新型传感器及校准技术

温度、热通量及位移测量及其标定方法姓名：学号：传热学基础传热学基础热传递的基本方式热传导热对流热辐射热传导定义：物体各部分之间不依赖于相对位移，依靠分子、原子及自由电子等微尺度粒子的热运动而产生的热量传递称为导热，又称热传导。注意：当固体或液体静止时，也可使用傅立叶定律。例如：隔热玻璃。公式：dxdtA-dxdtAq或对流换热定义：由于流体(液体或气体)分子的随机运动与流体成团运动双重作用形成的能量传递为对流换热。est-thA公式：可以笼统的认为有液体或气体参加的传热为对流传热。esqtth热辐射定义：热辐射是处于一定温度下的物质所发射的能量。4ET斯蒂芬-玻尔兹曼定律：•引起热辐射的原因是构成物质的原子或分子中电子的振荡和跃迁。•导热或者对流在传递时都需要物质媒介，而热辐射不需要。•所有物体时刻都在向外界发射辐射能量，同时也从外界吸收辐射能量。40ET温度测试温度计分类温度计接触式非接触式热电偶式热电阻式热膨胀式辐射法比色法红外法接触式测量热电阻温度计2热电偶温度计1热电偶的测试方法测温原理：热电效应（贝塞克原理）热电势：热电效应产生的电动势。BTATABnneTlnkE•接触电势：因两个接触材料的电子密度不同而产生的电势。表达式：•温差电势：因同种材料两端温度不同而产生的电势。表达式：TE00,AdTTATT回路电势：TTBAABABdTTETETT0)()(),(E00热电偶回路的性质1）均质导体定律将一种均质导体组成闭合回路，无论导体内是否存在温度梯度，回路中都没有电流(即不产生电动势);反之，如果有电流则此材料一定是非均质的。2）中间导体定律3）中间温度定律：2121,,CEETTABTTAB322131,,B,EEETTABTTATTAB热电偶温度计热电偶的优点：1）信号易于传输和变换。2）测量范围宽。3）测温上限高测量范围：主要用于500—1500℃的温度测量。热电阻温度计RRR0t热敏电阻金属丝电阻热电阻温度计原理：金属导体电阻随温度的增加而增加。表达式：原理：金属氧化物的阻值与温度成反比。表达式：011B0eRRTT)1(0tRRt500℃以下的中低温测量热敏电阻的优点热敏电阻与金属电阻相比有一下优点：（1）由于有较大的电阻温度系数，灵敏度高。（2）体积小、热惯性小、响应速度快，可达毫秒级。（3）电阻值高，远距离测量时，电阻值可忽略不计。（4）在-50℃—350℃范围内，具有较好的稳定性。非接触式测量辐射高温计1红外辐射测温仪3比色高温计2辐射高温计4pET4p4TT411TpT原理：斯蒂芬-玻尔兹曼定律。公式：注意：辐射计是以黑体的辐射能力与温度的关系进行刻度的。由于黑体与灰体之间存在关系：故：比色高温计原理：当温度升高时，黑体的最大辐射能向波长减小的方向移动，因此不同波长所对应的亮度比也会发生变化，故根据亮度比就可得到黑体的温度。公式：)ln(5ln11T120012221BBCs122s11)ln(T1-T121c红外辐射测温仪红外测温仪的基本工作原理与前面介绍的辐射高温计相同，不同之处在于它有一个红外探测器。红外探测器把红外辐射能的变化转化为电量的变化。热辐射测温总结辐射式温度计利用受热物体的辐射能大小与温度的关系确定被测物体的温度。其中辐射高温计可测试全波长的温度，比色高温计主要测试可见光，而红外辐射测温仪主要针对红外线。优点：具有很高的温度上限，输入信号大，灵敏度高。缺点：结构复杂，测量准确度不如接触式温度计高。热通量测试温度与热通量的关系定义：热通量即热流密度，是指单位时间内通过单位面积传递的热量。关系：热流密度的测量必须依赖于温度测量，但是温度不能完全反应热流密度。热流测试仪器热流测试仪器接触式非接触式能量平衡原理半无限大体假设温度梯度原理热图测量基于能量平衡原理的热流测量技术水卡量热计1塞块式量热计3薄壁量热计24理论基础能量平衡原理理论基础：1）能量守恒定律2）1QTTmCptTmCAp1q其中：Q-热量、-比热容、m-质量、T-温度、q-热流密度、A-面积、t-时间pC水卡量热计原理：高温气体传递给量热计的热量，转化为水内能的增加，造成了水卡量热计中水温的上升，测温上限通常低于100℃。假设：热量全部传递给水卡中的水，而没有其他影响，即可以忽略金属壁的内部热阻和内能变化的影响。公式：ATTCp/)(mq10水卡量热计薄壁量热计原理：高温气体传递给热流计的能量转变为薄壁温度的温升。假设：1）忽略薄壁内热阻。2）除了薄壁，其他壁面绝热。3）薄壁内为一维导热。dtdTCpq公式：其中：-密度、-壁厚。塞块式量热计原理与薄壁式热流计相同注意：水卡量热计的响应时间较长，一般用于稳态热流测量。薄壁式和塞块式和响应时间较快，可用于瞬态测量。但测量时间不易过长。基于半无限大体的热流测试技术薄膜热流计1零点热流计3同轴热电偶热流计24理论基础理论基础假设：1）除了x方向其他方向无限延伸。2）固体内部发生瞬态一维导热。数学模型：初始条件：边界条件：22TxTCktp0)0,(,0txTxTktq),0(,0x0),(T,xtxdtTtTttTkCtqtp02/321),0(测试条件：①测量时间足够短，认为温度扰动的扩散深度小于传感器(模型)的厚度;②模型侧向的温度梯度足够小，认为侧向传热可以忽略。薄膜热流计特点：薄膜热流传感器利用金属电阻随温度变化的特性测量温度，具有灵敏度高(毫伏量级/摄氏度)、响应时间快(微秒量级)、制作灵活的特点dtTtTttTkCtqtp02/321),0(公式：同轴热电偶热流计同轴热电偶耐冲刷能力比薄膜热流传感器强，但由于热电偶的灵敏度低，在测量低热流时误差较大，因此只适于热流较大的情况。公式：dtTtTttTkCtqtp02/321),0(零点热流计在半无限大体背部沉孔的轴线上存在某个位置，在相同的热流输人情况下，该处的温度响应曲线与无物理干扰(孔)情况下的半无限大体表面温升曲线相同，将这个点称为“零点”。基于半无限大体的热流测试技术由于这薄膜和同轴热电偶热流传感器的测温元件都位于模型表面，直接暴露在气流中，为了避免传感器损坏，测量时间必须很短(毫秒级)，因此一般用于脉冲式设备的热流测量。零点量热计是利用“零点”原理制成的一种特殊结构的量热计，利用结构内部某一点(“零点”)的温度响应来反映感应面的温度变化。由于零点量热计不直接测量感应表面的温度，适合于试验时间较长、温度高、冲刷严重的瞬态测量环境。基于温度梯度的热流测试技术热阻式热流计1柱塞式热流计3戈登计24理论基础理论基础假设：1）热流密度q不变。2）固体内部发生瞬态一维导热。数学模型：边界条件：22TxTCktpxTktq),0(,0x2T),(T,xtxb220dxtddxdtA-Q热阻式热流计原理：傅立叶定律公式：21qTT由于热阻层需要时间达到热稳定状态，这一时间限制了热流变化频率，且频率闽值随着热阻层的厚度增加而降低，然而减小热阻层又将导致信噪比降低。热阻式热流计热电堆的输出电压是多个热电偶的输出电压之和。公式：nEnE戈登计原理：傅里叶定律公式：24RTkdqKqE薄壁式热流计与戈登计的异同柱塞式热流计原理：1）能量守恒2）傅立叶定律公式：其中：21qqqZtzT,q1LpZtZTC02,tq基于热图技术的热流测试技术常用仪器2理论基础1理论基础假设：1）除了x方向其他方向无限延伸。2）固体内部发生瞬态一维导热。数学模型：初始条件：边界条件：22TxTCktpixTT)0,(,0txTkTTwaw)(h,0xiT),(T,xtxerfcTTTTiawiw)exp(12)(hF)(wawTThq常用仪器红外热图流量计：根据不同温度下热辐射在红外热图中引起的颜色和亮度的不同来进行热流测量的流量计。涂层热图流量计：把某些温敏材料涂抹在试件表面，随着温度的变化温敏材料的颜色或温度也随之发生变化，以此可以得到试件表面的热流变化。常用仪器温度、热流传感器的标定热流传感器标定目的:1）通过标定，确定各种热流传感器的响应特性、转换系数等，为提高测量的准确性与可靠性提供技术基础。2）通过标定，实现热流测量向已有测量标准(如辐射测量标准、温度测量标准等)的溯源，为热流测量的标准化提供基础。分类：1）直接标定2）比较标定。直接标定法直接标定法是在严格控制的加热环境中，利用光学理论计算或通过热电校准方法获得传感器感应表面的温度或热流，从而完成对热流传感器的标定。目前广泛应用的直接标定法是黑体辐射法比较法标定定义：比较标定法是在直接标定法的基础上，通过将已标定的标准传感器、待标定传感器分别置于同一热环境中，将两者的测量结果进行对比，从而完成标定。两个关键环节：1）要通过直接标定法标定出准确可靠的标准热流传感器。2）要使标准热流传感器和待标定传感器处于完全相同的加热环境中，这需要加热环境具有很好的稳定性。比较法标定逐级标定：注意：量程重叠范围要尽量大，外推范围尽量小比较法标定中低温：高温：位移传感器及其标定动态位移测量动态位移测量电气式位移测量法光电式位移测量法机械式位移测量法电气式位移测量法电感式位移测量系统：当衔铁移动时，空气间隙x发生变化，进而引起磁路中气隙磁阻变化，从而引起线圈电感的变化。公式：测量范围：0.001—1mmA1L1线圈铁芯衔铁L2A2变磁阻式传感器结构W22L102222111102AuWAulAulAuWL＋－oL0L0＋LL0－L差动变隙式传感器差动变隙式传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁231000002320000011LLLL00402000212LLLL电感式位移传感器标定差动变隙传感器抗干扰能力强，精度高，这也使其标定难度较大电涡流式位移测量系统原理：当线圈通以交流电I1时，其产生的交变磁场H1会在被测导体2中产生电涡流I2，而I2又产生一交变磁场H2来阻碍H1的变化，从而使线圈的等效电感L发生变化。当被测导体的电阻率、磁导率都确定，只有x发生变化时，通过分析提取等效电感与测量位移间的关系，就可以建立电涡流位移传感器。优点：非接触测量、灵敏度高、频响特性好、不受油污影响。电涡流式位移测量系统ZFIu公式：将等效电路阻抗的变化转化为电压的变化。电涡流传感器标定光电式位移测量法敏感原件：光电位置敏感器件（PSD）原理：当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为Xa时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出，大小与两级间的等效电阻成反比。LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122光电式位移测量法一维公式：二维公式：LIIIIx121212123x4x3x4xyyyyIIIIyIIIIxPSD位移传感器标定交叉滚柱平移台采用微分头手动驱动，精度达３μｍ。使用精度为0.25μｍ的位移