传感器原理与应用习题_第7章热电式传感器

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第7章热电式传感器7-1热电式传感器有哪几类？它们各有什么特点？答：热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它可分为两大类：热电阻传感器和热电偶传感器。热电阻传感器的特点：（1)高温度系数、高电阻率。(2)化学、物理性能稳定。(3)良好的输出特性。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。热电偶传感器的特点：（1）结构简单（2）制造方便（3）测温范围宽（4）热惯性小（5）准确度高（6）输出信号便于远传7-2常用的热电阻有哪几种？适用范围如何？答：铂、铜为应用最广的热电阻材料。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作。7-3热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点？用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题？7-4利用热电偶测温必须具备哪两个条件？答：（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同7-5什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？答：中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB(T,T0)与连接导线电势EA’B’(Tn,T0)的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。7-6什么是中间温度定律和参考电极定律？它们各有什么实际意义？答：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,T0)的代数和。Tn为中间温度。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础。7-7镍络-镍硅热电偶测得介质温度800℃，若参考端温度为25℃，问介质的实际温度为多少？答：t=介质温度+k*参考温度（800+1*25=825）7-8热电式传感器除了用来测量温度外，是否还能用来测量其他量？举例说明之。7-9实验室备有铂铑-铂热电偶、铂电阻器和半导体热敏电阻器，今欲测量某设备外壳的温度。已知其温度约为300~400℃，要求精度达±2℃，问应选用哪一种？为什么？*7-10在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图7-10所示。试说明测量钢水温度的基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？要满足哪些条件才不影响测量精度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，因为，塑料不导电，不能形成热电势。*7-11用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度0t为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电势为29.186mV，求被测点温度？答：查K分度表，热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为：1.6118mV;由公式：)0,40()40,()0,(UtUtU=29.186+1.6118mV=30.798mV;查K分度表得被测点温度值为：740℃。*7-12使用k型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？答：由公式)0,30()30,900()0,900(UUU，得：)0,30()0,900()30,900(UUU当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为:37.326-1.203=36.123mV。7-13热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？7-14PN结为什么可以用来作为温敏元件？7-15集成温度传感器的测温原理，有何特点？7-16如果需要测量1000℃和20℃温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？7-17采用一只温度传感器能否实现绝对温度、摄氏温度、华氏温度的测量？怎样做？7-18热电阻传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？答：热电阻传感器分为以下几种类型：①铂电阻传感器：特点是精度高、稳定性好、性能可靠。主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递，是目前测温复现性最好的一种。②铜电阻传感器：价钱较铂金属便宜。在测温范围比较小的情况下，有很好的稳定性。温度系数比较大，电阻值与温度之间接近线性关系。材料容易提纯，价格便宜。不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。图7—10用浸入式热电偶测量熔融金属示意图1—钢水包；2—钢熔融体；3—热电极A、B4、7—补偿导线接线柱5—补偿导线6—保护管8—毫伏表9、10—毫伏表接线柱③铁电阻和镍电阻：铁和镍两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小、灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。目前应用不多。7-19什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。答：①热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电势。有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。②接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势。它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。③温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。④热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的热电效应。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。⑤热电偶三定律：a中间导体定律：热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。在用热电偶测温时，连接导线及显示一起等均可看成中间导体。b中间温度定律：任何两种均匀材料组成的热电偶，热端为T，冷端为T时的热电势等于该热电偶热端为T冷端为Tn时的热电势与同一热电偶热端为Tn，冷端为T0时热电势的代数和。应用：对热电偶冷端不为0度时，可用中间温度定律加以修正。热电偶的长度不够时，可根据中间温度定律选用适当的补偿线路。c参考电极定律：如果A、B两种导体（热电极）分别与第三种导体C（参考电极）组成的热电偶在结点温度为（T，T0）时分别为EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么受相同温度下，又A、B两热电极配对后的热电势为EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0）实用价值：可大大简化热电偶的选配工作。在实际工作中，只要获得有关热电极与标准铂电极配对的热电势，那么由这两种热电极配对组成热电偶的热电势便可由上式求得，而不需逐个进行测定。⑥误差因素：参考端温度受周围环境的影响减小误差的措施有：a0oC恒温法b计算修正法（冷端温度修正法）c仪表机械零点调整法d热电偶补偿法e电桥补偿法f冷端延长线法。7-20试述热电偶测温的基本原理和基本定理。答：热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的热电效应。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。基本定理见第7题。7-21试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。答：电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温度。热电偶温度计是根据热电效应原理设计而成的。前者将温度转换为电阻值的大小，后者将温度转换为电势大小。相同点：都是测温传感器，精度及性能都与传感器材料特性有关。7-22试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并说明其用途。答：伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I与其上电压降U之间的关系。当电流很小时不足以引起自身发热，阻值保持恒定，电压降与电流间符合欧姆定律。当电流IIs时，随着电流增加，功耗增大，产生自热，阻值随电流增加而减小，电压降增加速度逐渐减慢，因而出现非线性的正阻区ab。电流增大到Is时，电压降达到最大值Um。此后，电流继续增大时，自热更为强烈，由于热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度，于是就出现负阻区bc段。研究伏安特性，有助于正确选择热敏电阻的工作状态。对于测温、控温和温度补偿，应工作于伏安特性的线性区，这样就可以忽略自热的影响，使电阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗散原理工作的场合，例如测量风速、流量、真空等，则应工作于伏安特性的负阻区。7-23有一串联的热敏电阻测温电路，如图所示。试设计其最佳线性工作特性，并计算其线性度，最后，用坐标纸每5℃一点绘出电路图中u=f(t)的曲线。7-24铂线电阻在20℃时为10Ω。求500C时的电阻。答：R=R0（1+αt）中，t=20℃，R=10Ω，α=30*10-4/℃。因此，10=R0（1+30*10-4*20），R=R0（1+30*10-4*50）得R≈10.8Ω。17-25下图1所示的铂测温电阻元件，当温度由0℃上升到100℃时，电阻变化率ΔR/R0为多少?下图2所示的热敏电阻（R0=28kΩ），其ΔR/R0为多少?图1图2答：由图1可读取t=100℃时的R/R0≈1.4。因此，R=1.4R0，又有ΔR=R-R0=1.4R0-R0=0.4R0。因此，ΔR/R=0.4。图2的热敏电阻中t=100℃时的R≈103Ω。又ΔR=R-R0=-27kΩ。因此，ΔR/R0=-27/28≈-0.96。7-26上图1所示的铂测温电阻元件，在0～200℃范围内的电阻温度系数为多少？答：由图1，t=200℃处的R/R0≈1.8，电阻温度系数α（曲线的倾斜率）=（1.8-1）/200=0.4%/℃。7-27要测1000℃左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500℃左右的高温呢？答：若是1000℃铬镍-铝镍，铂、铑-铂，1500℃时，铂、铑30%-铂。7-28使用k型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？答：现t2=900℃，t1=30℃，基准接点温度为30℃，测温接点温度为900℃时的温差电动势设为E，则37.326=1.203+E，所以E=36.123mV。7-290℃时铂金热电阻的阻值为100Ω。按下图所示进行温度测量。R1=100Ω,R2=200Ω,R3=300Ω时桥路达到平衡。此时温度为多少？假设铂金电阻的温度系数为0.003851℃-1，电阻与温度成线性关系，另外导线的电阻可忽略不计。答：电桥平衡的条件为R1*R2=R1*R3，所以另一方面，t(℃)时的电阻阻值表示式为Rt=100（1+0.003851*t）Rt=150所以t=129.8℃7-300℃时的电阻为100Ω的铂金热电阻。300℃时的阻值按下面两种方法计算，其结果之差换算成温度差是多少？电阻用温度的一次方程表示，RT=R0（1+At+Bt2）式中B=0，A=0.003851℃-1。（此时100℃时的电阻值为138.51Ω