有互换换性。性。从从1988年年1月月1日起，我国日起，我国热电热电偶和偶和热电热电阻的生阻的生产产全部按国全部按国际电际电工委工委员员会（会（IEC）的）的标标准，并指准，并指定定S、B、

41、E、K、R、J、T七种七种标标准化准化热电热电偶偶为为我国我国统统一一设计设计型型热电热电偶。偶。铂铑铂铑10-铂热电铂热电偶（分度号偶（分度号S）铂铑铂铑13-铂热电铂热电偶（分度号偶（分度号R）铂铑铂铑30-铂铑铂铑6热电热电偶（分度号偶（分度号B）镍铬镍铬一一镍镍硅（硅（镍铬镍铬一一镍铝镍铝）热电热电偶（分度偶（分度号号K）镍铬镍铬一康一康铜热电铜热电偶（分度号偶（分度号E）铁铁一康一康铜热电铜热电偶（分度号偶（分度号J）铜铜一康一康铜热电铜热电偶（分度号偶（分度号T）镍铬镍铬一金一金铁热电铁热电偶（分度号偶（分度号NiCrAuFe0.07）及）及铜铜一金一金铁热电铁热电偶（分度号偶（分

42、度号CuAuFe0.07）3.非非标标准化准化热电热电偶偶 在某些特殊在某些特殊场场合：高温、低温、超低温、高合：高温、低温、超低温、高真空和有核真空和有核辐辐射等被射等被测对测对象中使用。象中使用。1）钨钨莱系莱系热电热电偶偶2）铱铱佬系佬系热电热电偶偶3）铂钼铂钼5铂钼铂钼0.1热电热电偶偶4）非金属非金属热电热电偶偶特点：不具有互换性，没有统一分度特点：不具有互换性，没有统一分度3.3.5热电热电偶冷端温度的偶冷端温度的处处理方法理方法 工业上的常用的各种热电偶的温度工业上的常用的各种热电偶的温度热电热电势关系曲线是在冷端温度保持势关系曲线是在冷端温度保持0的情况下的情况下得到的，而且与

43、其配套使用仪表也是根据这得到的，而且与其配套使用仪表也是根据这仪关系曲线进行刻度的。而实践测量时，冷仪关系曲线进行刻度的。而实践测量时，冷端温度往往高于端温度往往高于0，且是不断变化的，从，且是不断变化的，从而使测量结果产生误差。所以使热电偶冷端而使测量结果产生误差。所以使热电偶冷端的温度保持的温度保持0，或进行一定的修正得到准，或进行一定的修正得到准确的测量结果的做法称为冷端温度补偿。确的测量结果的做法称为冷端温度补偿。热电热电偶冷端温度的偶冷端温度的补偿补偿方法：方法：1、计计算法算法2、冰点槽法、冰点槽法3、补偿导线补偿导线法法4、仪仪表机械表机械调调零法零法5、补偿电桥补偿电桥法（冷端

44、法（冷端补偿补偿器）器）3.3.6.热电热电偶常偶常见误见误差分析差分析o1.安装不当引入的安装不当引入的误误差差o2.绝缘绝缘变变差而引入的差而引入的误误差差o3.热热惰性引入的惰性引入的误误差差o4.热热阻阻误误差差3.4热电热电阻温度阻温度计计 工工工工业业业业上广泛上广泛上广泛上广泛应应应应用用用用热热电电电电阻温度阻温度阻温度阻温度计计计计来来来来测测测测量量量量200200 500 500 之之之之间间间间的温度。的温度。的温度。的温度。优优优优点：点：点：点：热热电电电电阻温度阻温度阻温度阻温度计计计计的特点是准确度高；的特点是准确度高；的特点是准确度高；的特点是准确度高；在中低

45、温下（在中低温下（在中低温下（在中低温下（500500以下）以下）以下）以下）测测测测温温温温,它的它的它的它的输输输输出信号出信号出信号出信号比比比比热电热电热电热电偶的要大得多偶的要大得多偶的要大得多偶的要大得多,故灵敏度高；故灵敏度高；故灵敏度高；故灵敏度高；热热电电电电阻温度阻温度阻温度阻温度计计计计的的的的输输输输出是出是出是出是电电电电信号，因此便于信号的信号，因此便于信号的信号，因此便于信号的信号，因此便于信号的远传远传远传远传和和和和实现实现实现实现多点切多点切多点切多点切换测换测换测换测量。量。量。量。3.4.1热电热电阻的阻的测测温原理温原理o原理：通原理：通过测过测阻阻值

46、变值变化反化反应应温度。温度。o分分类类：电电阻是阻是测测量温度的敏感元件，包括量温度的敏感元件，包括金属金属导导体和半体和半导导体两种。体两种。o测测温范温范围围：200+5000C优优点：点：准确度高。准确度高。灵敏度高。中低温下（灵敏度高。中低温下（5000C以下），以下），输输出信号比出信号比热电热电偶大。偶大。输输出出电电信号信号,便于便于远传远传和切和切换换。缺点：缺点：不能不能测测量太高温度。量太高温度。热惯热惯性大。性大。只能只能测测量平均温度。量平均温度。需要外供需要外供电电源，源，连连接接导线产导线产生生测测量量误误差。差。热电热电阻温度阻温度计计是基于金属是基于金属导导体

47、或半体或半导导体体电电阻阻值值与温度是一定函数关系的原理与温度是一定函数关系的原理实现实现温度温度测测量。基本关系式量。基本关系式为为：oRt=R01+At+Bt2+Ct3 式中：式中：R1、R0分分别为别为t和和0时时的阻的阻值值；A、B、C分分别为别为与金属材料有关的常数。与金属材料有关的常数。电阻温度系数的定义是：温度变化电阻温度系数的定义是：温度变化ll时时电阻值的相对变化量，用电阻值的相对变化量，用来表示，单位是来表示，单位是-1-1，根据定义，根据定义，用下式表示：用下式表示：3.4 热电热电阻材料与阻材料与结结构构3.4.1热电热电阻材料阻材料 工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍

48、。铁难提纯，工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁难提纯，我国目前只生产铂、铜、镍我国目前只生产铂、铜、镍.测温热电阻材料必须满足：测温热电阻材料必须满足：1 1）电阻温度系数大电阻系数：温度变化）电阻温度系数大电阻系数：温度变化1 1 0 0C C时电阻值的相时电阻值的相对变化量对变化量.2 2）在测温范围内物理及化学性质稳定。）在测温范围内物理及化学性质稳定。3 3）有较大的电阻率。（电阻体积小）。）有较大的电阻率。（电阻体积小）。4 4）线性度好。）线性度好。5 5）复现性好，）复现性好，6 6）价格便宜。）价格便宜。1、铂电铂电阻阻o特点：特点：稳稳定性好、准确度高、性能可靠。定性好、

49、准确度高、性能可靠。o原因：原因：铂铂在氧化气氛、甚至高温下物理、化在氧化气氛、甚至高温下物理、化学性学性质质非常非常稳稳定定o测测温范温范围围：13.8033K-961.78 0Co应应用：广泛用：广泛应应用于工用于工业业和和实验实验室中室中n注意：注意：铂铂在在还还原性气氛尤其在高温原性气氛尤其在高温还还原性原性气氛中，容易被气氛中，容易被污污染，染，导导致致铂丝变铂丝变脆，并脆，并改改变电变电阻与温度阻与温度间间的关系。因此必的关系。因此必须须用保用保护护套管把套管把电电阻体与有害气氛隔离。阻体与有害气氛隔离。工业用铂电阻温度计工业用铂电阻温度计 v-2000v0850其中：其中：A=3

50、.9083*10-13/B=-5.775*10-7/C=-4.183*10-12/国产标准化工业国产标准化工业铂电阻的分度号：铂电阻的分度号：Pt10和和Pt100。2、铜电铜电阻阻o特点：特点：电电阻阻值值与温度关系几乎与温度关系几乎线线性，性，电电阻阻温度系数温度系数较较大，材料易提大，材料易提纯纯，价格，价格较较便宜。便宜。o测测温范温范围围：50-150 0Co应应用范用范围围：测测量准确度要求不是很高，温量准确度要求不是很高，温度度较较低的低的场场合。合。o缺点：缺点：250 0C以上容易氧化，故只能在低以上容易氧化，故只能在低温及没有腐温及没有腐蚀蚀的介的介质质中中应应用，用，铜铜