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)簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性?。?）準(zhǔn)確度高（6） 輸出信號便于遠(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-輸入特性接近線性，測量精度高。銅在-50150 C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 100 C時(shí)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(diǎn)？用熱敏電阻進(jìn)行線性溫度測量時(shí)必須注意什么問題？7-4利用熱電偶測溫必須具備哪兩個(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？它們在利用熱電偶測溫時(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)，

3、只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則 第三導(dǎo)體對回路總熱電勢無影響。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，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢Eab（T,T0）與連接導(dǎo)線電勢 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）=E ab （T,Tn）+E ab （Tn,T0）這是中間溫度定律表達(dá)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

4、定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)。7-7鐐絡(luò)-鐐硅熱電偶測得介質(zhì)溫度800 C,若參考端溫度為 25 C,問介質(zhì)的實(shí)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(shí)驗(yàn)室備有鉗佬-鉗熱電偶、鉗電阻器和半導(dǎo)體熱敏電阻器，今欲測量某設(shè)備外殼的溫度。已知其溫 度約為300400 C,要求精度達(dá)土 2C,問應(yīng)選用哪一種？為什么？1 一鋼水包；2鋼熔融體；3 一熱電極A、 B4、7一補(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 一毫伏表接圖7- 10用浸入式熱電偶測量熔融金屬示意圖*7-10

5、 在煉鋼廠中，有時(shí)直接將廉價(jià)熱電極(易耗 品，例如鐐銘、鐐硅熱偶絲，時(shí)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(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； 如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料不行，因?yàn)椋?塑料不導(dǎo)電，不能形成熱電勢。*7-11用鐐銘-鐐硅(K)熱電偶測溫度，已知冷端溫度t0為40 C,用高

6、精度毫伏表測得這時(shí)的熱電勢為29.186mV,求被測點(diǎn)溫度？答：查K分度表，熱電偶在 40 C時(shí)相對于0C的熱電勢為：1.6118mV;由公式：U(t，°)=U(t，40) U (40,0) =29.186+1.6118mV=30.798mV;查K分度表得被測點(diǎn)溫度值為：740 C。*7-12 使用k型熱電偶，基準(zhǔn)接點(diǎn)為0C、測量接點(diǎn)為30 C和900 C時(shí)，溫差電動勢分別為 1.203mV 和37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為 30 C，測溫接點(diǎn)為900 C時(shí)的溫差電動勢為多少？答：由公式 U (900,0) =U (900,30)(30,0),得：U (900,30) =U (900

7、,0)U(30,0) =當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為 30 C，測溫接點(diǎn)為 900 C時(shí)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(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？7-14 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(diǎn)？7-16 如果需要測量1000 C和20 C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(yīng)用在什么不同場合？答：熱電阻

8、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，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。 1電阻傳感器：價(jià)錢較伯金屬便宜。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(jià)格便宜。不足之處是測量精度較伯電阻稍低、電阻率 小。 鐵電阻和鐐電阻：鐵和鐐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)，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。7-1

9、9什么叫熱電動勢、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(yīng)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(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B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，那么回路中就會存在熱電勢。有電流產(chǎn)生相應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無關(guān)。 溫差電動勢：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。 熱電偶測溫原理：熱電偶的測溫原理基于物理的"熱電效

10、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，那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y量電路測量電動勢的大小，就可測得溫度的大小。覷電偶三定律：a中間導(dǎo)體定律：熱電偶測溫時(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，則對熱電偶 回路總的熱電勢不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測溫時(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,冷端為T時(shí)的熱電勢等于該熱電偶熱端 為T冷端為Tn時(shí)的熱電勢與同一熱電偶熱端為Tn,冷端為T0時(shí)熱電勢的代數(shù)和。應(yīng)用：對熱電偶冷端不

11、為 0度時(shí)，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長度不夠時(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, T0）時(shí)分別為Eac （T, T0 ）和Ebc （T , T。），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(shí)用價(jià)值：可大大簡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(gè)進(jìn)行測定。誤差因素：參考端溫度

12、受周圍環(huán)境的影響減小誤差的措施有：a 0 oC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(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， 那么在回路中將會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大,產(chǎn)生的電動勢就越大。引入適當(dāng)?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(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測量溫度。熱電偶溫

13、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)換為電勢大小。相同點(diǎn)：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(fù)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(dāng)電流很小時(shí)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(dāng)電流I>Is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

14、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)。對于測溫、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(fēng)速、流量、真空等，則應(yīng)工作于伏安特性的負(fù)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(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5 C一點(diǎn)繪出電路圖中 u=f(t)的曲線。7-24 伯線電阻在20 C時(shí)為10Q。求50 0C時(shí)的電阻。邕才O答：R=R 0 (1+at)中，t=20 C, R=1g , a

15、 =30*10 -4/ C。> 心因此，10= R 0 (1+30*10-4*20) , R= R o (1+30*10-4*50)得 R 10.8 Q 。Llfl17-25 下圖1所示的伯測溫電阻元件，當(dāng)溫度由0 C上升到100 C時(shí)，電阻變化率 R/Ro為多少？下圖2所示的熱敏電阻(R0=28kQ )，其 R/Ro為多少？WE QUQ EQQ答：由圖1可讀取t=100 C時(shí)的R/R 0 q 1.4。因此，R=1.4R 0,又有 R= R-R 0= 1.4R 0-R 0=0.4 R0 。因此， R/R=0.4。 圖2的熱敏電阻中t=100 C時(shí)的Rq 103Q 。又 R= R-R 0=

16、-27k Q。因此， R/R 0=-27/28-0.96 。7-26 上圖1所示的伯測溫電阻元件，在 0200 C范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)為多少？答：由圖 1 , t=200 C處的 R/R 0 * 1.8,電阻溫度系數(shù) a (曲線的傾斜率)=(1.8-1 ) /200=0.4%/ C。7-27 要測1000 C左右的高溫，用什么類型的熱電偶好？要測 1500 C左右的高溫呢？答：若是1000 C銘鐐-鋁鐐，鉗、佬-伯，1500 C時(shí)，伯、佬30%-伯。7-28 使用k型熱電偶，基準(zhǔn)接點(diǎn)為0 C、測量接點(diǎn)為30 C和900 C時(shí)，溫差電動勢分別為1.203mV 和 37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為

17、30 C,測溫接點(diǎn)為900 C時(shí)的溫差電動勢為多少？答：現(xiàn)12=900 C , t1=30 C ,基準(zhǔn)接點(diǎn)溫度為 30 C ,測溫接點(diǎn)溫度為900 C時(shí)的溫差電動勢設(shè)為E,則 37.326=1.203+ E，所以 E=36.123mV。7-29 0 C時(shí)伯金熱電阻的阻值為100Q。按下圖所示進(jìn)行溫度測量。R1=100Q ,R 2=200Q ,R 3=300Q 時(shí)橋路達(dá)到平衡。此時(shí)溫度為多少？假設(shè)伯金電阻的溫度系數(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)。Rt答：電橋平衡的條件為 R1* R 2= R 1* R 3,所以另一方面，t( C)時(shí)的電阻阻值表示式為R

18、t= 100(1+0.003851*t) Rt=150所以 t =129.8 C7-30 0 C時(shí)的電阻為100Q的伯金熱電阻。300 C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=Ro (1+A t+B t2 )式中B=0 , A=0.003851C-1。(此時(shí)100 C時(shí)的電阻值為138.51 Q )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？答：(1 ) Rt=100(1+0.003851*t),以 t=300 C代入，得 Rt=215.53 Q 。(2 ) Rt=R 0 (1+At+Bt2 )式中以 t=300 C代入，

19、得 Rt=212.05Q(3)同(2),算得t=310 C時(shí)電阻值為215.61 Q ,即溫度上升10 C電阻增加3.56 Q 。因此，由(215.53-212.05) /0.356=9.8 算得誤差為 9.8 C。7-31 某熱敏電阻0 C時(shí)電阻為30kQ,若用來測量100 C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 Ro=3*104 , B=3450 , T=373.15 和 To=273.15 代入得 RT=1.017k Q 。7-32和人體體溫(36 C)相同的黑體，其熱輻射的分光輻射輝度為最大時(shí)波長為多少？答：將 T=273.15+36=309.1

20、5 代入 入 m*T=2.8978*10-3m K,得入 m=9.37*10-6 m=9.37 叩 。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：鉗、銅等。伯(-200 C 650 C)、銅(-50 C 150 C)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)上用伯電阻引線為三根， 實(shí)驗(yàn)室用四根，可消除測量電路中連線電阻引起的誤差。- - - k n7-34熱電勢公式：EAB (T,T0) = EAB (T) - EAB (T0) =(TT0) ln，從公式中得到的哪幾個(gè)結(jié)論？enB答：(1)

21、 若組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩接點(diǎn)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(diǎn)溫度相同，T才。，則盡管導(dǎo)體 A、B的材料不同，則無論兩接點(diǎn)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(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，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為 Ti,T2和T2,T3時(shí)的熱電勢總和。(5)在勢電偶回路中，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 會影響熱電偶的熱電勢。(6 )當(dāng)溫度為Ti，T2時(shí)，用導(dǎo)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。答：熱電偶測溫