传感器在工程检测中的应用.ppt

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1、热力学温标热力学温标根据理想气体的热力学定律得到根据理想气体的热力学定律得到(高中物理高中物理)。单位：开尔文单位：开尔文(K) 国际温标国际温标(a)国际温标国际温标是建立在是建立在热力学温标热力学温标基础上的，它们基础上的，它们本质上是一致的。本质上是一致的。故故其单位也为开尔文其单位也为开尔文(K) 。国际温标国际温标(热力学温标热力学温标)T与摄氏温标与摄氏温标t的关系：的关系： T=t+273.15 (b)根据一些物质的熔点，沸点和三相点的热力学温度，根据一些物质的熔点，沸点和三相点的热力学温度，定义了定义了11个可以个可以复现的温度点。复现的温度点。 (c)规定了规定了4个温度段的

2、标准仪器。个温度段的标准仪器。.13.82K273.15K，低温铂电阻温度计，低温铂电阻温度计;. 273.15K903.89K，铂电阻温度计，铂电阻温度计;. 903.89K1337.58K，铂铑，铂铑-铂热电偶温度计铂热电偶温度计; .1337.58K，光测温度计。，光测温度计。现在学习的是第1页，共30页2. 温度的测量方法温度的测量方法(参见表参见表15-1)(1)接触式测量。接触式测量。优点：优点：(a)结构简单，价格便宜结构简单，价格便宜; (b)工作可靠工作可靠(精度高精度高)。(2)非接触式测量。非接触式测量。缺点：缺点：(a)特殊场合，接触式测量不适用特殊场合，接触式测量不适

3、用; (b)接触测量会影响被测物的温度场。接触测量会影响被测物的温度场。优点优点: (a)可用于高温可用于高温,强腐蚀等场所强腐蚀等场所;(b)不会影响被测物的温度场。不会影响被测物的温度场。缺点缺点: (a)结构较复杂；结构较复杂； (b)精度低。精度低。(对表对表15-1进行说明进行说明)现在学习的是第2页，共30页二二. 膨胀式温度传感器膨胀式温度传感器(体积式体积式)1. 液体膨胀式液体膨胀式（略）（略）原理：原理：双金属片的弯曲效应双金属片的弯曲效应2. 固体膨胀式固体膨胀式下翘，缩短多上翘，伸长多两者长度一样AtAttt,0而且温度变化越大，弯曲得就越厉害。而且温度变化越大，弯曲得

4、就越厉害。可见：可见：根据双金属片的弯曲方向和程度就可测出温度的变化。根据双金属片的弯曲方向和程度就可测出温度的变化。现在学习的是第3页，共30页 3.气体膨胀式气体膨胀式原理：原理：气体气体V一定时，一定时，p/T=C。可见测出。可见测出p，就可测出，就可测出T。现在学习的是第4页，共30页三三. 热电偶传感器热电偶传感器1.结构结构T：测量端测量端(热端或工作端热端或工作端); T0：自由端自由端(冷端或参考端冷端或参考端) 。热电偶：热电偶：两不同的半导体或者导体接成的一闭合回路。两不同的半导体或者导体接成的一闭合回路。热电效应：热电效应：不同不同A、B，在接触点，在接触点TT0，则回路

5、产生热电势，则回路产生热电势(接触接触电势和温差电电势电势和温差电电势)的现象。的现象。2.工作原理：工作原理：热电效应热电效应现在学习的是第5页，共30页(1) 接触电势接触电势接触点接触点T处处:接触点接触点T0处处:同理可得到此处也存在上为正的电势同理可得到此处也存在上为正的电势eAB(T0)BTATABNNekTTeln)(理论推导可知00ln)(00BTATABNNekTTe其大小为)(,)(,TeBABANNNBAABBTAT形成电动势带负电带正电扩散到电子从不妨设不一样两者自由电子密度材料不一样现在学习的是第6页，共30页(2) 温差电势温差电势A导体导体:B导体导体:同理可得到

6、同理可得到B也存在左为正的电势也存在左为正的电势eA(T,T0),(,)(00TTeTTAA形成电动势左边带正电右边带负电电子从左边跑到右边左边电子能量高导体左边温度较高设设TTAtAtAdtdtNdNekTTe0)(1),(0理论推导可知TTBtBtBdtdtNdNekTTe0)(1),(0其大小为现在学习的是第7页，共30页(3) 回路总电势回路总电势 eAB(T, T0)=eAB(T)+eB(T, T0)-eAB(T0)-eA(T, T0) 温差电势温差电势接触电势，于是接触电势，于是 eAB(T, T0) eAB(T)-eAB(T0)(4) 测温原理测温原理参考端参考端T0恒定，恒定，

7、eAB(T0)=C，故，故eAB(T, T0) =eAB(T)-C=f (T)回路总电势只与回路总电势只与T有关，反之测出总电势，就可测出有关，反之测出总电势，就可测出T。热电偶测温原理热电偶测温原理现在学习的是第8页，共30页2.热电偶的基本定律热电偶的基本定律(1) 均质导体定律均质导体定律条件：条件：热电偶导体热电偶导体A、B都是均质导体都是均质导体但但A、B之间是不同材质之间是不同材质证明证明:结论：结论：热电势只与热电势只与A、B的接触温度的接触温度T、T0及材质有关。及材质有关。 与与A、B尺寸形状和各处温度无关。尺寸形状和各处温度无关。00lnln)()(),(000BTATBT

8、ATABABABNNekTNNekTTeTeTTe可见，热电势只与可见，热电势只与T、T0及及NAT，NBT，NAT0，NBT0有关。有关。与与T、T0 和和A、B材质有关材质有关,与尺与尺寸形状无关寸形状无关故可得结论，且热电势与故可得结论，且热电势与A、B尺寸形状无关。尺寸形状无关。现在学习的是第9页，共30页证明证明: 热电势与各处温度无关。热电势与各处温度无关。设设A中间有一点温度中间有一点温度TC：TCT，TCT0。TC处接触电势：处接触电势：CCTATACCAANNekTTe2121ln)(01ln)(,2121ekTTeNNCCAATATACC如是均质材料可见，对于均质材料，其它

9、点的温度不产生接触电势。可见，对于均质材料，其它点的温度不产生接触电势。实际指导意义实际指导意义: 实际中冷端和热端温度不一样，故它们之间的温度是变化的。但由均质实际中冷端和热端温度不一样，故它们之间的温度是变化的。但由均质定律，只要热电偶是均质材料，则不需要考虑中间温度的变化。定律，只要热电偶是均质材料，则不需要考虑中间温度的变化。现在学习的是第10页，共30页(2) 中间导体定律中间导体定律A、B组成的热电偶中接入第三种导体组成的热电偶中接入第三种导体C，且满足且满足条件：条件：C的接入两端温度相等；的接入两端温度相等；证明证明: C接入冷端接入冷端T0(或者热端或者热端T)。结论：结论：

10、热电势不变。热电势不变。),()()(),()(lnlnln)()()()()(),(000000000000000000ttetetetteteNNektNNektNNekttetetetetetteABABABABCABBtAtAtCtCtBtCABCCABCABABC又现在学习的是第11页，共30页证明证明: C接入接入A的中间的中间(或或B的中间的中间)。),()()()()(),()()(, )(lnln)()()()()(),(011010110000110100000ttetetetetettteteteteNNektNNekttetetetetettteABACACABABAB

11、CACCAABBtAtAtBtBACAACBAABABC又实际指导意义实际指导意义: 测量热电势时，必须要接入电压表或者测量电路。但由中间导体测量热电势时，必须要接入电压表或者测量电路。但由中间导体定律，只要两接入点温度相等，则热电势不变。定律，只要两接入点温度相等，则热电势不变。现在学习的是第12页，共30页 热电偶热电偶AB在接点温度在接点温度t、tc和和tc、t0时的热电势为时的热电势为eAB(t, tc)和和eAB(tc, t0)，则在则在t、t0时的热电势时的热电势eAB(t, t0)为为证明证明:(3) 中间温度定律中间温度定律),(),(),(00ttettetteCABCABA

12、B即)()(),(),()(),(00tetettetetetteABCABCABCABABCAB),()()(),(),(,000ttetetettetteABABABCABCAB有上两式相加现在学习的是第13页，共30页应用应用:利用分度表求利用分度表求T00时，标准热电偶的热电势。时，标准热电偶的热电势。例：例：利用表利用表15-3求求S型热电偶型热电偶T0=30，T=1150时的热电势。时的热电势。mVmVmVeeeeeABABABABAB175.11173. 0348.11)0 ,30()0 ,1150()30, 0()0 ,1150()30,1150(解解:在补偿导线上的应用在补偿

13、导线上的应用补偿导线：补偿导线：如冷端和热端相距较远，热电如冷端和热端相距较远，热电偶无法连接它们，则需要在热电偶和冷端偶无法连接它们，则需要在热电偶和冷端间加补偿导线间加补偿导线(如图中如图中AB)。设两接入点温度都为设两接入点温度都为tC，则热电势为，则热电势为)()()()()()()()(00CAACBBBAABCAAABCBBABtetetetetetetetee总现在学习的是第14页，共30页)()()()(0CAACBBBAABtetetetee总),()()()()()()(0000tteteteeteteteteABABABCAACBBABBA总则如满足热电势不变热电势不变(

14、a) A与与A，B与与B是相同导体，则是相同导体，则 、式明显满足，故此时热、式明显满足，故此时热电势不变。电势不变。(b) A与与A,B与与B不是相同导体，则不是相同导体，则00000000lnln00BtAttBtABtAttBtANNNNNNektNNekt 式式CCCCBtAttBtANNNN式式A与与 , B与与 满足满足式，则称式，则称A与与 ,B与与 热电特性相似。热电特性相似。AABB现在学习的是第15页，共30页结论：结论：补偿导线不影响热电势的条件补偿导线不影响热电势的条件(a)两接入点温度相等两接入点温度相等(都为都为tC )。(b) A与与 ，B与与 是相同的导体是相同

15、的导体(或热电特性相似或热电特性相似)。AB现在学习的是第16页，共30页(4) 参考电极定律参考电极定律 A、B、C导体组成热电偶导体组成热电偶AB、AC、BC，如果，如果AB、AC的热电势的热电势已知，则已知，则BC的热电势为的热电势为),(),(),(000ttettetteACBABC证明证明:),()()(lnln),(),(lnln)()(),(lnln)()(),(00000000000000000tteteteNNektNNektttetteNNektNNekttetetteNNektNNekttetetteBCBCBCCtBtCtBtACBACtAtCtAtACACACAtB

16、tAtBtBABABA现在学习的是第17页，共30页应用：应用：利用标准电偶的分度表某些非标准热电偶的热电势。利用标准电偶的分度表某些非标准热电偶的热电势。例：例：利用书上分度表计算镍硅利用书上分度表计算镍硅-铜镍热电偶在铜镍热电偶在T0=0,T=30时的热电势时的热电势.解解:由表由表15-5，知，知由表由表15-6，知，知mVe156. 1)0 ,30(镍鉻，镍硅mVe709. 1)0 ,30(镍鉻，铜镍mVmVmVeee553. 0709. 1156. 1)0 ,30()0 ,30()0 ,30(镍鉻，铜镍镍硅，镍鉻镍硅，铜镍现在学习的是第18页，共30页(1)8种标准种标准热电偶热电偶

17、3. 热电偶类型热电偶类型现在学习的是第19页，共30页(2)分度表：分度表：标准热电偶在标准热电偶在T0=0时的热电势值时的热电势值表表15-315-6给出了给出了S、B、K、E型的分度表。型的分度表。4. 热电偶的结构形式热电偶的结构形式(1)普通型热电偶普通型热电偶现在学习的是第20页，共30页(2)铠装热电偶铠装热电偶主要优点：主要优点：测温端热容量小，测温端热容量小，动态响应快。动态响应快。 机械强度高，挠性好，机械强度高，挠性好， 可安可安装在结构复杂的装置上。装在结构复杂的装置上。(3)薄膜热电偶薄膜热电偶主要优点：主要优点：热接点可以做得很热接点可以做得很小小(可薄到可薄到0.

18、010.1m)， 具有具有热容量小，热容量小， 反应时间可达到微反应时间可达到微秒级，适用于微小面积上的表秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温面温度以及快速变化的动态温度测量。度测量。现在学习的是第21页，共30页5.热电偶的补偿导线及冷端补偿热电偶的补偿导线及冷端补偿(1) 补偿导线补偿导线 适用范围：适用范围：测温端和处理电路所在的控制室较远测温端和处理电路所在的控制室较远(可达几十米，可达几十米，而热电偶为而热电偶为35cm2m)。 补偿方法补偿方法:(a)热电偶较便宜热电偶较便宜(镍、铜、铁镍、铜、铁)，补偿导线与热电偶材料一致。，补偿导线与热电偶材料一致。(b)热电偶

19、较贵热电偶较贵(铂铂)，补偿导线用热电特性相似的廉价金属代替。，补偿导线用热电特性相似的廉价金属代替。 补 偿 导 线 补偿导线颜色 补偿导线 型号 配用的热电偶 分度号 正 极 负 极 正 极 负 极 SC KC KX EX JX TX S（铂铑 10铂） K（镍铬镍硅） K（镍铬镍硅） E（镍铬铜镍） J（铁-铜镍） T（铜-铜镍） SPC（铜） KPC（铜） KPX（镍铬） EPX（镍铬） JPX（铁） TPX（铜） SNC（铜镍） KNC（铜镍） KNX（镍硅） ENX（铜镍） JNX（铜镍） TNX（铜镍） 红 红 红 红 红 红 绿 蓝 黑 棕 紫 白 现在学习的是第22页，共30

20、页(2)冷端补偿：冷端补偿：T00时，如何利用分度表。时，如何利用分度表。)0 ,()0 ,(),(CABABCABtetette冷端冷端0恒温法：恒温法： 冷端放入装满冰水混合物中。冷端放入装满冰水混合物中。冷端温度修正法：冷端温度修正法：利用中间温度定律进行修正利用中间温度定律进行修正现在学习的是第23页，共30页(b)工作原理工作原理:热电偶回路总电势热电偶回路总电势e总总= eAB(T)- eAB(T0)+UAB.T0=0时，调整时，调整RCu使得使得UAB=0，则，则 e总总= eAB(T)- eAB(0)(a)结构：结构：锰铜电阻锰铜电阻R1、 R2 、R3(温度系数很小温度系数很

21、小)；铜电阻；铜电阻RCu (温度温度系数较大系数较大)；稳压电源。；稳压电源。补偿电桥法补偿电桥法.T0)(. 2)(,. 103231321TeURRRRRRURRRRABCuCuABCu近似不变，e总总= eAB(T)- eAB(T0)+UAB变化很小。变化很小。即即 e总总eAB(T)- eAB(0) ，这相当于冷端温度恒定为，这相当于冷端温度恒定为0。现在学习的是第24页，共30页6. 热电偶测温线路热电偶测温线路(1)典型电路典型电路图图15-17 热电偶典型测温线路热电偶典型测温线路普通测温线路；普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；带有补偿器的测温线路；(a)(c) 具

22、有温度变送器的测温线路；具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路具有一体化温度变送器的测温线路现在学习的是第25页，共30页(2) 热电偶的串并联热电偶的串并联(a)同向串联：同向串联：E总总=E1+E2+E3+En，测几个温度之和。，测几个温度之和。(b)反向串联：反向串联：E总总=E1-E2，测，测2个温度之差。个温度之差。现在学习的是第26页，共30页r1、r2、r3、r4是相同热电偶电阻，是相同热电偶电阻，RL是仪表电阻。是仪表电阻。(c)并联并联:等效电路如右等效电路如右于是有于是有 r1=r2=r3=r4=rRL4043032021014321rUErUE

23、rUErUEIIIII由图知，LrrrrrRUrUrEEEE004321443210043214)14(UrURrrEEEErRLL443210EEEEU测平均温度测平均温度现在学习的是第27页，共30页四四.热电阻传感器热电阻传感器热电阻热电阻 ：金属热电阻。金属热电阻。热敏电阻热敏电阻：半导体热电阻。半导体热电阻。热电阻传感器：热电阻传感器：利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。理进行测温的。1.常用热电阻常用热电阻(1)铂热电阻铂热电阻 特点：特点：(a)精度高、稳定性好、性能可靠精度高、稳定性好、性能可靠 。(b)温度范围

24、为温度范围为-200+850。特性方程特性方程:(a) -2000内：内：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)(b)0850内：内： Rt = R0(1+At+Bt2)Rt和和R0分别为分别为t和和0时铂电阻值时铂电阻值; A,B和和C为常数为常数。现在学习的是第28页，共30页(2)铜热电阻铜热电阻 特性方程特性方程: Rt=R0 (1+t)Rt和和R0分别为分别为t和和0时电阻值时电阻值; 为铜热电阻的电阻温度系数。为铜热电阻的电阻温度系数。特点：特点：(a)测量精度不高测量精度不高; (b)温度范围为温度范围为50+150，不适宜在高温下工作，不适宜在高温下工作;(c)铜热电阻线性好，铜热电阻线性好， 价格便宜。价格便宜。现在学习的是第29页，共30页2.热电阻的结构热电阻的结构(1)结构：结构：电阻体、电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和接线盒。绝缘管、保护套管、引线和接线盒。现在学习的是第30页，共30页