传感器与自动检测技术习题解答

传感器与自动检测技术习题解答内容摘要：

容器中的气体或液体受热后体积膨胀，压力随 温度变化而变化的原理测温的。 特点： 主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度测量，也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量。 3. 电阻式温度传感器的工作原理是什么。 有几种类型。 答： 电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度 的，即材料的电阻率随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。 类型 ： 按制造材料来分，一般把由金属导体铂、铜、镍等制成的测温元件称为金属热电阻，简称热电阻传感器；把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻。 4. 金属热电阻温度传感器常用的材料有哪几种。 各有 何特点。 热电阻传感器的测量电路有哪些。 说明每种测量电路的特点。 答： 金属热电阻温度传感器常用的材料有 铂和铜。 特点 ：铂 金属热电阻 ： 铂易于提纯、复制性好，在氧化性介质中，甚至高温下，其物理化学性 质极其稳定，主要用于高精度温度测量和标准测温装置，测温范围为 200～ 850℃。 铜 金属热电阻 ： 铜易于提纯，价格低廉，电阻 温度特性线性较好。 但电阻率仅为铂的几分之一。 因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于 100℃以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。 因此，只能用于低温及无腐蚀性 的介质中。 热电阻传感器的测量电路常用电桥电路。 外界引线如果较长时，引线电阻的变化会使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用三线制电桥连接法测量电路或四线制恒流源测量电路。 特点 ： 三线制电桥连接法测量电路 ， 导线电阻 r 对测量毫无影响。 四线制恒流源测量电路 ， 四根导线的电阻 r 对测量都没影响。 但要因为电流流过导体时导体存在发热现象，所以供电电流不宜过大，一般在 以下。 精确测量时，通电电流为。 5. 热电偶温度传感器的工作原理是什么。 热电势的组成有几种。 说明热电势产生的过程，并写出热电偶回路中总热电势 的表达式。 13 答： 热电偶温度传感器的工作原理是热电效应。 即 两种不同材料的导体 A 和 B 组成一个闭和回路，若两接点的温度不同，则在该回路中将会产生电动势，两个接点的温差越大，所产生的电动势也越大。 组成回路的导体材料不同，所产生的电动势也不一样 ， 这种现象称为热电效应。 热电势的组成 ： 由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。 热电势产生的过程 ： （ 1）两种导体的接触电势 接触电势是由于两种不同导体的自由电子浓度不同而在接触面形成的电势。 假设两种金属 A、 B的自由电子浓度分别为 NA 和 NB，且 NA＞ NB。 当两种金 属相接时，将产生自由电子的扩散现象。 在同一瞬间，由 A 扩散到 B 中去的电子比由 B 扩散到 A 中去的多，从而使金属 A 失去电子带正电；金属 B 得到电子带负电，在接触面形成电场。 此电场阻止电子进一步扩散，当达到动态平衡时，在接触面的两侧就形成了稳定的电位差，即接触电势 E，如图 322 所示。 接触电势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。 温度越高，接触电势也越大。 接触电势的方向由两导体材料决定。 （ 2） 单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为 t、 t0，如图 323 所示，则导体中的自由 电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散；高温端因失去电子带正电，低温端获得电子带负电，即在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。 由图 324 可知，热电偶回路中产生的总热电势为 0 0 0 0( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )A B A B B A B AE t t e t e t t e t e t t    （ 35） 图 324 热电偶回路总热电势 NA＞ NB 图 322 两种导体的接触电势 图 323 单一导体 的温差电动势 14 式中 , 0(, )ABE tt 为热电偶电路的总热电势； ()ABet为热端接触电势； 0(, )Be tt 为 B 导体的温差电势； 0()ABet为冷端接触电势； 0(, )Ae tt 为 A 导体的温差电势。 在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为 （ 36） 6. 热电偶的基本定律有哪些。 其含义是什么。 每种定律的意义何在。 并证明每种定律。 答： 热 电偶的基本定律有 : 中间导体定律、中间温度定律、参考电极定律。 含义 ： 中间导体定律 在热电偶电路中接入第三种导体，只要保持该导体两接入点的温度相等，回路中总的热电势不变，即第三种导体的引入对热电偶回路的总热电势没有影响。 中间导体定律的意义： 根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电势通过导线接至测量仪表进行测量 ,且不影响测量精度。 可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。 中间温度定律 含义 ： 在热电偶测量电路中，测量端温度为 t，自由端为 t0，中间温 度为 t′，则 E（ t、 t0）的热电势等于 E（ t、 t′）与 E（ t′、 t0）热电势代数和。 即 中间温度定律的意义： 利用该定律，可对参考端温度不为 0℃的热电势进行修正。 另外，可以选用廉价的热电偶 A′、 B′代替 t′到 t0 段的热电偶 A、 B，只要在 t′、 t0 温度范围内 A′、 B′与 A、 B 热电偶具有相近的热电势特性，便可将热电偶冷端延长到温度恒定的地方再进行测量，使测量距离加长，还可以降低测量成本，而且不受原热电偶自由端温度 t′的影响。 这就是在实际测量中，对冷端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶自由端温 度变化影响的道理。 参考电极定律 含义 ： 已知热电极 A,B 与参考电极 C 组成的热电偶在接点温度为（ t， t0）时的热电势分别为 、 ，则相同温度下，由 A， B两种热电极配对后的热电势 可按 下 式计算为： 参考电极定律的意义：参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势 ，那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定理计算，而不需要逐个进行测定。 由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。 7. 热电偶的性质有哪些。 答： （ 1）当两热电极材料相同时，不论接点温度相同与否，回路总热电势均为零。 （ 2）当热电偶两个接点温度相同时，不论电极材料相同与否，回路总热电势均为零。 （ 3）只有当电极材料不同，两接点温度不同时，热电偶回路才有热电势。 当电极材料选定后，两00( , ) ( ) ( )A B A B A BE t t e t e t00( , ) ( , ) ( , )A B A B A BE t t E t t E t t0 0 0( , ) ( , ) ( , )A B A C B CE t t E t t E t t0( , )ACE t t 0( , )BCE t t 0(, )ABE tt 15 接点的温差越大，热电势也就越大。 （ 4）回路中热电势的方向取决于热端的接触电势方向或回路电流流 过冷端的方向。 8. 为什么要对热电偶进行冷端温度补偿。 常用的补偿方法有几种。 补偿导线的作用是什么。 连接补偿导线要注意什么。 答： 由于热电偶的分度表是在冷端温度为 0℃时测得的，如果冷端温度不为零，测得的热电势就不能直接去查相应的分度表。 另外，根据热电偶的测温原理，热电偶回路的热电势只与冷端和热端的温度有关，当冷端温度保持不变时，热电势才与测量端温度成单值对应关系。 但在实际测量时，冷端温度常随环境温度变化而变化， 0t 不能保持恒定，因而会产生测量误差。 为了消除测量误差 ，要对热电偶进行冷端温度补偿。 常采 补偿方法： 0℃冷端恒温法、冷端恒温法、补偿导线法（延引电极法）、电桥补偿法。 补偿导线的作用： 补偿导线仅起延长热电极的作用， 它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响， 不起任何温度补偿作用。 但由于补偿导线比热电偶便宜，节约了测量经费。 连接补偿导线必须注意两个问题：①两根补偿导线与热电偶相连的接点温度必须相同；②不同的热电偶要与其型号相应的补偿导线配套使用，且必须在规定的温度范围内使用，极性不能接反。 9. 热电偶测温线路有几种。 试画出每种测温电路原理图，并写出热电势表达式。 答：测温某一点温度、测量两点间温差电路、测量多点温度之和电路、测量几点的平均温度、 多点温度测量线路。 测温电路原理图 ： 图 337 热电偶测量某一点温度 图 338 热电偶测量两点温差 0( , )ABE E t t 1 0 2 0 1 2( , ) ( , ) ( ) ( )A B A B A B A BE E t t E t t e t e t    16 10. 如图 353 所示，用 K 型（镍铬 镍硅）热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度， A′ 、 B′为补偿导线， Cu 为铜导线。 已知 1 40Ct ， 2 0Ct  ， 3 20Ct 。 （ 1） 当仪表指示为 时，计算被 测点温度 t = ? （ 2） 如果将 A′ 、 B′ 换成铜导线，此时 仪表指示为 ，再求被测点温度 t = ? （ 3） 将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的什么定律。 如果被测液体不是金属，还能用此方法测量吗。 为什么。 答： （ 1）当 A′ 、 B′ 为补偿导线， Cu 为铜导线 时。 热电偶的冷端温度为 t2=℃， 此时 仪表的 指示 即 为 热端温度 t 相对于 ℃ 热电势 ， 即 ( , 0 ) 3 9 .3 1 4ABE E t m V,查分度表可得 被测点温度 t ≈ 950℃。 （ 2） 如果将 A′ 、 B′ 换成铜导线，此时 热电偶的冷 端温度即变为 t1=40℃ ，此时仪表的指示为图 353 热电偶测量 炼钢炉熔融金属某一点温度 图 339 测量两点温度之和 图 340 测量两点平均温度 图 341 一台仪 表分别测量多点温度 1 0 2 0( , ) ( ,A B A BE E t t E t t ）1 0 2 0( , ) ( ,2AB ABE t t E t tE  ） 17 ( , 4 0 ) 3 7 .7 0 2ABE E t m V，根据中间温度定律即可求得测量端相对于 0℃ 的热电势： ( , 0 ) ( , 4 0 ) ( 4 0 , 0 ) 3 7 . 7 0 2 1 . 6 1 1 3 9 . 3 1 3A B A B A BE t E t E m V    ，查分度表可得 被测点温度 t ≈ 950℃。 （ 3） 将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的 中间导体定 律 ，如果被测液体不是金属， 就不 能用此方法 来 测量。 因为不满足热电偶的基本定律要求。 11. 用两只 K 型热电偶测量两点温差 ，如图 338 所示。 已知 1 980 Ct ， 2 510 Ct ， 0 20Ct ，试求 12tt、 两点的温差。 答： 根据 热电偶测量两点温差 的电路可知仪表的指示为： 查分度表可知 12 t C 12. 试分析 图 347 所 示集成温度传感器 AD590 用于热电偶参考端温度补偿电路的工作原理。 答： 由图 347 所示， AD590 与热电偶参考端处于同一温度下。 AD580 是一个三端稳压器，其输出电压 Uo =。 电路工作时，调整电阻 R2使得I1 = t0x103mA，这样在电阻 R1上 便 产生一个随参考端温度 t0 变化的补偿电压 U1 =I1 * R1。 若热电偶参考端温度为 t0， 工作 时应使 U1≈ EAB（ t0， 0℃）。 这样就能自动补偿由于冷端温度变化带来的测量误差。 不同分度号的热电偶， R1的阻值亦不同。 这种 补偿电路灵敏、准确、可靠、调整方便。 13. 辐射式温度传感器的工作原理是什么。 有何特点。 答： 辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度变化的原理制成的。 是一种非接触式测温方法，只要将传感器与被测对象对准即可 测量其温度的变化。 与接触式温度传感器相比，具有以下特点： 1）传感器与被测对象不接触，不会干扰被测对象的温度场，故可测量运动物体的温度，且可进行遥测。 Cu U3 t A BA A′ B′ 接线盒 1 t1 接线盒 2 t2 接线盒 3 t3 Cu O O O O O O 图 338热 电偶测量两点温差 1 0 2 0 1 2( , ) ( , ) ( ) ( )= 4 0 . 4 8 8 2 1 . 0 6 6= 1 9。