1、2020/5/19 1 工程测试技术基础工程测试技术基础 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 Welcome to My Class 主讲主讲: 邬文俊邬文俊 讲师讲师 -湖北工业大学精品课程湖北工业大学精品课程 科学引领工程，工程引入课堂科学引领工程，工程引入课堂 设计和制作：设计和制作：何涛教授及工程测试技术基础课程教学团队何涛教授及工程测试技术基础课程教学团队 2020/5/19 2 温度是物理现象中具有代表性的物理量温度是物理现象中具有代表性的物理量 是十大计量单位之一是十大计量单位之一 现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如 家用电器：
2、电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些 家用电器中都少不了温度传感器。家用电器中都少不了温度传感器。 概述概述 2020/5/19 3 红外人体探测器 现代楼宇自动化现代楼宇自动化(电源管理、安全监测、照明控电源管理、安全监测、照明控 制、空调控制、停车管理、水制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监废水管理和电梯监 控控)中温度是不可缺少的，中温度是不可缺少的， 概述概述 2020/5/19 4 现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，现代工业中温度测量和控制是不可缺少的， 概述概述 精确的烟草烘干精确的烟草烘干 木材烘干木材烘干 2020/5/19 5
3、 温度传感器的种类很多温度传感器的种类很多： 热膨胀温度传感器热膨胀温度传感器：有液体、气体的玻璃式温：有液体、气体的玻璃式温 度计、体温计，结构简单，应用广泛；度计、体温计，结构简单，应用广泛； 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器：家电、汽车上使用，价：家电、汽车上使用，价 格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；格便宜、用量大、成本低、性能差别不大； 金属电阻、热电偶、红外温度传感器金属电阻、热电偶、红外温度传感器：工业上常：工业上常 用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较用，性能价格差别比较大，精度高的通常价格比较 昂贵。昂贵。 集成温度传感器集成温度传感器，利用晶体管，利用晶
4、体管PN结电流、电压随结电流、电压随 温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价 廉，测量廉，测量150以下温度。以下温度。 概述概述 2020/5/19 6 第第9讲讲 温度传感器原理与应用温度传感器原理与应用 -热电偶热电偶Thermoelectric Couple Sensors 一、热电偶的工作原理；一、热电偶的工作原理； 二、热电偶测温实验二、热电偶测温实验 三、热电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律 四、热电偶的冷端补偿及补偿导线四、热电偶的冷端补偿及补偿导线 2020/5/19 7 YC-811 报警温度计报警温度计 分辨率分辨率:
5、 0.1C/0.1F K Type:镍铬-镍硅热电偶 可测温度范围-200C 1372C 可设定上下限蜂鸣报警 实验：测冰水温度、测沸水温度（观察准确度和响应时间） 2020/5/19 8 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A 自由端自由端 （冷端、（冷端、 参考端）参考端） 测量端测量端 （热端、（热端、 工作端）工作端） 热电极热电极B B 热电势热电势 A B nAnB 结点1 结点2 一、一、 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 2020/5/19 9 结论：结论： 热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端
6、热电势与热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与 冷端热电势之差，是两个结点的温差冷端热电势之差，是两个结点的温差t t 的函数：的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ） 热电势与热电势与两个结点的温差两个结点的温差t t 成函数关系成函数关系 2020/5/19 10 1、热电效应热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路闭合回路， 并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生并用酒精灯加热其中一个结点，发现放在回路中的指南针发生 偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加
7、热，指南针的偏转偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转 角反而减小。角反而减小。 显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路 中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。 将两种将两种不同材料不同材料的导体的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当串接成一个闭合回路，当 两个两个接点温度不同接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形时，在回路中就会产生热电势，形 成电流，此现象称为热电效应。成电流，此现象称为热电效应。 ！两端温度不同的导体会 产生电动势 ！两种不同的导体接在
8、一 起会产生电动势 ？能用来制作传感器吗 A B T T 0 2020/5/19 11 2、热电势的组成： 接触电势 当相互接触的两金属密度密度不同时产生接触电势。 温差电势 同一金属，若两端的温度温度不同则产生温差电势。 2020/5/19 12 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自 由电子的密度不同，在两金属由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会 发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大 的金属的金属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带失去电子带 正电，正
9、电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生接触电势。，从而产生接触电势。 自由自由 电子电子 A B EAB（ T T ） T T 接触电势的大小与温度有关接触电势的大小与温度有关 BT AT AB N N e kT TEln)( 式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT、NBT温度为T导体A、B的电子密度。 方向：从密度小指向方向：从密度小指向 密度大的密度大的 接触电势接触电势 2020/5/19 13 A B T T0 两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反。两个结点处分别有两个接触电势，且方向相反。 整个回路中总的接触电动势为：整个回路中总的接触电动势为： 0 0 lnl
10、n )()( 0 0 BT AT BT AT ABAB N N e kT N N e kT TETE 如果两个结点的温度相同，如果两个结点的温度相同，T=TT=T0 0，则总接触电动势为，则总接触电动势为0 0 图中：图中：N NA ANNB B，TTTT0 0 以顺时针为正以顺时针为正 EAB(T)(T) EAB(T(T0 0) ) 2020/5/19 14 同一导体的两端温度不同时同一导体的两端温度不同时, , 高温端的电子能量要比低温端的电高温端的电子能量要比低温端的电 子能量大子能量大, , 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高
11、温端的要多温端的要多, , 结果高温端因失去电子而带正电结果高温端因失去电子而带正电, , 低温端因获得多低温端因获得多 余的电子而带负电余的电子而带负电, , 因此因此, , 在导体两端便形成在导体两端便形成温差电势温差电势。 自由自由 电子电子 T T0 接触电势的大小与密度有关接触电势的大小与密度有关 式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT温度为T导体A的电子密度。 dt dt tNd Ne K TTE AT T T AT A )(1 ),( 0 0 A EA(T,T(T,T0 0) ) 方向：从低温指向高温方向：从低温指向高温 温差电势温差电势 2020/5/19 15 A
12、 B T T0 整个回路中总的整个回路中总的温差电动势温差电动势为：为： ),(),( 00 TTETTE AB 如果如果ABAB两金属的密度相同，则总温差电动势为两金属的密度相同，则总温差电动势为0 0 以顺时针为正以顺时针为正 EB(T,T(T,T0 0) ) EA(T,T(T,T0 0) ) dt dt tNd Ne K d dt tNd Ne K TTETTE AT T T AT BT T T BT AB )(1)(1 ),(),( 00 00 2020/5/19 16 接触电势 当相互接触的两金属的密度密度不同时产生接触电 势，其大小与结点的温度温度相关。 温差电势 同一金属，若两端
13、的温度温度不同则产生温差电势， 其大小其密度密度相关。 结论：结论： 2020/5/19 17 回路中回路中总热电动势总热电动势为：为： EAB(T, T0)=EB(T, T0)+ EAB(T)- EAB(T0)-EA(T, T0) 以顺时针为正以顺时针为正 蓝色的为接触电势蓝色的为接触电势 绿色的为温差电势绿色的为温差电势 A B T T0 EB(T,T(T,T0 0) ) EA(T,T(T,T0 0) ) 如果如果A、B密度相同（均质导体），则不存在接触电动势，两密度相同（均质导体），则不存在接触电动势，两 导体内温差电动势，大小相等，方向相反，总热电势为导体内温差电动势，大小相等，方向相
14、反，总热电势为0。即。即 为均质导体定律为均质导体定律 如果两结点温度相同（如果两结点温度相同（T=T0），则不存在温差电动势，两结），则不存在温差电动势，两结 点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为点处接触电动势，大小相等，方向相反，总热电势为0. EAB(T)(T) EAB(T(T0 0) ) 由一种均质导体组成的闭合回路中由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截不论导体的截 面和长度如何以及各处的温度分布如何面和长度如何以及各处的温度分布如何, 都不能产都不能产 生热电势生热电势。 2020/5/19 18 热电势=接触电势+温差电势 EAB(T, T0)=EAB(T)-
15、EAB(T0) +EB(T, T0) - EA(T, T0) 结论： 当nA=nB， 不存在接触电势EAB E总 总= EB(T, T0)- EA(T, T0)=0 当T=T0， 不存在温差电势EA、EB E总 总= EAB(T)- EAB(T0) =0 2020/5/19 19 （1）在总热电势中）在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多温差电势比接触电势小很多, 可可 忽略不计忽略不计, 热电偶的热电势可表示为：热电偶的热电势可表示为： EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) （2）对于已选定的热电偶）对于已选定的热电偶, 当参考端温度当参考端温度T0恒定时恒定时, EAB (
16、T0)=C为常数为常数, 则则总的热电势就只与温度总的热电势就只与温度T成单成单 值函数关系值函数关系, 即即 EAB(T, T0)= EAB(T)-C =f(T) 3、热电势热电势与被测温度的关系：与被测温度的关系： （3）实际应用中）实际应用中, 热电势与温度之间关系是通过热电热电势与温度之间关系是通过热电 偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值 对应关系。对应关系。 2020/5/19 20 K热电偶的热电偶的 分度表分度表 热电偶的冷端热电偶的
17、冷端 温度为温度为0 0 C C，查，查 表得出被测温表得出被测温 度？度？ 如何利用分度表如何利用分度表 来确定温度？来确定温度？ 3种环境下（种环境下（K型热型热 电偶）热端的热电电偶）热端的热电 势分别为势分别为0、为、为4、 为为-3.5。 2020/5/19 21 4 4、几种常用热电偶、几种常用热电偶 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C 热电势热电势/ mV B 铂铑铂铑30 30铂铑 铂铑6 6 501820 C C 4.8344.834 R 铂铑铂铑13 13铂 铂 -501768 C C 10.50610.506 S 铂铑铂铑10 10铂 铂 -5
18、01768 C C 9.5879.587 K 镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) -2001372 C C 41.27641.276 E 镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜) 270800 C C ? 2020/5/19 22 几种常用热电偶的热电势与温度的关系几种常用热电偶的热电势与温度的关系 曲线分析曲线分析 哪几种热电偶的哪几种热电偶的 测温上限较高？测温上限较高？ 结论：结论： 哪几种热电偶的哪几种热电偶的 线性较差？线性较差？ 哪一种热电偶的哪一种热电偶的 灵敏度较高？灵敏度较高？ 哪一种热电偶的哪一种热电偶的 灵敏度较低？灵敏度较低？ 为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原
19、点（零度点）？ 2020/5/19 23 二、热电偶测温实验二、热电偶测温实验 测出变色涂料的变色温度 超温报警实验 CPU散热风扇散热风扇 低温时显示蓝色低温时显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色 2020/5/19 24 问题： 1、测量时，热端在哪？冷端在哪？热电势 是用什么检测仪表测量的？测量仪表的导 线与热电阻的导体不同，是不是会对测量 结果产生影响？ 2、冷端怎么保持0度？若是不为0度怎么办？ 2020/5/19 25 1)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要 其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电
20、其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电 偶回路的总热电动势。偶回路的总热电动势。 T T0 V 同时也解决了测量头热端远离冷端的问题，中间可 用其他导线连接。 三、热电偶测温基本定律三、热电偶测温基本定律 2020/5/19 26 2) 2) 中间温度定律中间温度定律 热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为T T、T T0 0时的热电势时的热电势E EAB AB(T, T (T, T0 0） 等于热电偶等于热电偶ABAB在接点温度在接点温度T T、T Tc c和和T Tc c、T T0 0时的热电势的时的热电势的 代数和：代数和： EAB(T, T0）= EAB(T, Tc）+ E
21、AB(Tc, T0） A B T T0 = A B T TC + A B T c T0 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。 在实在实 际热电偶测温回路中际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质,可对参可对参 考端温度不为考端温度不为0的热电势进行修正。的热电势进行修正。 2020/5/19 27 热电偶基本定律解决了两个问题：热电偶基本定律解决了两个问题： 1、实际测量时冷端和热端相隔很远实际测量时冷端和热端相隔很远（中间导体定律中间导体定律） 热电偶补偿导线热电偶补偿导线 2、实际测量时冷端温度不为实际测量时冷端温度不为0度度（中
22、间温度定律中间温度定律 ） 冷端补偿冷端补偿 四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿四、热电偶补偿导线及冷端温度补偿 2020/5/19 28 在实际测温时在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现 场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样参考端温这样参考端温 度度t0也比较稳定也比较稳定。热电偶一般做得较短热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶需要用导线将热电偶 的冷端延伸出来的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线工程中采用一种补偿导线, 它通常由两种它通常由两种 不同性质的廉价金属导线制成不同性质的廉价
23、金属导线制成, 而且在而且在0100温度范围内温度范围内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 热电偶补偿导线热电偶补偿导线 2020/5/19 29 (1)参考端温度修正法参考端温度修正法：参考端温度不等于0, 则需要对 热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。 经修正 后的实际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值。 EAB(T, 0）= EAB(T, T0）+ EAB(T0, 0） (2)参考端参考端0恒温法恒温法： 在实验室及精密测量中, 通常把参 考端放入装满冰水混合物的容器中, 以便参考端温度保持0. (3
24、)参考端温度自动补偿法参考端温度自动补偿法（补偿电桥法补偿电桥法）： 补偿电桥 法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自 动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引 起热电势的变化值。 冷端补偿方法冷端补偿方法 2020/5/19 30 如图所示, 不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜 丝绕制的电阻r1、 r2 、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的 电阻RCu 和稳压电源组成。 补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度, 但由于RCu 的阻值随环境温度变化而变化, 如果适当选择桥臂电阻和桥 路电流, 就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端 温度变化引起的热电势EAB(t, t0)变化量, 从而达到自动补偿的 目的。 2020/5/19 31 普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形 安装安装 螺纹螺纹 安装安装 法兰法兰 2020/5/19 32 课外实验 实时监测电脑CPU的运行温度，并设置超温 报警。
