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1、傳感器原理與應(yīng)用及傳感器與測(cè)量技術(shù)習(xí)題集與部分參考答案教材：傳感器技術(shù)（第3版）賈伯年主編，及其他參考書第7章 熱電式傳感器7-1 熱電式傳感器有哪幾類？它們各有什么特點(diǎn)？答：熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點(diǎn)：（1)高溫度系數(shù)、高電阻率。(2)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）制造方便（3）測(cè)溫范圍寬（4）熱慣性小（5）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳7-2 常用的熱電阻有哪幾種？適用范圍如何？答：鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻

2、材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。銅在-50150范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。當(dāng)溫度高于100時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有侵蝕性的介質(zhì)中工作。7-3 熱敏電阻與熱電阻相比較有什么優(yōu)缺點(diǎn)？用熱敏電阻進(jìn)行線性溫度測(cè)量時(shí)必須注意什么問題？7-4 利用熱電偶測(cè)溫必須具備哪兩個(gè)條件？答：（1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同7-5 什么是中間導(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體定律？它們?cè)诶脽犭娕紲y(cè)溫時(shí)有什么實(shí)際意義？答：中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持第

3、三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對(duì)回路總熱電勢(shì)無(wú)影響。利用這個(gè)定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,T0)與連接導(dǎo)線電勢(shì)EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。7-6 什么是中間溫度定律和參考電極定律？它們各有什么實(shí)際意義？答：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)這是中間溫度定律表達(dá)式，即回路的總熱電勢(shì)等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。Tn為中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)

4、。7-7 鎳絡(luò)-鎳硅熱電偶測(cè)得介質(zhì)溫度800，若參考端溫度為25，問介質(zhì)的實(shí)際溫度為多少？答：t=介質(zhì)溫度+k*參考溫度（800+1*25=825）7-8 熱電式傳感器除了用來測(cè)量溫度外，是否還能用來測(cè)量其他量？舉例說明之。7-9 實(shí)驗(yàn)室備有鉑銠-鉑熱電偶、鉑電阻器和半導(dǎo)體熱敏電阻器，今欲測(cè)量某設(shè)備外殼的溫度。已知其溫度約為300400，要求精度達(dá)2，問應(yīng)選用哪一種？為什么？圖710 用浸入式熱電偶測(cè)量熔融金屬示意圖1 鋼水包；2鋼熔融體； 3熱電極A 、 B4 、7補(bǔ)償導(dǎo)線接線柱 5補(bǔ)償導(dǎo)線6保護(hù)管8毫伏表9、10 毫伏表接線柱*7-10在煉鋼廠中，有時(shí)直接將廉價(jià)熱電極（易耗 品，例如鎳鉻、

5、鎳硅熱偶絲，時(shí)間稍長(zhǎng)即熔化）插入鋼水中測(cè)量鋼水溫度，如圖 7-10所示。試說明測(cè)量鋼水溫度的基本原理？為什么不必將工作端焊在一起？ 要滿足哪些條件才不影響測(cè)量精度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律？如果被測(cè)物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？ 答：測(cè)量鋼水溫度的基本原理是利用了熱電效應(yīng)；因?yàn)殇撍菍?dǎo)體，又處在同一個(gè)溫度下，把鋼水看作是第三導(dǎo)體接入，利用了熱電偶的導(dǎo)體接入定律；如果被測(cè)物不是鋼水，而是熔化的塑料不行，因?yàn)椋芰喜粚?dǎo)電，不能形成熱電勢(shì)。*7-11 用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測(cè)溫度，已知冷端溫度為40，用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電勢(shì)為29.186mV ，求被測(cè)點(diǎn)溫度？答：查K分

6、度表，熱電偶在40時(shí)相對(duì)于0的熱電勢(shì)為：1.6118mV;由公式：=29.186+1.6118mV=30.798mV;查K分度表得被測(cè)點(diǎn)溫度值為：740。*7-12 使用k型熱電偶，基準(zhǔn)接點(diǎn)為0、測(cè)量接點(diǎn)為30和900時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)分別為1.203mV和37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30，測(cè)溫接點(diǎn)為900時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？ 答：由公式，得：當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30，測(cè)溫接點(diǎn)為900時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為:37.326-1.203=36.123mV。7-13 熱電偶冷端溫度對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)有什么影響？為消除冷端溫度影響可采用哪些措施？半導(dǎo)體熱敏電阻的主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么？在電路中是怎樣克服的？7-14 PN結(jié)

7、為什么可以用來作為溫敏元件？7-15 集成溫度傳感器的測(cè)溫原理，有何特點(diǎn)？7-16 如果需要測(cè)量1000和20溫度時(shí)，分別宜采用哪種類型的溫度傳感器？7-17 采用一只溫度傳感器能否實(shí)現(xiàn)絕對(duì)溫度、攝氏溫度、華氏溫度的測(cè)量？怎樣做？7-18 熱電阻傳感器主要分為幾種類型？它們應(yīng)用在什么不同場(chǎng)合？答：熱電阻傳感器分為以下幾種類型：鉑電阻傳感器：特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，也常被用在工業(yè)測(cè)量中。此外，還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。銅電阻傳感器：價(jià)錢較鉑金屬便宜。在測(cè)溫范圍比較小的情況下，有很好的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫

8、度之間接近線性關(guān)系。材料容易提純，價(jià)格便宜。不足之處是測(cè)量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。鐵電阻和鎳電阻：鐵和鎳兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小、靈敏度高的電阻溫度計(jì)，其缺點(diǎn)是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。目前應(yīng)用不多。7-19 什么叫熱電動(dòng)勢(shì)、接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)？說明熱電偶測(cè)溫原理及其工作定律的應(yīng)用。分析熱電偶測(cè)溫的誤差因素，并說明減小誤差的方法。答：熱電動(dòng)勢(shì)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B串接成一個(gè)閉合回路，并使兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度下，那么回路中就會(huì)存在熱電勢(shì)。有電流產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，通稱熱電

9、勢(shì)。 接觸電動(dòng)勢(shì)：接觸電勢(shì)是由兩種不同導(dǎo)體的自由電子，其密度不同而在接觸處形成的熱電勢(shì)。它的大小取決于兩導(dǎo)體的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀和尺寸無(wú)關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)：是在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢(shì)。熱電偶測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理基于物理的熱電效應(yīng)。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，那么在回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測(cè)得溫度的大小。熱電偶三定律：a 中間導(dǎo)體定律：熱電偶測(cè)溫時(shí)，若在回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶回路總的熱電勢(shì)不

10、產(chǎn)生影響。在用熱電偶測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線及顯示一起等均可看成中間導(dǎo)體。b 中間溫度定律：任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為T，冷端為T 時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶熱端為T冷端為Tn時(shí)的熱電勢(shì)與同一熱電偶熱端為Tn，冷端為T0時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和。應(yīng)用：對(duì)熱電偶冷端不為0度時(shí)，可用中間溫度定律加以修正。熱電偶的長(zhǎng)度不夠時(shí)，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償線路。c參考電極定律：如果A、B兩種導(dǎo)體（熱電極）分別與第三種導(dǎo)體C（參考電極）組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（T，T0）時(shí)分別為EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么受相同溫度下，又A、B兩熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì)為EAB（T，T0）= EAC（T，T0）-

11、 EBC（T，T0）實(shí)用價(jià)值：可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。在實(shí)際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對(duì)的熱電勢(shì)，那么由這兩種熱電極配對(duì)組成熱電偶的熱電勢(shì)便可由上式求得，而不需逐個(gè)進(jìn)行測(cè)定。誤差因素：參考端溫度受周圍環(huán)境的影響減小誤差的措施有：a 0oC恒溫法b 計(jì)算修正法（冷端溫度修正法）c 儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法d 熱電偶補(bǔ)償法e 電橋補(bǔ)償法f 冷端延長(zhǎng)線法。7-20 試述熱電偶測(cè)溫的基本原理和基本定理。答：熱電偶測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理基于物理的熱電效應(yīng)。所謂熱電效應(yīng)，就是當(dāng)不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，那么在回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。兩點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的

12、電動(dòng)勢(shì)就越大。引入適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小，就可測(cè)得溫度的大小?；径ɡ硪姷?題。7-21 試比較電阻溫度計(jì)與熱電偶溫度計(jì)的異同點(diǎn)。答：電阻溫度計(jì)利用電阻隨溫度變化的特性來測(cè)量溫度。熱電偶溫度計(jì)是根據(jù)熱電效應(yīng)原理設(shè)計(jì)而成的。前者將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的大小，后者將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小。相同點(diǎn)：都是測(cè)溫傳感器，精度及性能都與傳感器材料特性有關(guān)。7-22 試解釋負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性并說明其用途。答：伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。當(dāng)電流很小時(shí)不足以引起自身發(fā)熱，阻值保持恒定，電壓降與電流間符合歐姆定律。當(dāng)電流IIs時(shí)，隨著電流增加，功耗增大，產(chǎn)生自

13、熱，阻值隨電流增加而減小，電壓降增加速度逐漸減慢，因而出現(xiàn)非線性的正阻區(qū)ab。電流增大到Is時(shí)，電壓降達(dá)到最大值Um。此后，電流繼續(xù)增大時(shí)，自熱更為強(qiáng)烈，由于熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)大，阻值隨電流增加而減小的速度大于電壓降增加的速度，于是就出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)bc段。研究伏安特性，有助于正確選擇熱敏電阻的工作狀態(tài)。對(duì)于測(cè)溫、控溫和溫度補(bǔ)償，應(yīng)工作于伏安特性的線性區(qū)，這樣就可以忽略自熱的影響，使電阻值僅取決于被測(cè)溫度。對(duì)于利用熱敏電阻的耗散原理工作的場(chǎng)合，例如測(cè)量風(fēng)速、流量、真空等，則應(yīng)工作于伏安特性的負(fù)阻區(qū)。7-23 有一串聯(lián)的熱敏電阻測(cè)溫電路，如圖所示。試設(shè)計(jì)其最佳線性工作特性，并計(jì)算其線性度，最后，用

14、坐標(biāo)紙每5一點(diǎn)繪出電路圖中u=f(t)的曲線。7-24 鉑線電阻在20時(shí)為10。求500C時(shí)的電阻。答：R=R0（1+t）中，t=20，R=10，=30*10-4/。因此，10= R0（1+30*10-4*20），R= R0（1+30*10-4*50）得R10.8。17-25 下圖1所示的鉑測(cè)溫電阻元件，當(dāng)溫度由0上升到100時(shí)，電阻變化率R/R0為多少?下圖2所示的熱敏電阻（R0=28k），其R/R0為多少?圖1圖2答：由圖1可讀取t=100時(shí)的R/R01.4。因此，R=1.4R0，又有R= R-R0= 1.4R0-R0=0.4 R0。因此，R/R=0.4。圖2的熱敏電阻中t=100時(shí)的R1

15、03。又R= R-R0=-27k。因此，R/R0=-27/28-0.96。7-26 上圖1 所示的鉑測(cè)溫電阻元件，在0200范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)為多少？答：由圖1 ，t=200處的R/R01.8，電阻溫度系數(shù)（曲線的傾斜率）=（1.8-1）/200=0.4%/。7-27 要測(cè)1000左右的高溫，用什么類型的熱電偶好？要測(cè)1500左右的高溫呢？答：若是1000鉻鎳-鋁鎳，鉑、銠-鉑，1500時(shí)，鉑、銠30%-鉑。7-28 使用k型熱電偶，基準(zhǔn)接點(diǎn)為0、測(cè)量接點(diǎn)為30和900時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)分別為1.203mV和37.326mV。當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30，測(cè)溫接點(diǎn)為900時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？答：現(xiàn)t2=900 ，t1=30 ，基準(zhǔn)接點(diǎn)溫度為30 ，測(cè)溫接點(diǎn)溫度為900時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)設(shè)為 E，則37.326=1.203+ E，所以E=36.123mV。7-29 0時(shí)鉑金熱電阻的阻值為100。按下圖所示進(jìn)行溫度測(cè)量。R1=100,R2=200,R3=300時(shí)橋路達(dá)到平衡。此時(shí)溫度為多少？假設(shè)鉑金電阻的溫度系數(shù)為0.003851-1，電阻與溫度成線性關(guān)系，另外導(dǎo)線的電阻可忽略不計(jì)