上海海事大學熱工測試技術教案VIP

測量系統(tǒng)概論及誤差分析第一節(jié)測量系統(tǒng)測量技術是一門實用性很強學科，探求事物之間量、質(zhì)關系的科學，與其他學科有著廣泛而密切的聯(lián)系。要正確地對物理量進行測量，首先必須要有正確的測量方法，比如：采用直接測量，還是間接測量；靜態(tài)測量呢？還是動態(tài)測量？等等其次，根據(jù)測量的復雜程度合理組成測量系統(tǒng)。因此其可分為簡單測量系統(tǒng)和復雜測量系統(tǒng)。目前，在測量系統(tǒng)中，計算機技術應用越來越廣泛，從而為提高精度提供了必要條件。再次，任何測量都不可避免地含有誤差。誤差理論是測量技術的核心，它能夠分析和判斷結(jié)果的可靠性和有效性。一.測量意義我們知道，對任何不同的研究對象，都要從數(shù)量方面對它進行研究，都要通過測量代表其特性的物理量來實現(xiàn)。無論在科學實驗還是在生產(chǎn)過程中都離不開測量技術，否則會給工作帶來巨大的盲目性，只有通過可靠的測量，然后用誤差理論正確判斷測量結(jié)果的可靠性和有效性，才能進一步解決工程技術上提出的問題。由此可見，測試技術水平高低，將直接影響科技的發(fā)展。測量方法按照獲得測量結(jié)果的方法不同分類直接測量：將被測量直接與測量單位進行比較，或用預先標定好的測量儀器進行測量其測量結(jié)果可直接從測量儀表上獲得，稱為直接測量。直讀法：直接從儀表上讀出測量結(jié)果。如：壓力表溫度計等。比較法：與某一已知量或標準量具進行比較，其測量精度比直讀法高。間接測量：在工程上許多測量參數(shù)往往不能用直接測量法得到，如內(nèi)燃機功率P=M*N/9550（M：扭矩；n：轉(zhuǎn)速），這種通過直接測量量與被測量有確定函數(shù)關系的各變量，然后將所測得的數(shù)值代入函數(shù)關系式進行計算，從而求得測量值的方法，稱為間接測量法。按照測量狀態(tài)和條件分按等精度和非等精度分：在完全相同條件（測量者、儀器、測量方法、環(huán)境等）下，進行一系列重復測量稱為：等精度測量。按動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分：對穩(wěn)態(tài)參數(shù)進行測量，稱為穩(wěn)態(tài)測量（如：環(huán)境、溫度、大氣溫度、壓力…）。若在測量過程中，被測量隨時間變化明顯，則稱為動態(tài)測量；如在極短時間內(nèi)變化的燃氣溫度和壓力，相對于穩(wěn)態(tài)參數(shù)，動態(tài)參數(shù)更為困難，這不僅在于動態(tài)參數(shù)本身變化可能是復雜的，而且對于測量系統(tǒng)本身要求很高，不僅要考慮其靜態(tài)特性，還要考慮其動態(tài)響應要求。按接觸和非接觸被測物體：接觸測量和非接觸式測量測量方法的選擇應取決于測試工作的具體條件和要求。測量系統(tǒng)為了測量某一被測量的值，根據(jù)測量精度要求，將若干測量設備（包括：測量儀表、裝置、元件及輔助設備），按照一定的方式連接起來，這種連接組合即構(gòu)成了一種測量系統(tǒng)。根據(jù)測量復雜程度，可分為：1簡單測量系統(tǒng)2復雜測量系統(tǒng)對于任何一個測量系統(tǒng)，都含有以下三個主要部件：1感受元件感受被測量的變化，隨之內(nèi)部產(chǎn)生變化，并向外發(fā)出一個相應的信號。（舉例：水銀溫度計感受元件作用）包括兩個功能：拾取信息和把拾取的信息進行變換，一般是將其變換成另一種物理量，如：位移、壓差、電壓等。主要有兩種變換方式：a非電信號變換（如：水銀柱位移信號）b將感受到的被測信號直接變換成電信號輸出（如：熱電偶）需具備的條件：a變換速度快；b抗干擾能力強；c良好的線性變換；d盡量不干擾被測介質(zhì)的狀態(tài)。2傳遞元件將感受元件發(fā)出的信號，經(jīng)加工或變換成顯示元件易于接收的信號（作用）（舉例：電阻應變片）若感受元件發(fā)出的信號過小（或過大），傳遞元件應將信號放大（或衰減）；轉(zhuǎn)換和處理一般也有兩種形式：1非電量的轉(zhuǎn)換；2電量的轉(zhuǎn)換和處理。這些經(jīng)處理后的信號一般是模擬信號，可直接送到顯示部分，也可通過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，傳輸?shù)接嬎銠C進行信息處理，當然也可送到數(shù)字式儀表。3顯示元件根據(jù)傳遞元件傳來的信號向觀測人員顯示出被測量在數(shù)量上的大小和變化。一般可分為模擬顯示和數(shù)字顯示。微機的CRT顯示屏既能顯示模擬信號，又能顯示數(shù)字信號和文字。衡量測量系統(tǒng)的優(yōu)劣性能指標靜態(tài)性能指標1量程一般測量系統(tǒng)能測量的最大輸入量稱為測量上限，其最小輸入量稱為測量下限。測量上、下限代數(shù)差的模，稱為量程，即測量范圍。例：某溫度計：-40～+802精度（精確度）指測量某物理量時，測量值與真值的符合程度。用表示，常用滿量程時儀表所允許的最大相對誤差的百分數(shù)來表示。是一種按極限形式來表示測量系統(tǒng)的誤差（基本誤差）。允許誤差：設計時，應保證其基本誤差不超過某個一定的允許誤差值所確立的指標，也是一種極限誤差。當以引用誤差形式表示的允許誤差去掉百分數(shù)后余下的數(shù)字稱為測量系統(tǒng)的準確度等級。工業(yè)儀表國家標準系列，有七個等級：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4等。如：0.5級表示：該儀表的允許誤差為，其測量值絕對誤差不會超過該儀表量程的。3靈敏度靈敏度表示測量系統(tǒng)在作靜態(tài)測量時，輸出變化量與輸入變化量的比值。靈敏度有量綱，它是輸出、輸入量的量綱之比。4分辨率與靈敏度有關的另一性能指標，是指測量系統(tǒng)能夠檢測出的最小輸入變化量。5穩(wěn)定性指在規(guī)定的工作環(huán)境條件和時間內(nèi)，儀表性能的穩(wěn)定程度，它用觀測時間內(nèi)的誤差來表示。6重復性在相同測量條件下，對同一被測量進行多次重復測量，測量結(jié)果的一致程度，用重復性誤差Rn來表示。7溫度誤差輸出特性隨溫度變化而不同，當環(huán)境溫度偏離儀表的定標溫度（20），其輸出值的變化稱溫度誤差。8零點溫漂在一定環(huán)境和工作條件下，測量系統(tǒng)的輸入量固定不變時，其輸出量發(fā)生變化，這種變化稱為漂移。在系統(tǒng)零點產(chǎn)生的漂移，則為零漂。漂移往往是由于測量系統(tǒng)（儀表）內(nèi)部溫度變化或零件性能不穩(wěn)定引起的。把主要由于溫度引起輸出量的變化的漂移稱作溫漂。9動態(tài)誤差與頻響特性動態(tài)誤差，亦稱動態(tài)特性，在測量某些隨時間變化而變化的物理量時，儀表在動態(tài)下的讀數(shù)，和它在同一瞬間相應量值的靜態(tài)讀數(shù)之間的差值。一個儀表可看成一個振動系統(tǒng)，在動態(tài)測量中，要求儀表具有良好頻響特性，也就是說要求它的幅值比，在所要求的頻率范圍內(nèi)變化不大，即動態(tài)誤差小，同時在這個頻率范圍內(nèi)相位差也很小，相位差太大將會導致儀表失真?？赏ㄟ^拉普拉斯變換求解微分方程，獲得傳遞函數(shù)。當儀表輸入一個正弦信號，輸出一個信號時，儀表的傳遞函數(shù)：，其復數(shù)形式：可分為幅頻特性和相頻特性兩部分。故傳遞函數(shù)可稱為幅相特性或稱儀表的頻響特性。

第二節(jié)誤差分析-誤差存在的絕對性“誤差是不可避免的”無論使用多么精密的儀器，無論測量方法多么完善，無論操作多么細心。通過測量系統(tǒng)對被測物理量進行測量，所得到的數(shù)值稱為測量值X，而被測物理量具有客觀存在的量值，稱為真值X0，但遺憾的是，在任何方式下測得的值X都不可能是真正的被測量值真值X0，只能對X0的近似。近似程度的大小，就是誤差的大小?？傊?，測量結(jié)果都具有誤差，誤差自始至終存在于一切科學實驗和測量過程中。研究誤差的目的雖然每次得到的測量值不是真值，而是近似值，我們所關心的是每次測量，其測量誤差是否在允許范圍內(nèi)。我們研究方向是：1）找出測量誤差產(chǎn)生的原因，并設法避免或減少產(chǎn)生誤差的因素，提高測量精度；2）求出測量誤差大小或其變化規(guī)律，修正測量結(jié)果，并判斷測量可靠性。誤差表達形式一般有兩種表達形式：絕對誤差和相對誤差1絕對誤差2相對誤差絕對誤差只能表示出誤差量值的大小，而不能表示出測量結(jié)果的精度相對誤差可以表示測量精度，δ小，精度越高。測量誤差分類1根據(jù)誤差出現(xiàn)規(guī)律（誤差性質(zhì)及其產(chǎn)生原因）系統(tǒng)誤差定義：在相同條件下，對某個量進行多次測量時，誤差的絕對值和符號或均保持恒定，或按照一定規(guī)律變化。產(chǎn)生原因：一類原因可能是儀表制造，安裝，或使用不正確或試驗裝置受外界干擾；另一類原因是試驗理論和試驗方法不完善。如何消除：系統(tǒng)誤差是客觀存在的，有時難以消除，這就只能通過修正測量值才能達到測量精度，而修正值是從專門的試驗中求得的。過失誤差（粗大誤差）定義：在測量過程中，完全由于人為過失而明顯造成了歪曲測量結(jié)果的誤差；產(chǎn)生原因：測量人員粗心大意，讀錯，記錯，算錯或錯誤操作等；判斷方法：最簡單的方法是拉伊特法，即殘差大于3σ時就可以判定它是過失誤差；如何消除：剔除隨機誤差定義：在對同一個量進行多次測量時，由于受到某些不可知隨機因素的影響，測量誤差時小時大，時正時負地變化，沒有一定的規(guī)律，并且無法估計。但也同時發(fā)現(xiàn)測量次數(shù)足夠多時，這種誤差的分布服從統(tǒng)計規(guī)律，把它稱為隨機誤差或偶然誤差。產(chǎn)生原因：a儀表內(nèi)部零件之間存在間隙和摩擦，其變化不規(guī)則；b測量人員對模擬指示型儀表最末一位估計不準，在數(shù)字式儀表中，計數(shù)脈沖造成±1數(shù)字誤差；c周圍環(huán)境不穩(wěn)定對測量對象和測量儀器的影響。特點：與測量次數(shù)有關，當測量次數(shù)增加時，隨機誤差的算術平均值將逐漸減小，并趨近于零。2.按照測量誤差產(chǎn)生的來源a)人為誤差（操作誤差）；b)環(huán)境誤差；c)方法誤差；d)動態(tài)誤差；e)儀表誤差（裝置誤差）誤差理論基礎在測量結(jié)果中，在修正好系統(tǒng)誤差，剔除過失誤差后，所得數(shù)值測量精度就取決于隨機誤差了。所以有必要對隨機誤差進行研究。1.隨機誤差分布的性質(zhì)有界性：在一定測量條件下，測定值總是在一定的相當窄的范圍內(nèi)變動，故而隨機誤差也是在一定的，相當窄的范圍內(nèi)變動，絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率為零，即隨機誤差不會超過一定的界限。對稱性：當測量次數(shù)足夠多時，大小相等，符號相反的正負誤差出現(xiàn)的概率相同，即隨機誤差概率密度曲線是對稱的。抵償性：全部隨機誤差的算術平均值在測量次數(shù)不斷增加趨向于無窮時趨于零。單峰性：誤差的絕對值越小，出現(xiàn)的次數(shù)就越大，當誤差為零（測量值等于算術平均值時），出現(xiàn)概率最大，即：隨機誤差概率密度曲線的單峰性。2.隨機誤差概率密度分布曲線從上述4點性質(zhì)充分表明，大多數(shù)測量的隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。分布密度函數(shù)一定是隨機誤差x的平方的函數(shù)。這個分布是1796年高斯提出的，所以也稱為高斯分布，其函數(shù)分布形式為：式中，x：測量值與真值之差（＝X-X0）；y：概率密度（誤差等于x）；：均方根誤差或稱標準誤差該正態(tài)分布主要由兩個特征參數(shù)決定，即：X0，X0代表被測量參數(shù)的真值，完全由被測參數(shù)本身決定，當測量次數(shù)趨于無窮大時，子樣平均值等于真值。：則表示測定值在真值周圍的散布程度，由測量條件決定：點概率：；區(qū)間概率：※誤差分布曲線性質(zhì)：曲線關于y軸對稱：；當x＝0時，y達到最大值＝；當時，，最大誤差存在概率極小。3.誤差表示方法（測量結(jié)果誤差評價）無論是直接測量，還是間接測量，其目的都是要求出某一物理量的真值，但即使是熟練的實驗者用高精度儀表，仔細地測量，也不可避免會有誤差。因此，必須在給定條件下，找出測量值與真值的關系，從一組測量數(shù)據(jù)中確定最佳值，用它來代表所測物理量。a)標準誤差（均方根誤差）當測量次數(shù)足夠多時，標準誤差為，為絕對誤差＝Xi-X；其意義是：當進行多次測量后，測量誤差在范圍內(nèi)的概率是68.3％，即：＝0.683。當測量次數(shù)為有限多次時，此時我們用有限次測量求得的算術平均值近似地看成真值。此時樣本方根差：，其中為殘差b）或然誤差γ在一組測量中，當時，隨機誤差的絕對值大于或然誤差或小于或然誤差出現(xiàn)的概率各占一半，即：＝0.5得：對于置信度1-α＝50％時，置信區(qū)間中，γ＝0.6745對于多次測量，則有：測量結(jié)果＝子樣平均值或然誤差（P＝50％）c)極限誤差定義極限誤差范圍（即置信區(qū)間）是均方根誤差的三倍，記為3對應于置信區(qū)間的3置信度為99.7％即：測量誤差落在3范圍內(nèi)的概率為99.7％，也就是說：被測量真值落在范圍之內(nèi)的概率已接近100％，而落在這個范圍之外的概率極小，可認為不存在，所以將此誤差定義為極限誤差，一般的儀表都是采用極限誤差來定義精度的。d)平均誤差測量列平均誤差指該測定值全部隨機誤差絕對值的算術平均值。與標準誤差的關系：測量誤差落在范圍內(nèi)的概率為57.5％，置信度57.5％。4.各種誤差與標準誤差關系六．間接測量中的誤差分析以上講的都是直接測量中的誤差分析，下面我們主要講一下如何處理間接測量中的誤差。間接測量：是指被測量的數(shù)值是由測得的與被測量有一定函數(shù)關系的直接測量量經(jīng)計算求得。所以可知，間接測量誤差不僅與直接測量量的誤差有關，而且還與它們之間的函數(shù)關系有關。一次測量，間接測量誤差的計算由于手條件限制，試驗時只對被測量進行一次測量，這樣的情況我們是經(jīng)常遇到的。如何來分析誤差呢？這時我們只能根據(jù)所采用的測量儀表的允許誤差來估算測量結(jié)果中所包含的極限誤差，看它是否超過所規(guī)定的誤差范圍。其中，δ：儀表精度等級；A0：儀表量程；A：實測時儀表讀數(shù)；儀表所允許最大相對誤差Δmax＝δA0，精度：δ％從上式可知，采用一定量程的儀表，測量小示值的相對誤差比測量大示值的相對誤差要大。因此，選擇測量儀表的量程，應盡可能使示值接近于滿刻度，這樣可得到較為精確的測量結(jié)果。設：間接測量量Y，隨機誤差為y直接測量量為X1，X2，…，Xn，（設有n個），相互獨立，隨機誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關系：Y＝f（X1，X2，…，Xn）考慮誤差后，變成：Y+y＝f[（X1+x），（X2+x），…，（Xn+xn）]將等式右邊用泰勒級數(shù)展開，并忽略高階項，得：＝f(X1,X2,…,Xn)+可完成兩方面工作：用直接測量量誤差來計算間接測量量誤差根據(jù)所給出的被測量的允許誤差來分配各直接測量量誤差（舉例）多次測量，間接測量誤差的計算設：間接測量量Y，隨機誤差為y直接測量量為X1，X2，…，Xn，（設有n個），相互獨立，隨機誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關系：Y＝f（X1，X2，…，Xn）Y1＝f(X11,X21,…,Xn1)Y2＝f(X12,X22,…,Xn2)…Yn＝f(X1n,X2n,…,Xnn)每次測量誤差分別為：…根據(jù)誤差分布規(guī)律，等值，正負誤差的數(shù)目相等，故上述n式各項平方和中的非平方項可抵消。則：兩邊同除以n，變成，則：間接測量值多次測量時的極限誤差為：第三章溫度測量溫度是我們經(jīng)常要接觸的一個參數(shù)，也是制冷空調(diào)中需要經(jīng)常測量的一個參數(shù)。例如冷卻水溫度，制冷劑溫度，空氣溫度等。溫度是一個很重要的物理量，它是表征物質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)，物質(zhì)的熱物理性質(zhì)及某些特征參數(shù)均與溫度有著密切聯(lián)系。還有，它是國際單位制（SI）七個基本物理量之一。（請同學們說出其他六個？）測溫的熱力學原理溫度物理概念“溫度”這個物理量主要是用來描述人們對周圍環(huán)境或物體的冷熱感覺。熱感覺說明溫度高，冷感覺說明溫度低。換句話說，溫度是衡量物體冷熱程度的物理量。但是，不知大家注意到?jīng)]有，它不可能用直接的方式來獲得，而只能借助于冷熱不同的物體之間熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度變化的特性來間接地加以測量。下面繼續(xù)從宏觀和微觀兩個角度來說明“溫度”這個概念。溫度的宏觀概念是建立在熱平衡基礎上的。為什么這么說呢？解釋如下：當有任何兩個冷熱程度不同的物體互相接觸，那么它們必然會發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量就要從熱程度高的物體向熱程度低的物體傳遞，直至二者冷熱程度相同為止，即達到熱平衡，而處于同一熱平衡狀態(tài)物體，必定擁有一個共同物理性質(zhì)，而表征這個物理性質(zhì)的量就是溫度。另一方面，溫度的微觀概念來分析，物體溫度高低反映了物體內(nèi)部分子平均動能的大小，表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。所以物體的許多物理性質(zhì)和化學性質(zhì)都與溫度有關。溫度的測量原理：一切處于熱平衡的系統(tǒng)都具有相同溫度，這樣我們可以從相互比較中，由一個物體的溫度得知另一物體的溫度。所以處于熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)中，可借助一種具有未經(jīng)標定的溫度標尺的量具與被測物體相比較。它所具有的溫度就被認為是被測物體溫度。測溫介質(zhì)：雖然有不少物質(zhì)都有某些物質(zhì)（如：電阻，體積，熱電勢等）會隨著溫度變化，但并不是所有的物質(zhì)都能用作測溫物質(zhì)，而須進行適當選擇，一般條件：a所選物質(zhì)的某一屬性只與溫度有關，而且能連續(xù)地單值地隨溫度變化，最好是線性b希望這些物質(zhì)的屬性容易測量，且具有較強的輸出信號c具有較寬的測溫范圍d希望有較好的復現(xiàn)性溫標是“溫度標尺”的簡稱，溫度數(shù)值的表示方法，用來衡量物體溫度的標尺?！皽貥恕币?guī)定了溫度的起始點（零點）和測量溫度的基本單位。要建立溫標，首先要選定測溫物質(zhì)的性質(zhì)，其次是定義固定點的溫度數(shù)值（如：三相點，沸點等），最后再得出溫度的單位。1攝氏溫標（℃）較早出現(xiàn)，應用較廣泛的一種溫標。其原理是規(guī)定汞隨溫度的體膨脹是線性的。分度方法：規(guī)定在標準大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點是100℃，把汞柱在這兩點之間變化的液柱長度分為100等分。每一等分代表1攝氏度，用符號℃2華氏溫度（F）其選用原理和攝氏一樣，差別在于固定點，華氏溫標規(guī)定在標準大氣壓下純水的冰點為華氏32度，沸點為華氏212度，然后把這兩點之間變化的汞柱長度劃分成180等分，每等分為1華氏度，用F表示。3熱力學溫標（K）又稱絕對溫標或開爾文溫標，是以熱力學為基礎建立起來的，體現(xiàn)溫度僅與熱量有關而與工質(zhì)無關的理想溫標。由卡諾定理，我們可知，對于一個理想的卡諾機，如它工作在溫度為T2的熱源和溫度為T1的冷源之間，它從熱源中吸收熱量Q2，在冷源放出熱量Q1，則溫度與熱量之間有如下關系：可見溫度只與熱量有關，與工質(zhì)無關。如果我們指定了一個定點T2的數(shù)值，就可由熱量的比例求得未知量T1。絕對溫標規(guī)定水在標準大氣壓下的三相點溫度為273.16K。但實際上，理想卡諾循環(huán)無法實現(xiàn)，所以熱力學溫標無法實現(xiàn)，使用中是以氣體溫度計經(jīng)過示值修正后來復現(xiàn)熱力學溫標的。（因為理論證明熱力學溫標與理想氣體溫標一致，再某些惰性氣體的性質(zhì)與理想氣體近似，故利用它來制成氣體溫度計。）4國際實用溫標IPTS-901990年元旦開始實施的國際實用溫標（最新）它規(guī)定熱力學溫度是基本的物理量，符號為T，單位：開爾文K。它規(guī)定水的三相點溫度為273.16K，定義熱力學溫度開爾文等于水三相點溫度的1/273.16國際實用開爾文溫度和攝氏溫度關系為：t＝(T-273.15)℃a該溫標包圍溫度范圍：0.65K～單色輻射高溫計實際可測量的最高溫度（2000℃b定義固定點和溫度點共有17個。（其中14個為高純度物質(zhì)的三相點，熔點，凝固點；3個是用蒸汽或氣體測定的溫度點；c在不同溫度范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定性較高的溫度計來作為復現(xiàn)熱力學溫標的標準儀器。d更為實用，更為科學

第二節(jié)熱電偶測溫技術熱電偶是目前溫度測量中應用最廣泛的溫度傳感元件之一。一般用于測量高溫。特點：結(jié)構(gòu)簡單，準確度高，熱慣性小，它將輸入的信號轉(zhuǎn)換成電勢信號輸出，便于信號遠傳和轉(zhuǎn)換。這樣我想大家應該對熱電偶有了一個比較感性認識，接下來，我們具體對熱電偶測溫原理，結(jié)構(gòu)，基本參數(shù)使用進行具體地研究。熱電偶測溫原理要追溯到1821年，著名科學家塞貝克偶然發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象，叫熱電現(xiàn)象。也就是說，由兩種不同導體A，B組成的閉合回路，當兩接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電流，既而就會有熱電動勢產(chǎn)生，而且溫度差越大，產(chǎn)生的熱電動勢也越大，這就是著名的熱電現(xiàn)象。后來人們?yōu)榱思o念他，又稱為塞貝克效應。我們把導體A、B稱為熱電極；產(chǎn)生的電流稱熱電流；產(chǎn)生的電動勢稱熱電勢；將放置在被測對象中的接點，稱為測量端，熱端，工作端；而將另一端，稱為參考端、冷端、自由端。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱電勢是由溫差電勢和接觸電勢組成。1溫差電勢定義：由于導體兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。從溫度微觀概念知道，它是反映導體內(nèi)部自由電子平均運動動能大小的標志。所以溫度高的一端的電子能量往往比溫度低的一端電子能量大，那么從高溫端跑到低溫端電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的要多。那這樣會造成什么結(jié)果呢？造成的結(jié)果是，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負電。從而在溫度不同的導體兩端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該靜電場有兩個作用：a阻止高溫端電子跑向低溫端；b加速低溫端電子跑到高溫端。這樣，最后就達到動態(tài)平衡狀態(tài)。那么在導體兩端便產(chǎn)生一個相應的電位差。稱為溫差電勢，其方向是由低溫端指向高溫端，其大小只與導體性質(zhì)和導體兩端溫度有關。，其中―――NA：導體A的電子密度，它是溫度函數(shù)；e：單位電荷；k：波爾茲曼常數(shù)；t：導體各斷面的溫度；T,T0：導體兩端溫度。2接觸電勢定義：當兩種不同的導體A、B相接觸，由于二者不同的電子密度而產(chǎn)生的一種電動勢。從擴散原理，可知由于導體間接觸處的電子數(shù)不同，那么電子在向兩個方向擴散速率肯定也會不同，假設：導體A電子密度NA大于導體B電子密度NB，這樣導體A的電子擴散速率比導體B要來的大，從而A失去電子而帶正電，B得到電子而帶負電，在A、B接觸面上就會形成一個方向由A向B的靜電場。它和溫差電勢中的靜電場功能相似，將阻止電子進一步從A向B擴散，當擴散力和電場力平衡時，在A、B之間形成了一個固定的接觸電勢，其方向：又B指向A，其大小取決于A、B材料的性質(zhì)和接觸點的溫度，可用下式表示。其中，NAT：導體A在溫度為T時，電子密度；NBT：導體B在溫度為T時的電子密度。3回路總熱電勢一個由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，接點溫度分別為T、T0，且NA>NB，則回路中的總電勢。若A、B材料已定，則NA、NB只是溫度的函數(shù)，則上式可表示為：通過上式可得出如下結(jié)論：1熱電偶回路熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點處的溫度有關，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關；2只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產(chǎn)生熱電勢；3熱電偶的兩個電極材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關。如果T0已知且恒定，則f(T0)為常數(shù)?；芈房偀犭妱葜皇菧囟萒的單值函數(shù)。注：國際實用溫標IPTS-68 規(guī)定熱電偶的溫度測值為攝氏溫度t（℃），參比端溫度定為0℃。所以實用熱電勢不再寫，而是，如果t0＝0℃，則為可簡寫成E(t)。工程上所使用的各種類型的熱電偶均把E(t)和t的關系制成易于查找的表格形式，這種表格稱為熱電偶分度表。熱電偶回路的基本定律及其應用在實際測溫時，熱電偶回路中必然要引入測量熱電勢的顯示儀表和連接導線，因此理解了熱電偶的測溫原理之后還要進一步掌握熱電偶的一些基本規(guī)律，并能在實際測溫中靈活而熟練地運用這些規(guī)律。1均質(zhì)導體定律任何一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論其各處的截面積如何，不論其是否存在溫度梯度，都不可能產(chǎn)生熱電勢。反之，如果回路中有熱電勢存在則材料必為非均質(zhì)。應用：a檢驗熱電極材料的均勻性b要求組成熱電偶的兩種材料A、B必須各自都是均質(zhì)的，否則會由于沿熱電偶長度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。因此，要進行均勻性檢驗和退火處理。2中間導體定律在熱電偶回路中插入第三種均質(zhì)導體（中間導體），只要所插入的材料兩端連接點溫度相同，則所插入的第三種材料不影響原回路的熱電勢。應用：a熱電偶回路中可接入測溫顯示儀表。只要保證熱電偶連接的顯示儀表的兩個接點溫度相同，就不會影響回路原來的熱電勢。（完全不用擔心顯示儀表的接入對熱電勢的影響）b可利用開路熱電路來測量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。c任意兩種勻質(zhì)導體A、B，分別與勻質(zhì)材料C組成熱電偶，若熱電勢分別為和，則導體A、B組成熱電偶的熱電勢為。3中間溫度定律兩種不同材料A和B組成熱電偶，其接點溫度分別為t和t0時的熱電勢等于熱電偶在連接點溫度為（t，tn）和（tn，t0）時相應的熱電勢和的代數(shù)和。其中tn為中間溫度，即。應用：a提供了冷端溫度不是零度時如何應用熱電偶分度表的方法；b連接導線定律（當在原來熱電偶回路中分別引入與材料A、B有同樣熱電性質(zhì)的材料A’，B’，即引入所謂補償導線，相當于將熱電偶延長而不影響熱電偶的熱電勢。熱電極材料的基本要求理論上，根據(jù)熱電效應原理，任何導體都可以作為熱電偶材料，但實際上，作為實用的熱電偶測溫元件，對熱電極材料應滿足如下要求：1熱電性能好包括四個方面：a與溫度為單值函數(shù)關系，最好是線性；b熱電勢率大；c穩(wěn)定性好；d互換性好。2物理化學性能穩(wěn)定高溫下，不產(chǎn)生再結(jié)晶或蒸發(fā)現(xiàn)象；高溫下，抗氧化，抗還原，耐腐蝕性好。3測溫范圍寬4良好物理性能高的導電率，小的比熱，低的電阻溫度系數(shù)（影響輸出熱電勢的大?。┑?良好機械加工性能如對鎧裝熱電偶的制作6價格便宜遺憾的是，實際上沒有一種材料能同時滿足上述全部要求，怎么辦？退而求其次，在不同測溫條件下采用不同的熱電極材料。熱電偶分類a按熱電勢－溫度關系是否標準化可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶；b按熱電極材料的性質(zhì)可分為：金屬熱電偶，半導體熱電偶，非金屬熱電偶三類；c按熱電極材料的價格可分為：貴金屬熱電偶和賤金屬熱電偶；d按使用溫度范圍分：高溫熱電偶和低溫熱電偶要求學生從以下幾個方面掌握：分度號；材料貴賤；使用溫度范圍；優(yōu)缺點（特點）；適用條件等。標準化熱電偶是指生產(chǎn)工藝成熟、能成批生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，應用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國際專業(yè)標準中的熱電偶。按慣例正極成分一般寫在前面。常見的有以下6種標準化熱電偶。1鉑銠10－鉑熱電偶分度號為S，，為貴金屬熱電偶，其準確度在所有熱電偶中是最高的，常用于科學研究和準確度要求比較高的場合。物理化學性能良好，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，宜在氧化和惰性氣氛中連續(xù)使用。缺點：價格昂貴，電極絲直徑通常很細，機械強度較低，與其它熱電偶相比，其熱電勢偏小，熱電勢率也較小，因此靈敏度低。2鉑銠13－鉑熱電偶分度號為R，為貴金屬熱電偶，其性質(zhì)與鉑銠10-鉑熱電偶基本相同，唯一的差別是正極中銠的含量略高一些，這樣熱電勢也稍大一些，大15％左右，而且比S型熱電偶穩(wěn)定，復現(xiàn)性好。問題：是不是銠的含量再高一點更好呢？答：也不是，如果合金極中銠的含量達到20％，則在高溫下會發(fā)脆，影響熱電偶的壽命。3鉑銠30－鉑銠6熱電偶（雙鉑銠熱電偶）分度號為B，屬于貴金屬熱電偶正極：含銠30％的鉑銠合金；負極：含銠6％的鉑銠合金是60年代發(fā)展起來的一種用于測量高溫的熱電偶。使用溫度范圍：1600℃（長期），1800特點：由于其兩極都是由合金構(gòu)成的，因而提高了抗玷污能力和機械強度，其壽命比R,S型熱電偶要大得多。性能穩(wěn)定，但不如R,S型熱電偶好。測量準確度高，其熱電勢率比鉑銠10－鉑還要小，但同時帶來的好處是可不用補償導線，但須配用靈敏度高的儀表。適用條件：適于氧化性質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，不能在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中使用。4鎳鉻－鎳硅熱電偶分度號為K，是廉價金屬熱電偶，應用十分廣泛，在我國它的產(chǎn)量占了所有賤金屬熱電偶產(chǎn)量的一半左右。這種熱電偶的測量范圍很寬，從-270℃到1300使用溫度范圍：1000℃（長期），1300特點：熱電勢率大，靈敏度比較高；熱電特性近乎線性，線性度好，使得顯示儀表的刻度均勻；穩(wěn)定性和均勻性很好；高溫下抗氧化，抗腐蝕能力都很強，比其它廉金屬熱電偶好；化學穩(wěn)定性好。適用條件：適用于氧化性和中性介質(zhì)中使用，在還原性氣體中易被腐蝕。在500℃到13005鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶分度號為E，熱電勢率是目前各類金屬熱電偶中最高的，靈敏度最高，靈敏度比鎳鉻－鎳硅高一倍。使用溫度范圍（-200～800）：600℃（長期），800特點：最大的特點是在常用熱電偶中，熱電勢率最大，即靈敏度最高。熱電特性線性度較好，價廉；耐熱和抗氧化性要比銅－康銅強。缺點是其負極難以加工，而且熱電均勻性也比較差。適用條件：適宜在氧化和惰性氣氛中使用，但不能用于還原氣氛或硫氣氛中。6銅－銅鎳（康銅）熱電偶分度號為T，使用溫度范圍：-200～350℃特點：熱電性能穩(wěn)定，特別是在0～-200℃下使用，穩(wěn)定性更好。在廉價金屬中準確度最高的；價格便宜，是標準化熱電偶中最便宜的一種；能抵抗?jié)駳獾那治g，可用在真空，氧化，還原及中性氣氛中，但不能超過300非標準化熱電偶7鎳鉻－金鐵熱電偶適用于一些特定溫度測量場合低溫下仍有很大的熱電勢，可在2～273K低溫范圍內(nèi)使用，熱電勢穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，易于加工成絲。熱電偶結(jié)構(gòu)1普通工業(yè)用熱電偶主要由：熱電極，絕緣套管（多采用氧化鋁管或工業(yè)陶瓷管，其作用是防止兩個熱電極短路），保護套管（1000℃以下用金屬管，1000缺點：體積大，笨重，熱慣性大等。2鎧裝熱電偶主要是由熱電偶絲，耐高溫的金屬氧化物粉末（如：Al2O3等）絕緣物，以及不銹鋼套管三者組合冷加工，由粗坯逐步拉制而成。其結(jié)構(gòu)形式有下列四種，具體見下圖所示：a碰底型；b不碰底型；c露頭型；d帽型。其突出優(yōu)點：測量端熱容小，動態(tài)響應快，結(jié)構(gòu)緊湊，耐壓，抗震，可撓，使用方便。熱電偶參考端溫度補償熱電偶材料選定后，熱電勢只與熱端和冷端溫度有關。所以，只有當冷端（參考端）溫度保持恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端（測量端）溫度才有單值函數(shù)關系，而且我們知道，熱電偶分度表均以冷端溫度等于攝氏零度的條件下制定的。在實際測溫中，冷端溫度往往既不穩(wěn)定，也不一定是攝氏零度，故：必須對冷端溫度進行修正，消除冷端溫度影響。1保持冷端溫度恒定的方法（當冷端溫度恒定，但不是零度時）a冰浴法這是一種實驗室常用的方法，即：使冷端直接置于0℃（用圓球法測導熱系數(shù)時用熱電偶測溫時）b熱電勢修正法由中間溫度定律：式中就是冷端溫度℃，而為恒值時的引入誤差。只要測出冷端溫度t0值，并由相應的熱電偶分度表查出的值，將其加到測得的熱電勢上，得到其冷端溫度等于零攝氏度時的熱電勢的值，將其加到測得的熱電勢上，得到其冷端溫度等于零攝氏度時的熱電勢值，然后便可從分度表求得熱端溫度即被測溫度真值。c儀表機械零點調(diào)整法在tn已知時，可先斷開測量線路，然后把儀表起始點調(diào)到tn處，相當于在測溫之前就給儀表輸入電勢，這樣在進行測量時，輸入儀表的熱電勢為，因此，儀表的指針就能指出熱端溫度t。2參考端溫度t0波動時的補償方法a補償導線實際中使用的熱電偶，尤其是貴金屬熱電偶往往是長度一定，結(jié)構(gòu)固定的，由于測溫現(xiàn)場溫度波動不定，這就往往需要將其參考端移至遠離被測對象，且溫度場較穩(wěn)定的場合。這可以采用在一定溫度范圍內(nèi)其熱電特性與所配的熱電偶基本一致，而且價格較便宜的補償導線來作為熱電偶絲的延伸部分。根據(jù)中間溫度定律，補償導線的引入并不會影響熱電偶的熱電勢?？煞譃椋貉由煨秃脱a償型兩種。注意事項：必須與相應熱電偶配套使用，極性不能接錯，兩個連接點溫度必須保持相同，并且導線的使用溫度不能超過規(guī)定的范圍，否則將引起較大的測量誤差。b參比端溫度補償器是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因參考端溫度變化而引起的熱電勢變化。橋臂電阻R1、R2、R3、RCu與熱電偶參考端處于相同的環(huán)境溫度，其中：R1=R2=R3=1Ω，由錳銅絲繞制。E(4V)為橋路直流電源，Rs為限流電阻，一般選擇Rcu在20℃時使電橋處于平衡狀態(tài)，即：RCu20=1Ω，此時橋路補償Uab當參考端溫度變化時，在電橋?qū)蔷€輸出一個不平衡橋壓Uab和E(t,t0)疊加，適當選取Rs，可使電橋產(chǎn)生的電壓剛好補償由于參考端溫度變化而引起的熱電勢變化，即：Uab=E(t0,0)，這時儀表就能正確指示測量端的溫度。如電橋平衡時的溫度為20℃，則在使用時，與其配接的指示儀表的機械零點應調(diào)至20熱電偶測溫回路由熱電偶、補償導線、普通導線和直流電測儀表構(gòu)成。1多支熱電偶共用一臺電測儀表圓球法測導熱系數(shù)的實驗時，在測量圓球內(nèi)外表面溫度時，我們就用到這樣的測溫電路。為了節(jié)省顯示儀表，將若干條熱電偶通過切換開關共用一臺電測儀表。使用這樣的回路條件：a各支熱電偶的型號相同；b測溫范圍均在顯示儀表的量程內(nèi)。應用1采用這種接線方式時，所有主熱電偶可共用一個輔助熱電偶來進行參比端溫度補償。（冷端補償）應用2用于現(xiàn)場中，大量測點不需要連續(xù)測量，而只需要定時檢查的場合?？纱蟠蠊?jié)省顯示儀表的數(shù)量。2一支熱電偶配用兩個電測儀表有時，需要將一支熱電偶產(chǎn)生的熱電勢輸?shù)絻蓚€顯示儀表上。（如：一個就地顯示，一個在控制室顯示）a如G1、G2均為動圈儀表時，在這種情況下，由于I=I1+I2，所以輸入到每個動圈儀表的電流均比總電流低。所以G1、G2讀數(shù)偏低，在測量中一般不宜采用。b如G1為電位差計，G2為動圈儀表采用這樣測量方法，在穩(wěn)定時，I1=0,故電位差計G1的存在并不影響G2的指示值，但在調(diào)整電位差計過程中，由于,且在變化，因此要引起G2指針跳動現(xiàn)象，從而造成讀數(shù)的不準確，所以一定要待電位差計調(diào)整好后方可讀數(shù)。c如G1、G2均為電位差計由于在電位差計調(diào)整穩(wěn)定時，在測量回路中無電流流過，即I=I1=I2=0，故G1、G2彼此影響很小，其測量準確度與一個二次儀表時相同。3熱電偶的并聯(lián)、串聯(lián)和反接a熱電偶并聯(lián)見圖為：三支同型號熱電偶的并聯(lián)線路輸入顯示儀表的毫伏值為三支熱電偶輸出熱電勢的平均值，即：E=(E1+E2+E3)/3。正極與正極，負極與負極分別連接在一起。如果n支熱電偶的熱電勢相差不多，且偶絲電阻相等，則并聯(lián)測量線路的總熱電勢等于n支熱電偶熱電勢的平均值。熱電勢小，但其相對誤差也小，僅為單支熱電偶的，且其中一支熱電偶斷路時，不影響整個系統(tǒng)工作。多用于溫場的平均溫度測量，或需準確測量溫度場合。b熱電偶的串聯(lián)線路將n支熱電偶（同型號）依次按正、負極相連接的線路這可以得到較大的熱電勢，可提高測溫靈敏度顯示儀表的示值反映的是兩支熱電偶測量端溫度的總和：E＝E1+E2+E3多用于小溫差測量或需要較高靈敏度場合。優(yōu)點：熱電動勢大，測溫準確度比單支熱電偶高，根據(jù)串聯(lián)原理，可制成熱電堆，可感受微弱信號，或相同條件下，可配用靈敏度較低顯示儀表。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個系統(tǒng)不能工作。c熱電偶反接將兩支同型號熱電偶反向連接可測量兩點之間的溫差，它也是要考慮參考端溫度一致，則輸入儀表電勢：熱電勢測量線路熱電偶輸出的信號是熱電勢，熱電勢大小需要通過測溫儀表來指示，從而反映出被測溫度的高低，熱電勢測量有下列幾種方法：1動圈式儀表測熱電勢熱電勢與回路電流I關系其中——Re：線路總電阻，統(tǒng)一規(guī)定為15Ω，它包括導線電阻，熱電偶電阻，補償導線電阻和調(diào)整電阻Rc；Rs：動圈儀表內(nèi)部串聯(lián)電阻，用來改變儀表量程；R：是電阻RB,RT,RD,RP的綜合，RT：熱敏電阻（68Ω，20℃，它與RB并聯(lián)，用來補償儀表動圈電阻RD隨溫度的變化）；RD：儀表動圈電阻；RPRB、RP、RS、RC為錳銅繞制，阻值不隨溫度的變化而變化。因為，故：儀表表盤刻度可直接用溫度刻度冷端補償方法是：用冷端補償器的方法，如圖2-15，page272電位差計測電勢測量精度高，也就是有很高的準確度？為什么？我們知道，再用電位差計測量時，有一個很重要的特點：讀數(shù)時通過熱電偶及其連接導線的電流為零，因而熱電偶及其連接導線的電阻即使有些變化，也不會影響測量結(jié)果。a直流電位差計采用把被測量與已知標準量比較后的差值調(diào)至零的零差測量方法原理圖，見書有三個回路，即工作電流回路I，標準回路II，測量回路III測量時，先把K鍵撥向“標準”位置，此時由標準電池EN，標準電阻RN及檢流計G組成的校準回路，開始工作，根據(jù)回路電壓定律：調(diào)節(jié)Rs改變工作回路電流I1，當EN=I1*RN時，IN=0，即檢流計G指零。因為En，Rn幾乎不變，所以I1不變，這樣就將工作電流標準化然后，將K鍵撥向“測量”位置，由E,Rab，檢流計G組成的測量回路開始工作，同樣，由回路電壓方程：，其中Re為熱電偶及其連接導線的等效電阻調(diào)整電阻盤上用毫伏進行刻度直接讀出熱電勢值b電子電位差計有多種功能：I具有較高精度；II能連續(xù)自動記錄并自動顯示被測溫度；III自動補償熱電偶參考端溫度；IV參數(shù)超限報警；V對被測參數(shù)進行自動控制。原理與直流電位差計相似，與其不同的是：它用可逆電機及一套機械傳動機構(gòu)代替人的手進行電壓平衡操作；用放大器代替檢流計來檢查不平衡電壓，并控制電機可逆工作。恒值電流I通過滑線變阻，若RP上的分壓，則電子放大器的輸入偏差電壓，經(jīng)放大后有足夠的功率去驅(qū)動可逆電機SM，使它根據(jù)或，作正向或反向轉(zhuǎn)動，經(jīng)機械系統(tǒng)帶動RP上的滑動點B作或左或右轉(zhuǎn)，直到Et和UAB相平衡。

第三節(jié)熱電阻測溫技術一般熱電偶在500℃以下工作時，熱電勢小，靈敏度較低，故目前在測量-200～600℃電阻溫度計特點：精度高，測量范圍廣，輸出信號大，靈敏度高，不需冷端。熱電阻測溫原理利用導體或半導體的電阻隨溫度變化而改變的性質(zhì)，將電阻值的變化用二次儀表把它測量出來，從而達到測溫的目的。即：通過測量電阻值大小來反應溫度的高低，可見，電阻溫度計包括兩個部分：敏感元件熱電阻和測量電阻值變化的儀表。敏感元件（熱電阻）要求常用金屬和半導體材料制造，其材料應滿足：a電阻溫度系數(shù)大且與溫度無關，才能保證其良好靈敏度和線性度金屬熱電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但不嚴重，尤其在較窄的溫度范圍內(nèi)，線性還是比較好的；半導體電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但嚴重，但在低溫時靈敏度高，電阻溫度系數(shù)大。b電阻率大由,ρ大，可使電阻體體積較小，因而熱慣性也較小，對溫度變化的響應快；c材料復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；d價格便宜根據(jù)熱電阻所用的材料，主要可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻。金屬熱電阻溫度計電阻溫度系數(shù)：用溫度變化1℃時，金屬熱電阻值的相對變化量來描述，用α，單位：實際上，α表示了電阻溫度計的相對靈敏度，因為是電阻的相對變化量，而不是絕對變化量；金屬導體電阻一般是隨溫度的升高而升高的，大多數(shù)金屬當溫度升高1℃時，其阻值增加（0.4～0.6）％，即α，對于同一金屬材料α也可以不相同，其大小與該金屬純度有關，純度越高，α金屬熱電阻純度常用表示，：100℃時金屬熱電阻的阻值，：0℃時金屬熱電阻的阻值。越大，純度越高。1鉑熱電阻使用最廣泛的一種熱電阻。特點：a物理化學性能穩(wěn)定；b準確度高；c穩(wěn)定性好；d性能可靠鉑電阻使用溫度范圍：-200℃～850在0～850℃，電阻與溫度關系：在-200～0℃，電阻與溫度關系：我國工業(yè)上使用的鉑電阻規(guī)定：目前，全國統(tǒng)一設計后，鉑電阻分度有三種，分別為：Pt50（R0=50Ω）；Pt100（R0=100Ω）；Pt300（R0=300Ω）選取R0數(shù)值大小的一般原則是從減小引出線和連接導線電阻變化所引起的測量誤差考慮。R0大，熱電阻引出線和連接導線的阻值可忽略，所以就希望R0大為好。R0小，測量時流過電阻體的電流加熱電阻絲所產(chǎn)生的熱量就小，這對減小熱容量和熱慣性，提高電阻對溫度的響應速度有利，為此就希望R0小為好。因此在實際選用時必須綜合考慮。2銅熱電阻優(yōu)點：a價格便宜；b電阻溫度系數(shù)大；c易獲得高純度銅絲；d互換性好；e電阻溫度系數(shù)幾乎線性；缺點：電阻率小，易被氧化；使用溫度范圍：-50～150℃電阻與溫度關系：尤其在0～100℃范圍內(nèi)，可用，其中α0：銅電阻在0℃時的α，α0＝4.25×10-3目前我國工業(yè)上使用的標準化銅電阻分度號，有兩種Cu50和Cu100；，3熱電阻結(jié)構(gòu)普通熱電阻，外形與熱電偶相似，主要由：保護套管，電阻體，骨架和引線等部件組成a電阻體也就是溫度敏感元件，其材料性能對傳感器的好壞有關鍵性的影響；b骨架作用是用來纏繞，支撐或固定熱電阻絲的支架對骨架材料要求：i絕緣性能好；ii比熱??；iii導熱系數(shù)大；iv物理化學性能穩(wěn)定；v膨脹系數(shù)??；vi有足夠的機械強度。常用材料：云母，玻璃，石英，陶瓷，塑料等。c引線測量熱電阻所必需的但因其有一定的阻值，并隨溫度變化而變化，而且熱量通過引線也會造成損失，這些都會引起測量誤差。所以要求：i材料電阻溫度系數(shù)小；ii電阻率??；iii熱導率低；iv和電阻體接觸產(chǎn)生的熱電勢小；v化學性質(zhì)穩(wěn)定；常用引線材料：鉑，金，銀銅絲等。d保護套管主要作用：使電阻體免受腐蝕和機械損傷鎧裝熱電阻將陶瓷或玻璃骨架上的感溫元件，裝入不銹鋼細管內(nèi)，其周圍用氧化鎂粉牢固充填；它的三根引線同保護管之間，以及引線相互之間要絕緣良好。優(yōu)點：a外徑??；b測溫響應快；c抗震；d可撓；e使用方便；f使用壽命長；半導體電阻溫度計（熱敏電阻）相比于金屬熱電阻具有如下優(yōu)缺點，優(yōu)點：1電阻溫度系數(shù)比金屬導體大，靈敏度高；2電阻率高（可制成極小的敏感元件，熱慣性小，且導線電阻的影響很小，特別適用于測量點溫度及動態(tài)溫度）缺點：1線性及互換性差，測量范圍，僅為-50～3002性能不穩(wěn)定，測溫精度低不過，隨著半導體工業(yè)技術的發(fā)展，半導體溫度計特性將會得到進一步改善。測溫原理：半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，具有負的溫度系數(shù)。電阻與溫度系數(shù)，其中T――被測溫度，單位K；RT――溫度為T時的電阻值；A,B――常數(shù)，與溫度無關。一般是用鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等一些金屬氧化物做原料制成熱電阻測溫線路測量熱電阻阻值的常用儀表：直流電位差計，直流平衡電橋，動圈式儀表，自動平衡電橋及數(shù)字式儀表。下面主要介紹三種測量線路。1和直流電位差計配套線路圖如下圖所示，主回路：熱電阻Rt，標準熱電阻RN，可變電阻Rp，和具有穩(wěn)定電壓的電源E串聯(lián)成閉合回路。P是電位差計；K是切換開關；通過改變可變電阻Rp大小調(diào)節(jié)通過RN、Rt電流。首先，可用電位差計測得標準電阻兩端的電壓UN，從而得到回路中的電流強度I：然后，把切換開關反向接通，用電位差計測得熱電阻Rt兩端的電壓Ut，則，從而測得熱電阻阻值Rt。這種測量方法具有較高測量精度，為什么？由于測量時連接電位差計的導線內(nèi)無電流通過，熱電阻也不受連接導線電阻影響。2不平衡電橋――和動圈式儀表配套測量原理圖不平衡電橋：由Rt、R1、R2、R3、R4和線路電阻ra、rb組成；其中Rt被測電阻。當Rt變化時，電橋平衡被破壞，AB兩端會產(chǎn)生不平衡橋壓，會在動圈中形成電流，使動圈在磁場中受力而偏轉(zhuǎn)，同時帶動指針在標尺指示相應的被測溫度。注意：采用XCZ－10Z動圈式儀表測量熱電阻時，其連接線電阻必須嚴格控制，（一般有兩種規(guī)定：5Ω和10Ω）否則會對結(jié)果產(chǎn)生影響，所以無論在儀表與熱電阻之間采用二線制連接還是三線制，均要在每根導線上加上附加電阻Re，使其滿足規(guī)定要求，不允許在斷開熱電阻時接通儀表電源，否則會因電流過大而損壞儀表。3和平衡電橋配套是測量熱電阻最常用的方法二線制：其中：R2=R3用錳銅繞制（比例臂）；R1可變電阻（可變臂）；Rt：熱電阻；ra、rb：連接導線和引線電阻；G為檢流計；E為電池。當電橋平衡時，檢流計中無電流通過，→。由于導線分布電阻ra、rb：會隨環(huán)境溫度變化；R1：可通過觸點位置讀數(shù)電阻值；Rt：即可求得→只與R1有關，可在R1上進行電阻或溫度刻度。由于導線分布電ra、rb在同一橋臂上，當環(huán)境溫度改變將引起ra、rb變化，無法精確測出Rt值，會給測量帶來較大的誤差。三線制：其中：R2=R3用錳銅繞制；R1可變電阻；Rt：熱電阻；ra、rb、rc：連接導線電阻（一般情況下，三根導線材料、直徑、長度相同）；G為檢流計；E為電池。電橋平衡時，，且ra=rb，所以有Rt＝R1。由于ra=rb，當環(huán)境溫度變化時兩橋臂阻值同方向、同增量變化，這樣有效地消除連接導線電阻的影響。使rc和ra、rb相等是為了避免差錯，方便使用。

第五節(jié)溫度計的選擇，安裝，與標定選擇必須根據(jù)被測對象的情況，測量的要求，被測介質(zhì)的性質(zhì)，和周圍的環(huán)境來選擇。安裝低溫測量1測量壁面溫度時，保證溫度計與被測物體有良好的熱接觸2用熱電偶或熱電阻測溫時，通常是在被測物體上鉆出與溫度計相適應的孔，將溫度計的測量端埋入孔內(nèi)，然后用低溫膠密封好；3低溫測量時，要考慮測量引線的傳熱給測量帶來的誤差靠近溫度計部分的引線，必須與被測物體達到同一溫度采取措施：a先把引線繞在比室溫低的一個金屬零件上，減少室溫引線漏熱b選擇細的，導熱性能差的材料作引線；c避免室溫對低溫溫度計的熱輻射，如加裝輻射屏標定出廠前，安裝前，或經(jīng)過一段時間使用后，須對溫度計進行標定。工業(yè)用溫度計的標定方法主要有兩種：比較法，定點法。1比較法將具有高一級準確度的標準溫度計和被標定的溫度計都置于同一介質(zhì)中，比較二者的溫度測量指示值，確定被標定溫度計的基本誤差。標準溫度計：高溫時，用標準熱電偶；低溫時，用水銀溫度計；比較法標定溫度計的基本要求：營造一個均勻的溫度場（標準和被標定可感受到同樣溫度），并具有足夠大?。ㄓ蓽y溫元件產(chǎn)生導熱損失可忽略），那么如何去營造一個均勻溫度場呢？a中、低溫液體槽（帶攪拌裝置）根據(jù)被標定溫度計范圍不同，常用液槽有：液氮槽：檢定溫度可達-150酒精槽：利用固體CO2冷卻，可達-80水槽：用電加熱，可用于：1～100℃范圍油槽：用電加熱，可用于：80～300℃范圍b管式電爐常用在溫度大于400℃為了保證內(nèi)部溫度分布均勻，要求電爐：內(nèi)腔長度與直徑之比至少是：20:1；在電爐內(nèi)管中心，放置一鎳金屬塊，然后在塊上鉆一孔，便于插入熱電偶。2定點法就是：用需檢定的溫度計測量某些固定點溫度（如：凝固點，沸點，三相點），求得讀數(shù)，再與這些固定點在國際溫標中的標準值相比較，根據(jù)它們之間的差異程度評定其基本誤差大小，主要用以下幾個易獲得、常見的固定點：a沸點：水沸點，但同時測量當?shù)卮髿鈮簲?shù)值，并據(jù)此進行溫度指示值的修正；b凝固點：水冰點，受大氣壓影響非常小，但受純度影響。第三章壓力測量壓力的基本概念一.壓力定義：垂直作用在物體單位面積上的力，對應物理學中的壓強。1法向壓力作用在一個定點上的壓力p是由垂直施加在以該點為中心的單位面積dA上的力確定的，即在連續(xù)介質(zhì)中，任取一個平面將介質(zhì)分成兩部分，所分成的兩部分介質(zhì)相互推擠時產(chǎn)生的法向應力稱為壓力，整個作用在連續(xù)介質(zhì)上的力稱為全壓力，其中包括固體內(nèi)部的壓力，固體間接觸面的壓力，以及流體內(nèi)部的壓力。本書所研究的壓力是流體壓力。對于靜止的流體，任何一點的壓力與在該點所取的面的方向無關，在所有方向上壓力大小相等，這種具有各向同性的壓力稱為流體靜壓力；靜止流體中的壓力僅僅取決于流體所處的時間和空間的位置，是一標量值，與所取的作用面方向無關。2運動流體內(nèi)的壓力運動流體中，任何一點的壓力是所取平面方向的函數(shù)。當所取平面的法向與流動方向一致時，所得到的壓力最大，這個壓力最大值稱為該點的總壓力；當二者方向垂直時，即作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱為流體靜壓力，總壓力與靜壓力之差稱為動壓力，而動壓力是流速的函數(shù)。假定流體為無粘性的理想流體，并忽略流體的壓縮性，且流體成水平方向穩(wěn)定流動，由流體能量守恒定律可知：常數(shù)式中，ps是靜壓；是動壓；ρ是流體密度；c是流體速度。可見，當流體沿水平方向穩(wěn)定流動時，其靜壓力與動壓之和沿著同一流線保持不變。對于實際流體，總壓力不可能保持常數(shù)，沿流動方向逐漸減小，主要是由于有粘滯阻力引起的能量損失。二.壓力表示方法（不同場合采用不同的表示方法）絕對壓力；表壓力（壓力：表壓力為正；負壓力或真空：表壓力為負）；壓差。單位1工程大氣壓1工程大氣壓等于每平方厘米的面積上垂直并均勻分布著1千克力作用的壓力，千克力/厘米2或kgf/cm2；2物理大氣壓地球大氣圈內(nèi)的空氣柱因自重在地球表面上產(chǎn)生壓力，是一個隨時間、地點變化而變化的量，使用不方便。規(guī)定：1物理大氣壓等于0℃時，水銀密度為13.6g/cm3和重力加速度為9.80665m/s2時，高度為760毫米3mmHg4mmH2O在工程測量中，通入表的壓力為絕對壓力，而在壓力表上顯示的是表壓力。三.壓力分類根據(jù)壓力測量原理不同可分為三種：1重力與被測壓力平衡該方法是按照壓力的定義，通過直接測量單位面積所承受的垂直方向力的大小來檢測壓力，如液柱式壓力計；2彈性力與被測壓力平衡彈性元件感受壓力作用后會產(chǎn)生彈性變形，形成彈性力，當彈性力與被測壓力平衡時，彈性元件變形多少則反映了被測壓力的大小，如彈性式壓力計；3利用物質(zhì)其它與壓力有關的物理性質(zhì)測量壓力一些物質(zhì)受壓后，其某些物理性質(zhì)會發(fā)生變化，通過測量這種變化就能測量出壓力，如各種壓力傳感器（精度高，體積小，動態(tài)特性好等優(yōu)點）。從測量角度：可分為1靜定壓；2變動壓（非周期連續(xù)變化<波動壓力>；不連續(xù)且變化大<沖擊壓力>）；3脈動壓（周期性變化）；

第二節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力測量一.測量的基本原理流體沿水平方向穩(wěn)定流動時，其靜壓與動壓之和沿流線不變，即常數(shù)；其中，p0是總壓力，或稱滯止壓力；ps：流體靜壓力。假如一物體處于流體中，它表面上某一點流體的靜壓力為ps1，速度c1，則：引入壓力系數(shù)，由流體力學可知，在任何被流體繞流的物體上，都存在流體速度為零的一些點，這些點稱為臨界點，這些點上的壓力稱為滯止壓力p0。，此時壓力系數(shù)Kp＝1；同樣，在被繞流物體表面上也存在流體的壓力等于流體靜壓力，即：ps1=ps，此時Kp＝0。對于圓柱形物體，當，即圓柱表面的A點是臨界點；，但曲線斜率大，這一點Kp值不穩(wěn)定；，雖然，但卻是穩(wěn)定。對于球形物體，臨界點為處的點；當，即：對于頭部為半球形的圓柱體，其臨界點位置與圓柱體和球體一樣，臨界點在x＝0的點，即在其端部；而Kp＝0的壓力分布的點在離半球端部3d處的圓柱表面上。流體靜壓測量及靜壓探針講述流體靜壓與流體速度有關，且流道橫截面上各點的流體靜壓是不相等的。由于在穩(wěn)態(tài)運動流體中，靜壓與動壓之和沿流線不變，而流體的動壓是速度的函數(shù)，所以流體的靜壓也與流體的速度有關。由于流體在流道橫截面上的速度分布是非線性的，所以流道橫截面上各點的流體靜壓是不相等的。靜壓測量分兩種情況：a測量作用于流道壁面上的靜壓力；b測量流體中某一點的靜壓力。1對于流道壁面上的靜壓力測量可在流道壁面上開靜壓孔的方法進行測量，測壓孔應滿足下列條件：a測壓孔應開在直線形管壁上；b軸線應在壁面垂直（作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱為靜壓力）；c直徑為0.5mm左右，最大不能超過1.5mm；d孔邊緣應整齊，光潔（無毛刺，無倒角，保持尖銳等）。特點：簡單，方便，對流體干擾小，具有較高精度。實際上，壁面孔必然對流過壁面的流體有些干擾，由此造成測量誤差，流體流經(jīng)孔口時，流線會向孔內(nèi)彎曲，并在孔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，從而引起靜壓測量的誤差，孔徑越大，流線彎曲越嚴重，因而誤差也越大，所以孔徑應小一點，但孔徑小會使制造困難，使用時也容易被灰塵堵塞，會引起測量反應遲緩，延長試驗時間。2流體中一點的靜壓力可用靜壓探針來測量，置于流體中，對流體干擾較大，為減小測量誤差，在滿足剛度要求前提下，希望它們幾何尺寸應盡量小。要求探針在插入流體內(nèi)時應與流線平行，且不改變測壓區(qū)的流線，對氣流方向變化盡量不敏感，靜壓孔的軸線應垂直于氣流方向。下面介紹幾種常用的靜壓探針：aL形靜壓探針用細管彎成“L”形制成，頭部呈半球形，測壓孔應開在什么地方呢？氣流流過靜壓管頭部獲得加速，靜壓降低；支桿對氣流有阻礙作用，流速降低，靜壓升高，在L型靜壓管頭部和支桿之間選擇適當?shù)奈恢迷O置靜壓孔，可以得到接近真實靜壓的測量值。根據(jù)繞流原理，測壓孔應開在距端部3倍管徑處的探針的側(cè)表面；測壓孔中心距支桿距離為8倍管徑?？梢?，該探針特點：感受部分的軸向尺寸較大，對流體的方向變化不靈敏角較小。適用于流道尺寸較大，且旋流不大的場合，如：壓縮機進、出口流體靜壓的測量。b圓柱形靜壓探針由一根圓柱形細管做成，根據(jù)繞流原理，測壓孔應開在管子背向流體流動方向的一面。在100°<α<270°范圍內(nèi)，測出靜壓ps保持不變；由于探針的軸線與流線垂直，因此對流場擾動較大，又：我們從繞流物體上壓力分布曲線可見，其表面上沒有穩(wěn)定的壓力系數(shù)為零的點，只有近似等于零的點。所以用該探針測出的靜壓值誤差較大。c碟形靜壓探針優(yōu)點：其所獲得的測量值與流體在x-y平面內(nèi)的方向角α無關，所以該探針所測的壓力值是各向同性的，也就是流體靜壓力；缺點：對流體在z軸上的方向變化角δ很敏感，要盡量保持碟盤與流線平面平行，所以對碟盤的加工精度要求很高，從而增加成本和加工難度。d導管式靜壓探針測壓孔開在一個導管上，相當于將流體中某一點靜壓測量變成流道壁面上流體靜壓測量。缺點：導管加工精度高，工藝復雜，探針體積較大，應用受到限制。e雙孔葉片形靜壓探針與碟形靜壓探針相似，與其不同之處在于它的兩個側(cè)面的中心各有一個測壓孔，每個測壓孔連接各自的壓力計（或壓力傳感器），當兩個儀表給出同樣的示值時，認定探頭在流體中定位良好。它的缺點：也是加工精度高，尺寸大，安裝要求嚴格f吉勒德－吉也納靜壓探針由一根頭部壓扁成二面角形的管子做成，二面角每個面上有一個測壓孔，原理近似于雙孔葉片形靜壓探針，與其相比好處是對流體方向角變化不敏感，因此測量較為準確可靠。滯止壓力的測量及總壓探針1總壓探針的原理總壓物理意義：在沒有外功作用下，流體速度等熵地減速為零時所產(chǎn)生的壓力。測量總壓時，只要在氣流中放入一根管子，其孔口軸線必須對準氣流方向，孔口必須無毛刺，表面光滑（減少摩擦損失），然后管子與壓力指示表連通。當氣流進入管孔后，被滯止下來，壓力指示器所指示的壓力即為管孔口局部處的總壓，但在實際應用中，由于通道及管道中氣流的運動情況很復雜，氣流方向往往不可能確切知道，而且隨著工況變化，氣流方向變化較大，即使知道氣流方向，要保證總壓管軸線對準氣流方向，對安裝的要求要提高，因此，實用上希望總壓管對氣流方向有一定不敏感性，也就是說，總壓管孔口軸線對氣流方向雖然偏離了一定角度，還能夠正確地感受到總壓。由繞流理論可知，流體中某一點的總壓等于流體中被繞流物體上臨界點的滯止壓力。2總壓探針類型aL形總壓探針形式與“靜壓探針”一樣，區(qū)別在于測壓孔的位置不同總壓探針測壓孔是開在探針的端部，正對流體流動方向上。它對于流向偏斜角的靈敏度主要由：探針端部的形狀，以及管子外徑d1/測壓孔徑d2決定。對于端部為半球形，d2/d1＝0.3的總壓探針，其α角不靈敏度在范圍內(nèi)。補充：選用總壓管，要根據(jù)氣流的速度范圍，流道的條件，和對氣流方向不敏感性，決定所用總壓管的結(jié)構(gòu)形式，應具有較小的尺寸，減小對流場干擾。b圓柱形總壓探針結(jié)構(gòu)示意圖見書page62圖3-11其測壓孔開在正對流向的側(cè)面上。它對流體偏斜不靈敏度角α隨增加而增加特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，體積小，便于安裝。c套管式總壓探針在套管內(nèi)腔有一個進口收斂器和流導管，使得套管內(nèi)流體的方向能保持不變。優(yōu)點：對流體偏斜角αδ的不靈敏度范圍增大缺點：加工精度高，尺寸較大，安裝，使用受到一定限制。壓力探針的測量誤差分析1探針對流場的擾動為減少它對氣流擾動，應將探針的尺寸做的足夠小。2測壓孔對測量值的影響測壓孔的不規(guī)則，孔的軸線與流線不垂直，孔徑過大等都會導致靜壓測量誤差原因：流體經(jīng)過測壓孔時，流線要發(fā)生彎曲，流線沉到孔里產(chǎn)生離心力場，并增加了孔的壓力，而使所測得的壓力超過流體的靜壓力。靜壓孔過小易堵塞，過大會增加由速度頭引起的誤差，一般為0.5～1mm。3Re對測量值的影響Re>30時可忽略。4速度梯度對測量值影響

第三節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力指示儀表這里主要介紹兩種壓力指示儀表液柱式壓力計利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡，并根據(jù)液柱高度來確定被測壓力大小的壓力計所用液體，常用的有：酒精、水、水銀（封液）常用的結(jié)構(gòu)形式：U型管壓力計單管壓力計和斜管微壓計誤差分析：1環(huán)境溫度變化影響2重力加速度變化修正3毛細現(xiàn)象造成誤差二.彈性式壓力計利用各種型式的彈性元件作為敏感元件來感受壓力，并且以彈性元件受壓變形后發(fā)生的反作用力與被測壓力相平衡的原理制成的。1彈簧管式壓力計主要由：彈簧管，齒輪傳動機構(gòu)，指針，刻度盤組成。彈簧管：又稱波登管，是一根一端固定的C形橢圓截面的空心管子，其自由端是封閉的，固定端焊在儀表的外殼上，并與管接頭相通。當將壓力通入彈簧管內(nèi)腔時，在壓力作用下它會發(fā)生變形，由于短軸要變長，長軸要變短些，管子截面趨于圓形，產(chǎn)生彈性變形，結(jié)果使波登管伸展，自由端產(chǎn)生位移，借助拉桿，帶動齒輪傳動機構(gòu)，使固定在齒輪上的指針旋轉(zhuǎn)。從而指示出被測壓力值。單圈彈簧管自由端的位移量不會太大，為了提高彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用盤旋形彈簧管或螺旋形彈簧管。使用彈簧管壓力計注意事項：a選用i儀表應工作在正常允許范圍內(nèi)，靜壓力下不應超過測量上限值的70％，波動壓力下，60％；ii工業(yè)用壓力表應在環(huán)溫為-40～60℃iii如測量有爆炸、腐蝕、有毒的氣體的壓力時，應使用特殊的儀表；b使用i在振動情況下，使用儀表時，要裝減震裝置；ii測量結(jié)晶或粘度較大的介質(zhì)時，要加裝隔離器；iii儀表必須定期校驗，合格的表才能使用；c安裝i儀表安裝處與測定點間的距離應盡量短，以免指示遲緩；ii儀表必須垂直安裝，防止泄漏；iii儀表的測定點與儀表安裝處應處于同一水平位置上，否則將產(chǎn)生附加高度誤差，必要時須加修正值。2膜片式壓力計利用金屬膜片作為感壓元件制成的。膜片：圓形薄片，四周固定；當膜片兩側(cè)面受到不同壓力時，膜片中部將產(chǎn)生變形，彎向壓力低的一面，使中心產(chǎn)生一定的位移，通過傳動機構(gòu)，使指針轉(zhuǎn)動。分為：平面膜片和波紋膜片，波紋膜片靈敏度較高用途：一般可用于測量腐蝕性介質(zhì)或粘性介質(zhì)的壓力。3膜盒式壓力計用兩個金屬膜片相對焊接而制成的與膜片相比，可增加中心位移量，提高靈敏度，其靈敏度是單個膜片的兩倍若想進一步提高靈敏度，可用多個膜盒串聯(lián)組合制成多膜盒式壓力計用途：常用于測量氣體的微壓和負壓測量范圍：4波紋管式壓力計用波紋管作為感壓元件工作原理：在壓力或軸向力的作用下，波紋管將伸長或縮短，由于它在軸向容易變形，所以通常以其軸向位移量作為其輸出量，當波紋管在用作壓力敏感元件時，將波紋管開口的一個端面焊接在固定的基座上，壓力由此傳至管內(nèi)，在壓力差作用下，壓力由開口處導入波紋管的內(nèi)腔，在波紋管內(nèi)外壓力差作用下，波紋管伸長或壓縮，管的自由端產(chǎn)生位移，通過傳動放大機構(gòu)，使指針在刻度盤上偏轉(zhuǎn)，它受壓時線性輸出范圍比受拉時大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。波紋管：一種表面上有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，分為單層和多層兩種。由于波紋管在軸向容易變形，靈敏度較高，在測量低壓時比彈簧管和膜片靈敏得多。缺點：遲滯誤差大5彈性壓力計誤差及改善途徑由于環(huán)境的影響，儀表的結(jié)構(gòu)，加工和彈性材料性能的不完善，會給壓力測量帶來各種誤差。1）相通壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產(chǎn)生遲滯誤差；2）彈性元件的變形落后于被測壓力變化，引起彈性后效誤差；3）儀表各種活動部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對應，引起間隙誤差；4）儀表活動部件運動時，相互間有摩擦力，產(chǎn)生摩擦誤差；5）環(huán)境溫度改變會引起金屬材料彈性模量變化，造成溫度誤差。主要途徑：1）采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料，和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件；2）采用新的轉(zhuǎn)換技術，減少或取消中間傳動機構(gòu)，以減少間隙誤差和摩擦誤差，如：電阻應變技術。

第四節(jié)動態(tài)壓力測量對于動態(tài)壓力測量，通常是用壓力傳感器，將其轉(zhuǎn)變成電信號來進行測量。常用壓力傳感器有：電阻式傳感器基本原理是利用電阻元件，把被測量（如：壓力）的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，通過測量電阻的變化來確定被測量值。分類根據(jù)電阻變化方式的不同，可分：壓阻式：改變導體的內(nèi)部接觸電阻；應變式：改變導體或半導體內(nèi)部應力；變阻式：改變導體的長度；熱敏電阻式：由于溫度變化引起電阻變化。如：應變式、壓電式，壓阻式等。電感式傳感器電容式傳感器下面主要介紹各種傳感器原理，結(jié)構(gòu)，及性能。應變式壓力傳感器應變效應原理：主要由彈性元件和應變片組成，通過粘結(jié)在彈性元件上的應變式的阻值變化來反映被測壓力值（“應變效應”）。由物理學有：全微分：兩邊除以R：由材料力學有：叫軸向應變，簡稱應變叫橫向應變二者關系：（μ為泊松系數(shù)）而對于電阻率ρ，它的變化是由壓阻效應引起的，和應力F之間的關系：（為壓阻系數(shù)）由材料力學虎克定律可知應力和應變之間的關系：（E為彈性模量）綜合上述幾式，則（1）式變成，令：則：（k稱為應變絲的靈敏度系數(shù)）對于金屬：k＝1~2；對于半導體：k＝60～170可見，半導體靈敏度較高，但由于它受溫度變化影響較大，性能不穩(wěn)定。所以一般還是采用金屬材料制作應變片。只要測量出應變片電阻值的相對變化，就可以直接知其應變量，進而求得被測壓力。結(jié)構(gòu)及其性能：應變片由應變敏感元件、基片（用來固定和保護應變敏感元件、傳遞應變、電氣絕緣等作用）和覆蓋層，引出線等三部分組成。核心元件（敏感元件），根據(jù)其不同型式，可為：絲式應變片，箔式應變片，半導體應變片。1絲式用于制作應變片金屬材料，有：康銅、鎳鉻合金，鐵鎳合金，鉑銥合金等；2箔式具有工作電流大，散熱好，壽命長，易成批生產(chǎn)；3半導體靈敏度系數(shù)比金屬大幾十倍，體積小，機械滯后小，熱穩(wěn)定性差，應變較大時非線性嚴重。應變片溫度誤差及其補償應變片的電阻變化受溫度影響很大，動態(tài)測量中，若不排除這種影響，勢必給測量帶來很大的誤差，應變片溫度誤差（熱輸出）。誤差產(chǎn)生原因：1敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化而變化（電阻溫度效應）；2應變片材料和試件材料的線膨脹系數(shù)不一樣，產(chǎn)生附加變形，造成電阻變化；誤差補償方法：1線路補償法a電橋補償法（最好的和最常用的方法）假設R1貼在試件或彈性元件上的工作應變片的電阻；R2為溫度補償應變片的電阻，貼在不承受應變，但處于R1相同的溫度場中的區(qū)域（補償件）由于溫度補償應變片與工作應變片的材料相同，電阻值相同，所以溫度變化時，工作應變片與溫度補償應變片的電阻變化量相同，即：。因此，當溫度變化時，對電橋輸出沒有影響，達到溫度補償目的。b不用補償件而將測試片和補償片貼于試件不同部位，這樣既可以提高靈敏度，又可以起到溫度補償作用，當試件變形時，測試片和補償片電阻將一增一減，電橋輸出電壓增加1倍，從而提高靈敏度。2溫度自補償為了解決線路補償法無法解決的困難，發(fā)展了一種自身具有溫度補償作用的應變片，稱為溫度自補償應變片。設電阻絲的溫度系數(shù)是α，環(huán)境溫度的變化值是Δt，則電阻絲的電阻變化量是；又設試件或彈性元件的線膨脹系數(shù)為β1，電阻絲的線膨脹系數(shù)為β2，當溫度變化Δt時，電阻絲電阻的變化值為由：當工作應變片的電阻溫度系數(shù)滿足：可使其溫度變化而產(chǎn)生電阻變化為零?？梢?，只要適當選擇應變片敏感柵材料，便可實現(xiàn)溫度自補償?shù)哪康?。我們就把這種應變片稱為溫度自補償應變片。測量電路由于電阻應變片把機械量變換成為電阻變化，但電阻變化值很小，難以用一般的電阻測量儀表檢測，通常將它轉(zhuǎn)換成電壓變化進行測量，常用測量電路：惠斯登電橋1電橋通常采用惠斯登電橋，它是測量應變片電阻變化的基本測量電路，是應變儀的重要組成部分。它把應變片微小的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化以供給放大器進行放大。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，準確性好。2放大器電橋輸出的信號非常微弱，一般在幾十微伏至幾毫伏之間，必須經(jīng)過放大器放大后才能進行指示或記錄。3振蕩器其功能是為電橋提供一定頻率的正弦波交流電，以作為供橋電源，同時，也為相敏檢波器提供參考電壓。4相敏檢波器和濾波器由于應變儀采用了交流供橋載波放大的工作形式，經(jīng)放大輸出后是一個經(jīng)過調(diào)制的調(diào)幅波，而不是被測應變信號的原型，因此必須進行解調(diào)。首先經(jīng)過相敏檢波器得到包絡線與信號波形規(guī)律一致，但仍含有載波頻等高頻成分的波形，然后再經(jīng)過低通濾波器去高頻成分，即得到信號波形的原型。壓電式壓力傳感器1工作原理：基于某些材料壓電效應，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷積聚，從而實現(xiàn)力-電荷轉(zhuǎn)換，是一種有源傳感器，具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等優(yōu)點，廣泛用于位移、加速度、力、壓力等動態(tài)參數(shù)測量。壓電效應：（順向）對于某些電極化晶體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫蚶Χ蛊渥冃螘r，其表面上會產(chǎn)生電荷，會引起該物質(zhì)內(nèi)部的正負電荷中心發(fā)生相對位移，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，電荷量大小與所施加壓力或拉力成正比。當除去外力后，又重新恢復到不帶電的狀態(tài)。能產(chǎn)生壓電效應的材料主要有兩大類：一類是：單晶體的壓電晶體，包括：石英，酒石酸鉀鈉等；另一類是：多晶體的壓電陶瓷，包括：鈦酸鋇，鈦酸鉛等；2結(jié)構(gòu)及性能結(jié)構(gòu)：由感壓彈性膜片、支持片、壓電晶體及引出線，絕緣套管等組成。被測壓力通過感壓膜片，支持片加到壓電晶體上，壓電晶體產(chǎn)生的電荷由壓在壓電晶體間的金屬箔導出。電介質(zhì)是否具有壓電效應，主要決定于它的分子結(jié)構(gòu)。如果沿機械軸Y軸方向施加壓力，此時在施加壓力的平面不會出現(xiàn)電荷，電荷卻仍然出現(xiàn)在垂直x軸的平面上，只是這時的電荷正負正好與直接沿x軸方向加壓的符號相反，沿z軸方向加壓不產(chǎn)生壓電效應。3壓電式壓力傳感器的測量電路壓電傳感器由于壓電材料本身的特性，因此它本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量很微弱，因此，使用壓電傳感器對它的負載電阻RL應有很大的數(shù)值。補：壓電式傳感器等效電路當壓電式傳感器表面積聚電荷時，相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，也可以等效于一個電壓源。只有外電路（負載RL）無窮大，內(nèi)部無漏電時，受力所產(chǎn)生的電壓U才能長期保存下來，所以在配壓電式壓力傳感器時，測量電路必須是一個高輸入阻抗的前置放大器（或通常是將導體傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，然后方可采用一般的放大、檢波、指示。壓電傳感器的前置放大器有兩個作用：1把壓電傳感器的輸出的微弱信號加以放大；2把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出；電荷放大器：輸出電壓與輸入電荷成正比。電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器是利用線圈的自感和互感的變化實現(xiàn)壓力測量的一種傳感器。以電磁感應原理為基礎，利用磁性材料和空氣的導磁率不同，把彈性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變化或互感