上海海事大學(xué)熱工測(cè)試技術(shù)教案VIP

測(cè)量系統(tǒng)概論及誤差分析第一節(jié)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)是一門實(shí)用性很強(qiáng)學(xué)科，探求事物之間量、質(zhì)關(guān)系的科學(xué)，與其他學(xué)科有著廣泛而密切的聯(lián)系。要正確地對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量，首先必須要有正確的測(cè)量方法，比如：采用直接測(cè)量，還是間接測(cè)量；靜態(tài)測(cè)量呢？還是動(dòng)態(tài)測(cè)量？等等其次，根據(jù)測(cè)量的復(fù)雜程度合理組成測(cè)量系統(tǒng)。因此其可分為簡(jiǎn)單測(cè)量系統(tǒng)和復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)。目前，在測(cè)量系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，從而為提高精度提供了必要條件。再次，任何測(cè)量都不可避免地含有誤差。誤差理論是測(cè)量技術(shù)的核心，它能夠分析和判斷結(jié)果的可靠性和有效性。一.測(cè)量意義我們知道，對(duì)任何不同的研究對(duì)象，都要從數(shù)量方面對(duì)它進(jìn)行研究，都要通過測(cè)量代表其特性的物理量來實(shí)現(xiàn)。無論在科學(xué)實(shí)驗(yàn)還是在生產(chǎn)過程中都離不開測(cè)量技術(shù)，否則會(huì)給工作帶來巨大的盲目性，只有通過可靠的測(cè)量，然后用誤差理論正確判斷測(cè)量結(jié)果的可靠性和有效性，才能進(jìn)一步解決工程技術(shù)上提出的問題。由此可見，測(cè)試技術(shù)水平高低，將直接影響科技的發(fā)展。測(cè)量方法按照獲得測(cè)量結(jié)果的方法不同分類直接測(cè)量：將被測(cè)量直接與測(cè)量單位進(jìn)行比較，或用預(yù)先標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量其測(cè)量結(jié)果可直接從測(cè)量?jī)x表上獲得，稱為直接測(cè)量。直讀法：直接從儀表上讀出測(cè)量結(jié)果。如：壓力表溫度計(jì)等。比較法：與某一已知量或標(biāo)準(zhǔn)量具進(jìn)行比較，其測(cè)量精度比直讀法高。間接測(cè)量：在工程上許多測(cè)量參數(shù)往往不能用直接測(cè)量法得到，如內(nèi)燃機(jī)功率P=M*N/9550（M：扭矩；n：轉(zhuǎn)速），這種通過直接測(cè)量量與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的各變量，然后將所測(cè)得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，從而求得測(cè)量值的方法，稱為間接測(cè)量法。按照測(cè)量狀態(tài)和條件分按等精度和非等精度分：在完全相同條件（測(cè)量者、儀器、測(cè)量方法、環(huán)境等）下，進(jìn)行一系列重復(fù)測(cè)量稱為：等精度測(cè)量。按動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)分：對(duì)穩(wěn)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，稱為穩(wěn)態(tài)測(cè)量（如：環(huán)境、溫度、大氣溫度、壓力…）。若在測(cè)量過程中，被測(cè)量隨時(shí)間變化明顯，則稱為動(dòng)態(tài)測(cè)量；如在極短時(shí)間內(nèi)變化的燃?xì)鉁囟群蛪毫Γ鄬?duì)于穩(wěn)態(tài)參數(shù)，動(dòng)態(tài)參數(shù)更為困難，這不僅在于動(dòng)態(tài)參數(shù)本身變化可能是復(fù)雜的，而且對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)本身要求很高，不僅要考慮其靜態(tài)特性，還要考慮其動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。按接觸和非接觸被測(cè)物體：接觸測(cè)量和非接觸式測(cè)量測(cè)量方法的選擇應(yīng)取決于測(cè)試工作的具體條件和要求。測(cè)量系統(tǒng)為了測(cè)量某一被測(cè)量的值，根據(jù)測(cè)量精度要求，將若干測(cè)量設(shè)備（包括：測(cè)量?jī)x表、裝置、元件及輔助設(shè)備），按照一定的方式連接起來，這種連接組合即構(gòu)成了一種測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)量復(fù)雜程度，可分為：1簡(jiǎn)單測(cè)量系統(tǒng)2復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于任何一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，都含有以下三個(gè)主要部件：1感受元件感受被測(cè)量的變化，隨之內(nèi)部產(chǎn)生變化，并向外發(fā)出一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)。（舉例：水銀溫度計(jì)感受元件作用）包括兩個(gè)功能：拾取信息和把拾取的信息進(jìn)行變換，一般是將其變換成另一種物理量，如：位移、壓差、電壓等。主要有兩種變換方式：a非電信號(hào)變換（如：水銀柱位移信號(hào)）b將感受到的被測(cè)信號(hào)直接變換成電信號(hào)輸出（如：熱電偶）需具備的條件：a變換速度快；b抗干擾能力強(qiáng)；c良好的線性變換；d盡量不干擾被測(cè)介質(zhì)的狀態(tài)。2傳遞元件將感受元件發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)加工或變換成顯示元件易于接收的信號(hào)（作用）（舉例：電阻應(yīng)變片）若感受元件發(fā)出的信號(hào)過?。ɑ蜻^大），傳遞元件應(yīng)將信號(hào)放大（或衰減）；轉(zhuǎn)換和處理一般也有兩種形式：1非電量的轉(zhuǎn)換；2電量的轉(zhuǎn)換和處理。這些經(jīng)處理后的信號(hào)一般是模擬信號(hào)，可直接送到顯示部分，也可通過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，當(dāng)然也可送到數(shù)字式儀表。3顯示元件根據(jù)傳遞元件傳來的信號(hào)向觀測(cè)人員顯示出被測(cè)量在數(shù)量上的大小和變化。一般可分為模擬顯示和數(shù)字顯示。微機(jī)的CRT顯示屏既能顯示模擬信號(hào)，又能顯示數(shù)字信號(hào)和文字。衡量測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)劣性能指標(biāo)靜態(tài)性能指標(biāo)1量程一般測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量的最大輸入量稱為測(cè)量上限，其最小輸入量稱為測(cè)量下限。測(cè)量上、下限代數(shù)差的模，稱為量程，即測(cè)量范圍。例：某溫度計(jì)：-40～+802精度（精確度）指測(cè)量某物理量時(shí)，測(cè)量值與真值的符合程度。用表示，常用滿量程時(shí)儀表所允許的最大相對(duì)誤差的百分?jǐn)?shù)來表示。是一種按極限形式來表示測(cè)量系統(tǒng)的誤差（基本誤差）。允許誤差：設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證其基本誤差不超過某個(gè)一定的允許誤差值所確立的指標(biāo)，也是一種極限誤差。當(dāng)以引用誤差形式表示的允許誤差去掉百分?jǐn)?shù)后余下的數(shù)字稱為測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級(jí)。工業(yè)儀表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列，有七個(gè)等級(jí)：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4等。如：0.5級(jí)表示：該儀表的允許誤差為，其測(cè)量值絕對(duì)誤差不會(huì)超過該儀表量程的。3靈敏度靈敏度表示測(cè)量系統(tǒng)在作靜態(tài)測(cè)量時(shí)，輸出變化量與輸入變化量的比值。靈敏度有量綱，它是輸出、輸入量的量綱之比。4分辨率與靈敏度有關(guān)的另一性能指標(biāo)，是指測(cè)量系統(tǒng)能夠檢測(cè)出的最小輸入變化量。5穩(wěn)定性指在規(guī)定的工作環(huán)境條件和時(shí)間內(nèi)，儀表性能的穩(wěn)定程度，它用觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的誤差來表示。6重復(fù)性在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的一致程度，用重復(fù)性誤差Rn來表示。7溫度誤差輸出特性隨溫度變化而不同，當(dāng)環(huán)境溫度偏離儀表的定標(biāo)溫度（20），其輸出值的變化稱溫度誤差。8零點(diǎn)溫漂在一定環(huán)境和工作條件下，測(cè)量系統(tǒng)的輸入量固定不變時(shí)，其輸出量發(fā)生變化，這種變化稱為漂移。在系統(tǒng)零點(diǎn)產(chǎn)生的漂移，則為零漂。漂移往往是由于測(cè)量系統(tǒng)（儀表）內(nèi)部溫度變化或零件性能不穩(wěn)定引起的。把主要由于溫度引起輸出量的變化的漂移稱作溫漂。9動(dòng)態(tài)誤差與頻響特性動(dòng)態(tài)誤差，亦稱動(dòng)態(tài)特性，在測(cè)量某些隨時(shí)間變化而變化的物理量時(shí)，儀表在動(dòng)態(tài)下的讀數(shù)，和它在同一瞬間相應(yīng)量值的靜態(tài)讀數(shù)之間的差值。一個(gè)儀表可看成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，要求儀表具有良好頻響特性，也就是說要求它的幅值比，在所要求的頻率范圍內(nèi)變化不大，即動(dòng)態(tài)誤差小，同時(shí)在這個(gè)頻率范圍內(nèi)相位差也很小，相位差太大將會(huì)導(dǎo)致儀表失真?？赏ㄟ^拉普拉斯變換求解微分方程，獲得傳遞函數(shù)。當(dāng)儀表輸入一個(gè)正弦信號(hào)，輸出一個(gè)信號(hào)時(shí)，儀表的傳遞函數(shù)：，其復(fù)數(shù)形式：可分為幅頻特性和相頻特性兩部分。故傳遞函數(shù)可稱為幅相特性或稱儀表的頻響特性。

第二節(jié)誤差分析-誤差存在的絕對(duì)性“誤差是不可避免的”無論使用多么精密的儀器，無論測(cè)量方法多么完善，無論操作多么細(xì)心。通過測(cè)量系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行測(cè)量，所得到的數(shù)值稱為測(cè)量值X，而被測(cè)物理量具有客觀存在的量值，稱為真值X0，但遺憾的是，在任何方式下測(cè)得的值X都不可能是真正的被測(cè)量值真值X0，只能對(duì)X0的近似。近似程度的大小，就是誤差的大小。總之，測(cè)量結(jié)果都具有誤差，誤差自始至終存在于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量過程中。研究誤差的目的雖然每次得到的測(cè)量值不是真值，而是近似值，我們所關(guān)心的是每次測(cè)量，其測(cè)量誤差是否在允許范圍內(nèi)。我們研究方向是：1）找出測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因，并設(shè)法避免或減少產(chǎn)生誤差的因素，提高測(cè)量精度；2）求出測(cè)量誤差大小或其變化規(guī)律，修正測(cè)量結(jié)果，并判斷測(cè)量可靠性。誤差表達(dá)形式一般有兩種表達(dá)形式：絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差1絕對(duì)誤差2相對(duì)誤差絕對(duì)誤差只能表示出誤差量值的大小，而不能表示出測(cè)量結(jié)果的精度相對(duì)誤差可以表示測(cè)量精度，δ小，精度越高。測(cè)量誤差分類1根據(jù)誤差出現(xiàn)規(guī)律（誤差性質(zhì)及其產(chǎn)生原因）系統(tǒng)誤差定義：在相同條件下，對(duì)某個(gè)量進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)或均保持恒定，或按照一定規(guī)律變化。產(chǎn)生原因：一類原因可能是儀表制造，安裝，或使用不正確或試驗(yàn)裝置受外界干擾；另一類原因是試驗(yàn)理論和試驗(yàn)方法不完善。如何消除：系統(tǒng)誤差是客觀存在的，有時(shí)難以消除，這就只能通過修正測(cè)量值才能達(dá)到測(cè)量精度，而修正值是從專門的試驗(yàn)中求得的。過失誤差（粗大誤差）定義：在測(cè)量過程中，完全由于人為過失而明顯造成了歪曲測(cè)量結(jié)果的誤差；產(chǎn)生原因：測(cè)量人員粗心大意，讀錯(cuò)，記錯(cuò)，算錯(cuò)或錯(cuò)誤操作等；判斷方法：最簡(jiǎn)單的方法是拉伊特法，即殘差大于3σ時(shí)就可以判定它是過失誤差；如何消除：剔除隨機(jī)誤差定義：在對(duì)同一個(gè)量進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，由于受到某些不可知隨機(jī)因素的影響，測(cè)量誤差時(shí)小時(shí)大，時(shí)正時(shí)負(fù)地變化，沒有一定的規(guī)律，并且無法估計(jì)。但也同時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，這種誤差的分布服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，把它稱為隨機(jī)誤差或偶然誤差。產(chǎn)生原因：a儀表內(nèi)部零件之間存在間隙和摩擦，其變化不規(guī)則；b測(cè)量人員對(duì)模擬指示型儀表最末一位估計(jì)不準(zhǔn)，在數(shù)字式儀表中，計(jì)數(shù)脈沖造成±1數(shù)字誤差；c周圍環(huán)境不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量?jī)x器的影響。特點(diǎn)：與測(cè)量次數(shù)有關(guān)，當(dāng)測(cè)量次數(shù)增加時(shí)，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值將逐漸減小，并趨近于零。2.按照測(cè)量誤差產(chǎn)生的來源a)人為誤差（操作誤差）；b)環(huán)境誤差；c)方法誤差；d)動(dòng)態(tài)誤差；e)儀表誤差（裝置誤差）誤差理論基礎(chǔ)在測(cè)量結(jié)果中，在修正好系統(tǒng)誤差，剔除過失誤差后，所得數(shù)值測(cè)量精度就取決于隨機(jī)誤差了。所以有必要對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行研究。1.隨機(jī)誤差分布的性質(zhì)有界性：在一定測(cè)量條件下，測(cè)定值總是在一定的相當(dāng)窄的范圍內(nèi)變動(dòng)，故而隨機(jī)誤差也是在一定的，相當(dāng)窄的范圍內(nèi)變動(dòng)，絕對(duì)值很大的誤差出現(xiàn)的概率為零，即隨機(jī)誤差不會(huì)超過一定的界限。對(duì)稱性：當(dāng)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，大小相等，符號(hào)相反的正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同，即隨機(jī)誤差概率密度曲線是對(duì)稱的。抵償性：全部隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值在測(cè)量次數(shù)不斷增加趨向于無窮時(shí)趨于零。單峰性：誤差的絕對(duì)值越小，出現(xiàn)的次數(shù)就越大，當(dāng)誤差為零（測(cè)量值等于算術(shù)平均值時(shí)），出現(xiàn)概率最大，即：隨機(jī)誤差概率密度曲線的單峰性。2.隨機(jī)誤差概率密度分布曲線從上述4點(diǎn)性質(zhì)充分表明，大多數(shù)測(cè)量的隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。分布密度函數(shù)一定是隨機(jī)誤差x的平方的函數(shù)。這個(gè)分布是1796年高斯提出的，所以也稱為高斯分布，其函數(shù)分布形式為：式中，x：測(cè)量值與真值之差（＝X-X0）；y：概率密度（誤差等于x）；：均方根誤差或稱標(biāo)準(zhǔn)誤差該正態(tài)分布主要由兩個(gè)特征參數(shù)決定，即：X0，X0代表被測(cè)量參數(shù)的真值，完全由被測(cè)參數(shù)本身決定，當(dāng)測(cè)量次數(shù)趨于無窮大時(shí)，子樣平均值等于真值。：則表示測(cè)定值在真值周圍的散布程度，由測(cè)量條件決定：點(diǎn)概率：；區(qū)間概率：※誤差分布曲線性質(zhì)：曲線關(guān)于y軸對(duì)稱：；當(dāng)x＝0時(shí)，y達(dá)到最大值＝；當(dāng)時(shí)，，最大誤差存在概率極小。3.誤差表示方法（測(cè)量結(jié)果誤差評(píng)價(jià)）無論是直接測(cè)量，還是間接測(cè)量，其目的都是要求出某一物理量的真值，但即使是熟練的實(shí)驗(yàn)者用高精度儀表，仔細(xì)地測(cè)量，也不可避免會(huì)有誤差。因此，必須在給定條件下，找出測(cè)量值與真值的關(guān)系，從一組測(cè)量數(shù)據(jù)中確定最佳值，用它來代表所測(cè)物理量。a)標(biāo)準(zhǔn)誤差（均方根誤差）當(dāng)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差為，為絕對(duì)誤差＝Xi-X；其意義是：當(dāng)進(jìn)行多次測(cè)量后，測(cè)量誤差在范圍內(nèi)的概率是68.3％，即：＝0.683。當(dāng)測(cè)量次數(shù)為有限多次時(shí)，此時(shí)我們用有限次測(cè)量求得的算術(shù)平均值近似地看成真值。此時(shí)樣本方根差：，其中為殘差b）或然誤差γ在一組測(cè)量中，當(dāng)時(shí)，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值大于或然誤差或小于或然誤差出現(xiàn)的概率各占一半，即：＝0.5得：對(duì)于置信度1-α＝50％時(shí)，置信區(qū)間中，γ＝0.6745對(duì)于多次測(cè)量，則有：測(cè)量結(jié)果＝子樣平均值或然誤差（P＝50％）c)極限誤差定義極限誤差范圍（即置信區(qū)間）是均方根誤差的三倍，記為3對(duì)應(yīng)于置信區(qū)間的3置信度為99.7％即：測(cè)量誤差落在3范圍內(nèi)的概率為99.7％，也就是說：被測(cè)量真值落在范圍之內(nèi)的概率已接近100％，而落在這個(gè)范圍之外的概率極小，可認(rèn)為不存在，所以將此誤差定義為極限誤差，一般的儀表都是采用極限誤差來定義精度的。d)平均誤差測(cè)量列平均誤差指該測(cè)定值全部隨機(jī)誤差絕對(duì)值的算術(shù)平均值。與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系：測(cè)量誤差落在范圍內(nèi)的概率為57.5％，置信度57.5％。4.各種誤差與標(biāo)準(zhǔn)誤差關(guān)系六．間接測(cè)量中的誤差分析以上講的都是直接測(cè)量中的誤差分析，下面我們主要講一下如何處理間接測(cè)量中的誤差。間接測(cè)量：是指被測(cè)量的數(shù)值是由測(cè)得的與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的直接測(cè)量量經(jīng)計(jì)算求得。所以可知，間接測(cè)量誤差不僅與直接測(cè)量量的誤差有關(guān)，而且還與它們之間的函數(shù)關(guān)系有關(guān)。一次測(cè)量，間接測(cè)量誤差的計(jì)算由于手條件限制，試驗(yàn)時(shí)只對(duì)被測(cè)量進(jìn)行一次測(cè)量，這樣的情況我們是經(jīng)常遇到的。如何來分析誤差呢？這時(shí)我們只能根據(jù)所采用的測(cè)量?jī)x表的允許誤差來估算測(cè)量結(jié)果中所包含的極限誤差，看它是否超過所規(guī)定的誤差范圍。其中，δ：儀表精度等級(jí)；A0：儀表量程；A：實(shí)測(cè)時(shí)儀表讀數(shù)；儀表所允許最大相對(duì)誤差Δmax＝δA0，精度：δ％從上式可知，采用一定量程的儀表，測(cè)量小示值的相對(duì)誤差比測(cè)量大示值的相對(duì)誤差要大。因此，選擇測(cè)量?jī)x表的量程，應(yīng)盡可能使示值接近于滿刻度，這樣可得到較為精確的測(cè)量結(jié)果。設(shè)：間接測(cè)量量Y，隨機(jī)誤差為y直接測(cè)量量為X1，X2，…，Xn，（設(shè)有n個(gè)），相互獨(dú)立，隨機(jī)誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關(guān)系：Y＝f（X1，X2，…，Xn）考慮誤差后，變成：Y+y＝f[（X1+x），（X2+x），…，（Xn+xn）]將等式右邊用泰勒級(jí)數(shù)展開，并忽略高階項(xiàng)，得：＝f(X1,X2,…,Xn)+可完成兩方面工作：用直接測(cè)量量誤差來計(jì)算間接測(cè)量量誤差根據(jù)所給出的被測(cè)量的允許誤差來分配各直接測(cè)量量誤差（舉例）多次測(cè)量，間接測(cè)量誤差的計(jì)算設(shè)：間接測(cè)量量Y，隨機(jī)誤差為y直接測(cè)量量為X1，X2，…，Xn，（設(shè)有n個(gè)），相互獨(dú)立，隨機(jī)誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關(guān)系：Y＝f（X1，X2，…，Xn）Y1＝f(X11,X21,…,Xn1)Y2＝f(X12,X22,…,Xn2)…Yn＝f(X1n,X2n,…,Xnn)每次測(cè)量誤差分別為：…根據(jù)誤差分布規(guī)律，等值，正負(fù)誤差的數(shù)目相等，故上述n式各項(xiàng)平方和中的非平方項(xiàng)可抵消。則：兩邊同除以n，變成，則：間接測(cè)量值多次測(cè)量時(shí)的極限誤差為：第三章溫度測(cè)量溫度是我們經(jīng)常要接觸的一個(gè)參數(shù)，也是制冷空調(diào)中需要經(jīng)常測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。例如冷卻水溫度，制冷劑溫度，空氣溫度等。溫度是一個(gè)很重要的物理量，它是表征物質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)，物質(zhì)的熱物理性質(zhì)及某些特征參數(shù)均與溫度有著密切聯(lián)系。還有，它是國(guó)際單位制（SI）七個(gè)基本物理量之一。（請(qǐng)同學(xué)們說出其他六個(gè)？）測(cè)溫的熱力學(xué)原理溫度物理概念“溫度”這個(gè)物理量主要是用來描述人們對(duì)周圍環(huán)境或物體的冷熱感覺。熱感覺說明溫度高，冷感覺說明溫度低。換句話說，溫度是衡量物體冷熱程度的物理量。但是，不知大家注意到?jīng)]有，它不可能用直接的方式來獲得，而只能借助于冷熱不同的物體之間熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度變化的特性來間接地加以測(cè)量。下面繼續(xù)從宏觀和微觀兩個(gè)角度來說明“溫度”這個(gè)概念。溫度的宏觀概念是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。為什么這么說呢？解釋如下：當(dāng)有任何兩個(gè)冷熱程度不同的物體互相接觸，那么它們必然會(huì)發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量就要從熱程度高的物體向熱程度低的物體傳遞，直至二者冷熱程度相同為止，即達(dá)到熱平衡，而處于同一熱平衡狀態(tài)物體，必定擁有一個(gè)共同物理性質(zhì)，而表征這個(gè)物理性質(zhì)的量就是溫度。另一方面，溫度的微觀概念來分析，物體溫度高低反映了物體內(nèi)部分子平均動(dòng)能的大小，表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。所以物體的許多物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)。溫度的測(cè)量原理：一切處于熱平衡的系統(tǒng)都具有相同溫度，這樣我們可以從相互比較中，由一個(gè)物體的溫度得知另一物體的溫度。所以處于熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)中，可借助一種具有未經(jīng)標(biāo)定的溫度標(biāo)尺的量具與被測(cè)物體相比較。它所具有的溫度就被認(rèn)為是被測(cè)物體溫度。測(cè)溫介質(zhì)：雖然有不少物質(zhì)都有某些物質(zhì)（如：電阻，體積，熱電勢(shì)等）會(huì)隨著溫度變化，但并不是所有的物質(zhì)都能用作測(cè)溫物質(zhì)，而須進(jìn)行適當(dāng)選擇，一般條件：a所選物質(zhì)的某一屬性只與溫度有關(guān)，而且能連續(xù)地單值地隨溫度變化，最好是線性b希望這些物質(zhì)的屬性容易測(cè)量，且具有較強(qiáng)的輸出信號(hào)c具有較寬的測(cè)溫范圍d希望有較好的復(fù)現(xiàn)性溫標(biāo)是“溫度標(biāo)尺”的簡(jiǎn)稱，溫度數(shù)值的表示方法，用來衡量物體溫度的標(biāo)尺。“溫標(biāo)”規(guī)定了溫度的起始點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。要建立溫標(biāo)，首先要選定測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)，其次是定義固定點(diǎn)的溫度數(shù)值（如：三相點(diǎn)，沸點(diǎn)等），最后再得出溫度的單位。1攝氏溫標(biāo)（℃）較早出現(xiàn)，應(yīng)用較廣泛的一種溫標(biāo)。其原理是規(guī)定汞隨溫度的體膨脹是線性的。分度方法：規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)是攝氏零度，沸點(diǎn)是100℃，把汞柱在這兩點(diǎn)之間變化的液柱長(zhǎng)度分為100等分。每一等分代表1攝氏度，用符號(hào)℃2華氏溫度（F）其選用原理和攝氏一樣，差別在于固定點(diǎn)，華氏溫標(biāo)規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)為華氏32度，沸點(diǎn)為華氏212度，然后把這兩點(diǎn)之間變化的汞柱長(zhǎng)度劃分成180等分，每等分為1華氏度，用F表示。3熱力學(xué)溫標(biāo)（K）又稱絕對(duì)溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)，是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)建立起來的，體現(xiàn)溫度僅與熱量有關(guān)而與工質(zhì)無關(guān)的理想溫標(biāo)。由卡諾定理，我們可知，對(duì)于一個(gè)理想的卡諾機(jī)，如它工作在溫度為T2的熱源和溫度為T1的冷源之間，它從熱源中吸收熱量Q2，在冷源放出熱量Q1，則溫度與熱量之間有如下關(guān)系：可見溫度只與熱量有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。如果我們指定了一個(gè)定點(diǎn)T2的數(shù)值，就可由熱量的比例求得未知量T1。絕對(duì)溫標(biāo)規(guī)定水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的三相點(diǎn)溫度為273.16K。但實(shí)際上，理想卡諾循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)，所以熱力學(xué)溫標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)，使用中是以氣體溫度計(jì)經(jīng)過示值修正后來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的。（因?yàn)槔碚撟C明熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)一致，再某些惰性氣體的性質(zhì)與理想氣體近似，故利用它來制成氣體溫度計(jì)。）4國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)IPTS-901990年元旦開始實(shí)施的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)（最新）它規(guī)定熱力學(xué)溫度是基本的物理量，符號(hào)為T，單位：開爾文K。它規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16K，定義熱力學(xué)溫度開爾文等于水三相點(diǎn)溫度的1/273.16國(guó)際實(shí)用開爾文溫度和攝氏溫度關(guān)系為：t＝(T-273.15)℃a該溫標(biāo)包圍溫度范圍：0.65K～單色輻射高溫計(jì)實(shí)際可測(cè)量的最高溫度（2000℃b定義固定點(diǎn)和溫度點(diǎn)共有17個(gè)。（其中14個(gè)為高純度物質(zhì)的三相點(diǎn)，熔點(diǎn)，凝固點(diǎn)；3個(gè)是用蒸汽或氣體測(cè)定的溫度點(diǎn)；c在不同溫度范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定性較高的溫度計(jì)來作為復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。d更為實(shí)用，更為科學(xué)

第二節(jié)熱電偶測(cè)溫技術(shù)熱電偶是目前溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感元件之一。一般用于測(cè)量高溫。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，熱慣性小，它將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)輸出，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和轉(zhuǎn)換。這樣我想大家應(yīng)該對(duì)熱電偶有了一個(gè)比較感性認(rèn)識(shí)，接下來，我們具體對(duì)熱電偶測(cè)溫原理，結(jié)構(gòu)，基本參數(shù)使用進(jìn)行具體地研究。熱電偶測(cè)溫原理要追溯到1821年，著名科學(xué)家塞貝克偶然發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象，叫熱電現(xiàn)象。也就是說，由兩種不同導(dǎo)體A，B組成的閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流，既而就會(huì)有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，而且溫度差越大，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也越大，這就是著名的熱電現(xiàn)象。后來人們?yōu)榱思o(jì)念他，又稱為塞貝克效應(yīng)。我們把導(dǎo)體A、B稱為熱電極；產(chǎn)生的電流稱熱電流；產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱熱電勢(shì)；將放置在被測(cè)對(duì)象中的接點(diǎn)，稱為測(cè)量端，熱端，工作端；而將另一端，稱為參考端、冷端、自由端。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱電勢(shì)是由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成。1溫差電勢(shì)定義：由于導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢(shì)。從溫度微觀概念知道，它是反映導(dǎo)體內(nèi)部自由電子平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大小的標(biāo)志。所以溫度高的一端的電子能量往往比溫度低的一端電子能量大，那么從高溫端跑到低溫端電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的要多。那這樣會(huì)造成什么結(jié)果呢？造成的結(jié)果是，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負(fù)電。從而在溫度不同的導(dǎo)體兩端之間形成一個(gè)從高溫端指向低溫端的靜電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)有兩個(gè)作用：a阻止高溫端電子跑向低溫端；b加速低溫端電子跑到高溫端。這樣，最后就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。那么在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差。稱為溫差電勢(shì)，其方向是由低溫端指向高溫端，其大小只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端溫度有關(guān)。，其中―――NA：導(dǎo)體A的電子密度，它是溫度函數(shù)；e：?jiǎn)挝浑姾?；k：波爾茲曼常數(shù)；t：導(dǎo)體各斷面的溫度；T,T0：導(dǎo)體兩端溫度。2接觸電勢(shì)定義：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A、B相接觸，由于二者不同的電子密度而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。從擴(kuò)散原理，可知由于導(dǎo)體間接觸處的電子數(shù)不同，那么電子在向兩個(gè)方向擴(kuò)散速率肯定也會(huì)不同，假設(shè)：導(dǎo)體A電子密度NA大于導(dǎo)體B電子密度NB，這樣導(dǎo)體A的電子擴(kuò)散速率比導(dǎo)體B要來的大，從而A失去電子而帶正電，B得到電子而帶負(fù)電，在A、B接觸面上就會(huì)形成一個(gè)方向由A向B的靜電場(chǎng)。它和溫差電勢(shì)中的靜電場(chǎng)功能相似，將阻止電子進(jìn)一步從A向B擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散力和電場(chǎng)力平衡時(shí)，在A、B之間形成了一個(gè)固定的接觸電勢(shì)，其方向：又B指向A，其大小取決于A、B材料的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，可用下式表示。其中，NAT：導(dǎo)體A在溫度為T時(shí)，電子密度；NBT：導(dǎo)體B在溫度為T時(shí)的電子密度。3回路總熱電勢(shì)一個(gè)由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，接點(diǎn)溫度分別為T、T0，且NA>NB，則回路中的總電勢(shì)。若A、B材料已定，則NA、NB只是溫度的函數(shù)，則上式可表示為：通過上式可得出如下結(jié)論：1熱電偶回路熱電勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長(zhǎng)度及沿程溫度分布無關(guān)；2只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)；3熱電偶的兩個(gè)電極材料確定之后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)。如果T0已知且恒定，則f(T0)為常數(shù)?；芈房偀犭妱?shì)只是溫度T的單值函數(shù)。注：國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)IPTS-68 規(guī)定熱電偶的溫度測(cè)值為攝氏溫度t（℃），參比端溫度定為0℃。所以實(shí)用熱電勢(shì)不再寫，而是，如果t0＝0℃，則為可簡(jiǎn)寫成E(t)。工程上所使用的各種類型的熱電偶均把E(t)和t的關(guān)系制成易于查找的表格形式，這種表格稱為熱電偶分度表。熱電偶回路的基本定律及其應(yīng)用在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，熱電偶回路中必然要引入測(cè)量熱電勢(shì)的顯示儀表和連接導(dǎo)線，因此理解了熱電偶的測(cè)溫原理之后還要進(jìn)一步掌握熱電偶的一些基本規(guī)律，并能在實(shí)際測(cè)溫中靈活而熟練地運(yùn)用這些規(guī)律。1均質(zhì)導(dǎo)體定律任何一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其各處的截面積如何，不論其是否存在溫度梯度，都不可能產(chǎn)生熱電勢(shì)。反之，如果回路中有熱電勢(shì)存在則材料必為非均質(zhì)。應(yīng)用：a檢驗(yàn)熱電極材料的均勻性b要求組成熱電偶的兩種材料A、B必須各自都是均質(zhì)的，否則會(huì)由于沿?zé)犭娕奸L(zhǎng)度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢(shì)，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。因此，要進(jìn)行均勻性檢驗(yàn)和退火處理。2中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中插入第三種均質(zhì)導(dǎo)體（中間導(dǎo)體），只要所插入的材料兩端連接點(diǎn)溫度相同，則所插入的第三種材料不影響原回路的熱電勢(shì)。應(yīng)用：a熱電偶回路中可接入測(cè)溫顯示儀表。只要保證熱電偶連接的顯示儀表的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，就不會(huì)影響回路原來的熱電勢(shì)。（完全不用擔(dān)心顯示儀表的接入對(duì)熱電勢(shì)的影響）b可利用開路熱電路來測(cè)量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。c任意兩種勻質(zhì)導(dǎo)體A、B，分別與勻質(zhì)材料C組成熱電偶，若熱電勢(shì)分別為和，則導(dǎo)體A、B組成熱電偶的熱電勢(shì)為。3中間溫度定律兩種不同材料A和B組成熱電偶，其接點(diǎn)溫度分別為t和t0時(shí)的熱電勢(shì)等于熱電偶在連接點(diǎn)溫度為（t，tn）和（tn，t0）時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)和的代數(shù)和。其中tn為中間溫度，即。應(yīng)用：a提供了冷端溫度不是零度時(shí)如何應(yīng)用熱電偶分度表的方法；b連接導(dǎo)線定律（當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與材料A、B有同樣熱電性質(zhì)的材料A’，B’，即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，相當(dāng)于將熱電偶延長(zhǎng)而不影響熱電偶的熱電勢(shì)。熱電極材料的基本要求理論上，根據(jù)熱電效應(yīng)原理，任何導(dǎo)體都可以作為熱電偶材料，但實(shí)際上，作為實(shí)用的熱電偶測(cè)溫元件，對(duì)熱電極材料應(yīng)滿足如下要求：1熱電性能好包括四個(gè)方面：a與溫度為單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性；b熱電勢(shì)率大；c穩(wěn)定性好；d互換性好。2物理化學(xué)性能穩(wěn)定高溫下，不產(chǎn)生再結(jié)晶或蒸發(fā)現(xiàn)象；高溫下，抗氧化，抗還原，耐腐蝕性好。3測(cè)溫范圍寬4良好物理性能高的導(dǎo)電率，小的比熱，低的電阻溫度系數(shù)（影響輸出熱電勢(shì)的大?。┑?良好機(jī)械加工性能如對(duì)鎧裝熱電偶的制作6價(jià)格便宜遺憾的是，實(shí)際上沒有一種材料能同時(shí)滿足上述全部要求，怎么辦？退而求其次，在不同測(cè)溫條件下采用不同的熱電極材料。熱電偶分類a按熱電勢(shì)－溫度關(guān)系是否標(biāo)準(zhǔn)化可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶；b按熱電極材料的性質(zhì)可分為：金屬熱電偶，半導(dǎo)體熱電偶，非金屬熱電偶三類；c按熱電極材料的價(jià)格可分為：貴金屬熱電偶和賤金屬熱電偶；d按使用溫度范圍分：高溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕家髮W(xué)生從以下幾個(gè)方面掌握：分度號(hào)；材料貴賤；使用溫度范圍；優(yōu)缺點(diǎn)（特點(diǎn)）；適用條件等。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指生產(chǎn)工藝成熟、能成批生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國(guó)際專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的熱電偶。按慣例正極成分一般寫在前面。常見的有以下6種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。1鉑銠10－鉑熱電偶分度號(hào)為S，，為貴金屬熱電偶，其準(zhǔn)確度在所有熱電偶中是最高的，常用于科學(xué)研究和準(zhǔn)確度要求比較高的場(chǎng)合。物理化學(xué)性能良好，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化和惰性氣氛中連續(xù)使用。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，電極絲直徑通常很細(xì)，機(jī)械強(qiáng)度較低，與其它熱電偶相比，其熱電勢(shì)偏小，熱電勢(shì)率也較小，因此靈敏度低。2鉑銠13－鉑熱電偶分度號(hào)為R，為貴金屬熱電偶，其性質(zhì)與鉑銠10-鉑熱電偶基本相同，唯一的差別是正極中銠的含量略高一些，這樣熱電勢(shì)也稍大一些，大15％左右，而且比S型熱電偶穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。問題：是不是銠的含量再高一點(diǎn)更好呢？答：也不是，如果合金極中銠的含量達(dá)到20％，則在高溫下會(huì)發(fā)脆，影響熱電偶的壽命。3鉑銠30－鉑銠6熱電偶（雙鉑銠熱電偶）分度號(hào)為B，屬于貴金屬熱電偶正極：含銠30％的鉑銠合金；負(fù)極：含銠6％的鉑銠合金是60年代發(fā)展起來的一種用于測(cè)量高溫的熱電偶。使用溫度范圍：1600℃（長(zhǎng)期），1800特點(diǎn)：由于其兩極都是由合金構(gòu)成的，因而提高了抗玷污能力和機(jī)械強(qiáng)度，其壽命比R,S型熱電偶要大得多。性能穩(wěn)定，但不如R,S型熱電偶好。測(cè)量準(zhǔn)確度高，其熱電勢(shì)率比鉑銠10－鉑還要小，但同時(shí)帶來的好處是可不用補(bǔ)償導(dǎo)線，但須配用靈敏度高的儀表。適用條件：適于氧化性質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，不能在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中使用。4鎳鉻－鎳硅熱電偶分度號(hào)為K，是廉價(jià)金屬熱電偶，應(yīng)用十分廣泛，在我國(guó)它的產(chǎn)量占了所有賤金屬熱電偶產(chǎn)量的一半左右。這種熱電偶的測(cè)量范圍很寬，從-270℃到1300使用溫度范圍：1000℃（長(zhǎng)期），1300特點(diǎn)：熱電勢(shì)率大，靈敏度比較高；熱電特性近乎線性，線性度好，使得顯示儀表的刻度均勻；穩(wěn)定性和均勻性很好；高溫下抗氧化，抗腐蝕能力都很強(qiáng)，比其它廉金屬熱電偶好；化學(xué)穩(wěn)定性好。適用條件：適用于氧化性和中性介質(zhì)中使用，在還原性氣體中易被腐蝕。在500℃到13005鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶分度號(hào)為E，熱電勢(shì)率是目前各類金屬熱電偶中最高的，靈敏度最高，靈敏度比鎳鉻－鎳硅高一倍。使用溫度范圍（-200～800）：600℃（長(zhǎng)期），800特點(diǎn)：最大的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，熱電勢(shì)率最大，即靈敏度最高。熱電特性線性度較好，價(jià)廉；耐熱和抗氧化性要比銅－康銅強(qiáng)。缺點(diǎn)是其負(fù)極難以加工，而且熱電均勻性也比較差。適用條件：適宜在氧化和惰性氣氛中使用，但不能用于還原氣氛或硫氣氛中。6銅－銅鎳（康銅）熱電偶分度號(hào)為T，使用溫度范圍：-200～350℃特點(diǎn)：熱電性能穩(wěn)定，特別是在0～-200℃下使用，穩(wěn)定性更好。在廉價(jià)金屬中準(zhǔn)確度最高的；價(jià)格便宜，是標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中最便宜的一種；能抵抗?jié)駳獾那治g，可用在真空，氧化，還原及中性氣氛中，但不能超過300非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶7鎳鉻－金鐵熱電偶適用于一些特定溫度測(cè)量場(chǎng)合低溫下仍有很大的熱電勢(shì)，可在2～273K低溫范圍內(nèi)使用，熱電勢(shì)穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易于加工成絲。熱電偶結(jié)構(gòu)1普通工業(yè)用熱電偶主要由：熱電極，絕緣套管（多采用氧化鋁管或工業(yè)陶瓷管，其作用是防止兩個(gè)熱電極短路），保護(hù)套管（1000℃以下用金屬管，1000缺點(diǎn)：體積大，笨重，熱慣性大等。2鎧裝熱電偶主要是由熱電偶絲，耐高溫的金屬氧化物粉末（如：Al2O3等）絕緣物，以及不銹鋼套管三者組合冷加工，由粗坯逐步拉制而成。其結(jié)構(gòu)形式有下列四種，具體見下圖所示：a碰底型；b不碰底型；c露頭型；d帽型。其突出優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量端熱容小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)緊湊，耐壓，抗震，可撓，使用方便。熱電偶參考端溫度補(bǔ)償熱電偶材料選定后，熱電勢(shì)只與熱端和冷端溫度有關(guān)。所以，只有當(dāng)冷端（參考端）溫度保持恒定時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)和熱端（測(cè)量端）溫度才有單值函數(shù)關(guān)系，而且我們知道，熱電偶分度表均以冷端溫度等于攝氏零度的條件下制定的。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度往往既不穩(wěn)定，也不一定是攝氏零度，故：必須對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，消除冷端溫度影響。1保持冷端溫度恒定的方法（當(dāng)冷端溫度恒定，但不是零度時(shí)）a冰浴法這是一種實(shí)驗(yàn)室常用的方法，即：使冷端直接置于0℃（用圓球法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)用熱電偶測(cè)溫時(shí)）b熱電勢(shì)修正法由中間溫度定律：式中就是冷端溫度℃，而為恒值時(shí)的引入誤差。只要測(cè)出冷端溫度t0值，并由相應(yīng)的熱電偶分度表查出的值，將其加到測(cè)得的熱電勢(shì)上，得到其冷端溫度等于零攝氏度時(shí)的熱電勢(shì)的值，將其加到測(cè)得的熱電勢(shì)上，得到其冷端溫度等于零攝氏度時(shí)的熱電勢(shì)值，然后便可從分度表求得熱端溫度即被測(cè)溫度真值。c儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法在tn已知時(shí)，可先斷開測(cè)量線路，然后把儀表起始點(diǎn)調(diào)到tn處，相當(dāng)于在測(cè)溫之前就給儀表輸入電勢(shì)，這樣在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輸入儀表的熱電勢(shì)為，因此，儀表的指針就能指出熱端溫度t。2參考端溫度t0波動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償方法a補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際中使用的熱電偶，尤其是貴金屬熱電偶往往是長(zhǎng)度一定，結(jié)構(gòu)固定的，由于測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)溫度波動(dòng)不定，這就往往需要將其參考端移至遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象，且溫度場(chǎng)較穩(wěn)定的場(chǎng)合。這可以采用在一定溫度范圍內(nèi)其熱電特性與所配的熱電偶基本一致，而且價(jià)格較便宜的補(bǔ)償導(dǎo)線來作為熱電偶絲的延伸部分。根據(jù)中間溫度定律，補(bǔ)償導(dǎo)線的引入并不會(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)?？煞譃椋貉由煨秃脱a(bǔ)償型兩種。注意事項(xiàng)：必須與相應(yīng)熱電偶配套使用，極性不能接錯(cuò)，兩個(gè)連接點(diǎn)溫度必須保持相同，并且導(dǎo)線的使用溫度不能超過規(guī)定的范圍，否則將引起較大的測(cè)量誤差。b參比端溫度補(bǔ)償器是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶因參考端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化。橋臂電阻R1、R2、R3、RCu與熱電偶參考端處于相同的環(huán)境溫度，其中：R1=R2=R3=1Ω，由錳銅絲繞制。E(4V)為橋路直流電源，Rs為限流電阻，一般選擇Rcu在20℃時(shí)使電橋處于平衡狀態(tài)，即：RCu20=1Ω，此時(shí)橋路補(bǔ)償U(kuò)ab當(dāng)參考端溫度變化時(shí)，在電橋?qū)蔷€輸出一個(gè)不平衡橋壓Uab和E(t,t0)疊加，適當(dāng)選取Rs，可使電橋產(chǎn)生的電壓剛好補(bǔ)償由于參考端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化，即：Uab=E(t0,0)，這時(shí)儀表就能正確指示測(cè)量端的溫度。如電橋平衡時(shí)的溫度為20℃，則在使用時(shí)，與其配接的指示儀表的機(jī)械零點(diǎn)應(yīng)調(diào)至20熱電偶測(cè)溫回路由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、普通導(dǎo)線和直流電測(cè)儀表構(gòu)成。1多支熱電偶共用一臺(tái)電測(cè)儀表圓球法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在測(cè)量圓球內(nèi)外表面溫度時(shí)，我們就用到這樣的測(cè)溫電路。為了節(jié)省顯示儀表，將若干條熱電偶通過切換開關(guān)共用一臺(tái)電測(cè)儀表。使用這樣的回路條件：a各支熱電偶的型號(hào)相同；b測(cè)溫范圍均在顯示儀表的量程內(nèi)。應(yīng)用1采用這種接線方式時(shí)，所有主熱電偶可共用一個(gè)輔助熱電偶來進(jìn)行參比端溫度補(bǔ)償。（冷端補(bǔ)償）應(yīng)用2用于現(xiàn)場(chǎng)中，大量測(cè)點(diǎn)不需要連續(xù)測(cè)量，而只需要定時(shí)檢查的場(chǎng)合?？纱蟠蠊?jié)省顯示儀表的數(shù)量。2一支熱電偶配用兩個(gè)電測(cè)儀表有時(shí)，需要將一支熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)輸?shù)絻蓚€(gè)顯示儀表上。（如：一個(gè)就地顯示，一個(gè)在控制室顯示）a如G1、G2均為動(dòng)圈儀表時(shí)，在這種情況下，由于I=I1+I2，所以輸入到每個(gè)動(dòng)圈儀表的電流均比總電流低。所以G1、G2讀數(shù)偏低，在測(cè)量中一般不宜采用。b如G1為電位差計(jì)，G2為動(dòng)圈儀表采用這樣測(cè)量方法，在穩(wěn)定時(shí)，I1=0,故電位差計(jì)G1的存在并不影響G2的指示值，但在調(diào)整電位差計(jì)過程中，由于,且在變化，因此要引起G2指針跳動(dòng)現(xiàn)象，從而造成讀數(shù)的不準(zhǔn)確，所以一定要待電位差計(jì)調(diào)整好后方可讀數(shù)。c如G1、G2均為電位差計(jì)由于在電位差計(jì)調(diào)整穩(wěn)定時(shí)，在測(cè)量回路中無電流流過，即I=I1=I2=0，故G1、G2彼此影響很小，其測(cè)量準(zhǔn)確度與一個(gè)二次儀表時(shí)相同。3熱電偶的并聯(lián)、串聯(lián)和反接a熱電偶并聯(lián)見圖為：三支同型號(hào)熱電偶的并聯(lián)線路輸入顯示儀表的毫伏值為三支熱電偶輸出熱電勢(shì)的平均值，即：E=(E1+E2+E3)/3。正極與正極，負(fù)極與負(fù)極分別連接在一起。如果n支熱電偶的熱電勢(shì)相差不多，且偶絲電阻相等，則并聯(lián)測(cè)量線路的總熱電勢(shì)等于n支熱電偶熱電勢(shì)的平均值。熱電勢(shì)小，但其相對(duì)誤差也小，僅為單支熱電偶的，且其中一支熱電偶斷路時(shí)，不影響整個(gè)系統(tǒng)工作。多用于溫場(chǎng)的平均溫度測(cè)量，或需準(zhǔn)確測(cè)量溫度場(chǎng)合。b熱電偶的串聯(lián)線路將n支熱電偶（同型號(hào)）依次按正、負(fù)極相連接的線路這可以得到較大的熱電勢(shì)，可提高測(cè)溫靈敏度顯示儀表的示值反映的是兩支熱電偶測(cè)量端溫度的總和：E＝E1+E2+E3多用于小溫差測(cè)量或需要較高靈敏度場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)大，測(cè)溫準(zhǔn)確度比單支熱電偶高，根據(jù)串聯(lián)原理，可制成熱電堆，可感受微弱信號(hào)，或相同條件下，可配用靈敏度較低顯示儀表。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)系統(tǒng)不能工作。c熱電偶反接將兩支同型號(hào)熱電偶反向連接可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的溫差，它也是要考慮參考端溫度一致，則輸入儀表電勢(shì)：熱電勢(shì)測(cè)量線路熱電偶輸出的信號(hào)是熱電勢(shì)，熱電勢(shì)大小需要通過測(cè)溫儀表來指示，從而反映出被測(cè)溫度的高低，熱電勢(shì)測(cè)量有下列幾種方法：1動(dòng)圈式儀表測(cè)熱電勢(shì)熱電勢(shì)與回路電流I關(guān)系其中——Re：線路總電阻，統(tǒng)一規(guī)定為15Ω，它包括導(dǎo)線電阻，熱電偶電阻，補(bǔ)償導(dǎo)線電阻和調(diào)整電阻Rc；Rs：動(dòng)圈儀表內(nèi)部串聯(lián)電阻，用來改變儀表量程；R：是電阻RB,RT,RD,RP的綜合，RT：熱敏電阻（68Ω，20℃，它與RB并聯(lián)，用來補(bǔ)償儀表動(dòng)圈電阻RD隨溫度的變化）；RD：儀表動(dòng)圈電阻；RPRB、RP、RS、RC為錳銅繞制，阻值不隨溫度的變化而變化。因?yàn)?，故：儀表表盤刻度可直接用溫度刻度冷端補(bǔ)償方法是：用冷端補(bǔ)償器的方法，如圖2-15，page272電位差計(jì)測(cè)電勢(shì)測(cè)量精度高，也就是有很高的準(zhǔn)確度？為什么？我們知道，再用電位差計(jì)測(cè)量時(shí)，有一個(gè)很重要的特點(diǎn)：讀數(shù)時(shí)通過熱電偶及其連接導(dǎo)線的電流為零，因而熱電偶及其連接導(dǎo)線的電阻即使有些變化，也不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。a直流電位差計(jì)采用把被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量比較后的差值調(diào)至零的零差測(cè)量方法原理圖，見書有三個(gè)回路，即工作電流回路I，標(biāo)準(zhǔn)回路II，測(cè)量回路III測(cè)量時(shí)，先把K鍵撥向“標(biāo)準(zhǔn)”位置，此時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)電池EN，標(biāo)準(zhǔn)電阻RN及檢流計(jì)G組成的校準(zhǔn)回路，開始工作，根據(jù)回路電壓定律：調(diào)節(jié)Rs改變工作回路電流I1，當(dāng)EN=I1*RN時(shí)，IN=0，即檢流計(jì)G指零。因?yàn)镋n，Rn幾乎不變，所以I1不變，這樣就將工作電流標(biāo)準(zhǔn)化然后，將K鍵撥向“測(cè)量”位置，由E,Rab，檢流計(jì)G組成的測(cè)量回路開始工作，同樣，由回路電壓方程：，其中Re為熱電偶及其連接導(dǎo)線的等效電阻調(diào)整電阻盤上用毫伏進(jìn)行刻度直接讀出熱電勢(shì)值b電子電位差計(jì)有多種功能：I具有較高精度；II能連續(xù)自動(dòng)記錄并自動(dòng)顯示被測(cè)溫度；III自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶參考端溫度；IV參數(shù)超限報(bào)警；V對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。原理與直流電位差計(jì)相似，與其不同的是：它用可逆電機(jī)及一套機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替人的手進(jìn)行電壓平衡操作；用放大器代替檢流計(jì)來檢查不平衡電壓，并控制電機(jī)可逆工作。恒值電流I通過滑線變阻，若RP上的分壓，則電子放大器的輸入偏差電壓，經(jīng)放大后有足夠的功率去驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)SM，使它根據(jù)或，作正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)帶動(dòng)RP上的滑動(dòng)點(diǎn)B作或左或右轉(zhuǎn)，直到Et和UAB相平衡。

第三節(jié)熱電阻測(cè)溫技術(shù)一般熱電偶在500℃以下工作時(shí)，熱電勢(shì)小，靈敏度較低，故目前在測(cè)量-200～600℃電阻溫度計(jì)特點(diǎn)：精度高，測(cè)量范圍廣，輸出信號(hào)大，靈敏度高，不需冷端。熱電阻測(cè)溫原理利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而改變的性質(zhì)，將電阻值的變化用二次儀表把它測(cè)量出來，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。即：通過測(cè)量電阻值大小來反應(yīng)溫度的高低，可見，電阻溫度計(jì)包括兩個(gè)部分：敏感元件熱電阻和測(cè)量電阻值變化的儀表。敏感元件（熱電阻）要求常用金屬和半導(dǎo)體材料制造，其材料應(yīng)滿足：a電阻溫度系數(shù)大且與溫度無關(guān)，才能保證其良好靈敏度和線性度金屬熱電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但不嚴(yán)重，尤其在較窄的溫度范圍內(nèi)，線性還是比較好的；半導(dǎo)體電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但嚴(yán)重，但在低溫時(shí)靈敏度高，電阻溫度系數(shù)大。b電阻率大由,ρ大，可使電阻體體積較小，因而熱慣性也較小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)快；c材料復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；d價(jià)格便宜根據(jù)熱電阻所用的材料，主要可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。金屬熱電阻溫度計(jì)電阻溫度系數(shù)：用溫度變化1℃時(shí)，金屬熱電阻值的相對(duì)變化量來描述，用α，單位：實(shí)際上，α表示了電阻溫度計(jì)的相對(duì)靈敏度，因?yàn)槭请娮璧南鄬?duì)變化量，而不是絕對(duì)變化量；金屬導(dǎo)體電阻一般是隨溫度的升高而升高的，大多數(shù)金屬當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，其阻值增加（0.4～0.6）％，即α，對(duì)于同一金屬材料α也可以不相同，其大小與該金屬純度有關(guān)，純度越高，α金屬熱電阻純度常用表示，：100℃時(shí)金屬熱電阻的阻值，：0℃時(shí)金屬熱電阻的阻值。越大，純度越高。1鉑熱電阻使用最廣泛的一種熱電阻。特點(diǎn)：a物理化學(xué)性能穩(wěn)定；b準(zhǔn)確度高；c穩(wěn)定性好；d性能可靠鉑電阻使用溫度范圍：-200℃～850在0～850℃，電阻與溫度關(guān)系：在-200～0℃，電阻與溫度關(guān)系：我國(guó)工業(yè)上使用的鉑電阻規(guī)定：目前，全國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)后，鉑電阻分度有三種，分別為：Pt50（R0=50Ω）；Pt100（R0=100Ω）；Pt300（R0=300Ω）選取R0數(shù)值大小的一般原則是從減小引出線和連接導(dǎo)線電阻變化所引起的測(cè)量誤差考慮。R0大，熱電阻引出線和連接導(dǎo)線的阻值可忽略，所以就希望R0大為好。R0小，測(cè)量時(shí)流過電阻體的電流加熱電阻絲所產(chǎn)生的熱量就小，這對(duì)減小熱容量和熱慣性，提高電阻對(duì)溫度的響應(yīng)速度有利，為此就希望R0小為好。因此在實(shí)際選用時(shí)必須綜合考慮。2銅熱電阻優(yōu)點(diǎn)：a價(jià)格便宜；b電阻溫度系數(shù)大；c易獲得高純度銅絲；d互換性好；e電阻溫度系數(shù)幾乎線性；缺點(diǎn)：電阻率小，易被氧化；使用溫度范圍：-50～150℃電阻與溫度關(guān)系：尤其在0～100℃范圍內(nèi)，可用，其中α0：銅電阻在0℃時(shí)的α，α0＝4.25×10-3目前我國(guó)工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻分度號(hào)，有兩種Cu50和Cu100；，3熱電阻結(jié)構(gòu)普通熱電阻，外形與熱電偶相似，主要由：保護(hù)套管，電阻體，骨架和引線等部件組成a電阻體也就是溫度敏感元件，其材料性能對(duì)傳感器的好壞有關(guān)鍵性的影響；b骨架作用是用來纏繞，支撐或固定熱電阻絲的支架對(duì)骨架材料要求：i絕緣性能好；ii比熱??；iii導(dǎo)熱系數(shù)大；iv物理化學(xué)性能穩(wěn)定；v膨脹系數(shù)??；vi有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。常用材料：云母，玻璃，石英，陶瓷，塑料等。c引線測(cè)量熱電阻所必需的但因其有一定的阻值，并隨溫度變化而變化，而且熱量通過引線也會(huì)造成損失，這些都會(huì)引起測(cè)量誤差。所以要求：i材料電阻溫度系數(shù)??；ii電阻率??；iii熱導(dǎo)率低；iv和電阻體接觸產(chǎn)生的熱電勢(shì)??；v化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；常用引線材料：鉑，金，銀銅絲等。d保護(hù)套管主要作用：使電阻體免受腐蝕和機(jī)械損傷鎧裝熱電阻將陶瓷或玻璃骨架上的感溫元件，裝入不銹鋼細(xì)管內(nèi)，其周圍用氧化鎂粉牢固充填；它的三根引線同保護(hù)管之間，以及引線相互之間要絕緣良好。優(yōu)點(diǎn)：a外徑??；b測(cè)溫響應(yīng)快；c抗震；d可撓；e使用方便；f使用壽命長(zhǎng)；半導(dǎo)體電阻溫度計(jì)（熱敏電阻）相比于金屬熱電阻具有如下優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)：1電阻溫度系數(shù)比金屬導(dǎo)體大，靈敏度高；2電阻率高（可制成極小的敏感元件，熱慣性小，且導(dǎo)線電阻的影響很小，特別適用于測(cè)量點(diǎn)溫度及動(dòng)態(tài)溫度）缺點(diǎn)：1線性及互換性差，測(cè)量范圍，僅為-50～3002性能不穩(wěn)定，測(cè)溫精度低不過，隨著半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體溫度計(jì)特性將會(huì)得到進(jìn)一步改善。測(cè)溫原理：半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，具有負(fù)的溫度系數(shù)。電阻與溫度系數(shù)，其中T――被測(cè)溫度，單位K；RT――溫度為T時(shí)的電阻值；A,B――常數(shù)，與溫度無關(guān)。一般是用鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等一些金屬氧化物做原料制成熱電阻測(cè)溫線路測(cè)量熱電阻阻值的常用儀表：直流電位差計(jì)，直流平衡電橋，動(dòng)圈式儀表，自動(dòng)平衡電橋及數(shù)字式儀表。下面主要介紹三種測(cè)量線路。1和直流電位差計(jì)配套線路圖如下圖所示，主回路：熱電阻Rt，標(biāo)準(zhǔn)熱電阻RN，可變電阻Rp，和具有穩(wěn)定電壓的電源E串聯(lián)成閉合回路。P是電位差計(jì)；K是切換開關(guān)；通過改變可變電阻Rp大小調(diào)節(jié)通過RN、Rt電流。首先，可用電位差計(jì)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓UN，從而得到回路中的電流強(qiáng)度I：然后，把切換開關(guān)反向接通，用電位差計(jì)測(cè)得熱電阻Rt兩端的電壓Ut，則，從而測(cè)得熱電阻阻值Rt。這種測(cè)量方法具有較高測(cè)量精度，為什么？由于測(cè)量時(shí)連接電位差計(jì)的導(dǎo)線內(nèi)無電流通過，熱電阻也不受連接導(dǎo)線電阻影響。2不平衡電橋――和動(dòng)圈式儀表配套測(cè)量原理圖不平衡電橋：由Rt、R1、R2、R3、R4和線路電阻ra、rb組成；其中Rt被測(cè)電阻。當(dāng)Rt變化時(shí)，電橋平衡被破壞，AB兩端會(huì)產(chǎn)生不平衡橋壓，會(huì)在動(dòng)圈中形成電流，使動(dòng)圈在磁場(chǎng)中受力而偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)指針在標(biāo)尺指示相應(yīng)的被測(cè)溫度。注意：采用XCZ－10Z動(dòng)圈式儀表測(cè)量熱電阻時(shí)，其連接線電阻必須嚴(yán)格控制，（一般有兩種規(guī)定：5Ω和10Ω）否則會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，所以無論在儀表與熱電阻之間采用二線制連接還是三線制，均要在每根導(dǎo)線上加上附加電阻Re，使其滿足規(guī)定要求，不允許在斷開熱電阻時(shí)接通儀表電源，否則會(huì)因電流過大而損壞儀表。3和平衡電橋配套是測(cè)量熱電阻最常用的方法二線制：其中：R2=R3用錳銅繞制（比例臂）；R1可變電阻（可變臂）；Rt：熱電阻；ra、rb：連接導(dǎo)線和引線電阻；G為檢流計(jì)；E為電池。當(dāng)電橋平衡時(shí)，檢流計(jì)中無電流通過，→。由于導(dǎo)線分布電阻ra、rb：會(huì)隨環(huán)境溫度變化；R1：可通過觸點(diǎn)位置讀數(shù)電阻值；Rt：即可求得→只與R1有關(guān)，可在R1上進(jìn)行電阻或溫度刻度。由于導(dǎo)線分布電ra、rb在同一橋臂上，當(dāng)環(huán)境溫度改變將引起ra、rb變化，無法精確測(cè)出Rt值，會(huì)給測(cè)量帶來較大的誤差。三線制：其中：R2=R3用錳銅繞制；R1可變電阻；Rt：熱電阻；ra、rb、rc：連接導(dǎo)線電阻（一般情況下，三根導(dǎo)線材料、直徑、長(zhǎng)度相同）；G為檢流計(jì)；E為電池。電橋平衡時(shí)，，且ra=rb，所以有Rt＝R1。由于ra=rb，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)兩橋臂阻值同方向、同增量變化，這樣有效地消除連接導(dǎo)線電阻的影響。使rc和ra、rb相等是為了避免差錯(cuò)，方便使用。

第五節(jié)溫度計(jì)的選擇，安裝，與標(biāo)定選擇必須根據(jù)被測(cè)對(duì)象的情況，測(cè)量的要求，被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，和周圍的環(huán)境來選擇。安裝低溫測(cè)量1測(cè)量壁面溫度時(shí)，保證溫度計(jì)與被測(cè)物體有良好的熱接觸2用熱電偶或熱電阻測(cè)溫時(shí)，通常是在被測(cè)物體上鉆出與溫度計(jì)相適應(yīng)的孔，將溫度計(jì)的測(cè)量端埋入孔內(nèi)，然后用低溫膠密封好；3低溫測(cè)量時(shí)，要考慮測(cè)量引線的傳熱給測(cè)量帶來的誤差靠近溫度計(jì)部分的引線，必須與被測(cè)物體達(dá)到同一溫度采取措施：a先把引線繞在比室溫低的一個(gè)金屬零件上，減少室溫引線漏熱b選擇細(xì)的，導(dǎo)熱性能差的材料作引線；c避免室溫對(duì)低溫溫度計(jì)的熱輻射，如加裝輻射屏標(biāo)定出廠前，安裝前，或經(jīng)過一段時(shí)間使用后，須對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。工業(yè)用溫度計(jì)的標(biāo)定方法主要有兩種：比較法，定點(diǎn)法。1比較法將具有高一級(jí)準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被標(biāo)定的溫度計(jì)都置于同一介質(zhì)中，比較二者的溫度測(cè)量指示值，確定被標(biāo)定溫度計(jì)的基本誤差。標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)：高溫時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；低溫時(shí)，用水銀溫度計(jì)；比較法標(biāo)定溫度計(jì)的基本要求：營(yíng)造一個(gè)均勻的溫度場(chǎng)（標(biāo)準(zhǔn)和被標(biāo)定可感受到同樣溫度），并具有足夠大小（由測(cè)溫元件產(chǎn)生導(dǎo)熱損失可忽略），那么如何去營(yíng)造一個(gè)均勻溫度場(chǎng)呢？a中、低溫液體槽（帶攪拌裝置）根據(jù)被標(biāo)定溫度計(jì)范圍不同，常用液槽有：液氮槽：檢定溫度可達(dá)-150酒精槽：利用固體CO2冷卻，可達(dá)-80水槽：用電加熱，可用于：1～100℃范圍油槽：用電加熱，可用于：80～300℃范圍b管式電爐常用在溫度大于400℃為了保證內(nèi)部溫度分布均勻，要求電爐：內(nèi)腔長(zhǎng)度與直徑之比至少是：20:1；在電爐內(nèi)管中心，放置一鎳金屬塊，然后在塊上鉆一孔，便于插入熱電偶。2定點(diǎn)法就是：用需檢定的溫度計(jì)測(cè)量某些固定點(diǎn)溫度（如：凝固點(diǎn)，沸點(diǎn)，三相點(diǎn)），求得讀數(shù)，再與這些固定點(diǎn)在國(guó)際溫標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，根據(jù)它們之間的差異程度評(píng)定其基本誤差大小，主要用以下幾個(gè)易獲得、常見的固定點(diǎn)：a沸點(diǎn)：水沸點(diǎn)，但同時(shí)測(cè)量當(dāng)?shù)卮髿鈮簲?shù)值，并據(jù)此進(jìn)行溫度指示值的修正；b凝固點(diǎn)：水冰點(diǎn)，受大氣壓影響非常小，但受純度影響。第三章壓力測(cè)量壓力的基本概念一.壓力定義：垂直作用在物體單位面積上的力，對(duì)應(yīng)物理學(xué)中的壓強(qiáng)。1法向壓力作用在一個(gè)定點(diǎn)上的壓力p是由垂直施加在以該點(diǎn)為中心的單位面積dA上的力確定的，即在連續(xù)介質(zhì)中，任取一個(gè)平面將介質(zhì)分成兩部分，所分成的兩部分介質(zhì)相互推擠時(shí)產(chǎn)生的法向應(yīng)力稱為壓力，整個(gè)作用在連續(xù)介質(zhì)上的力稱為全壓力，其中包括固體內(nèi)部的壓力，固體間接觸面的壓力，以及流體內(nèi)部的壓力。本書所研究的壓力是流體壓力。對(duì)于靜止的流體，任何一點(diǎn)的壓力與在該點(diǎn)所取的面的方向無關(guān)，在所有方向上壓力大小相等，這種具有各向同性的壓力稱為流體靜壓力；靜止流體中的壓力僅僅取決于流體所處的時(shí)間和空間的位置，是一標(biāo)量值，與所取的作用面方向無關(guān)。2運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)的壓力運(yùn)動(dòng)流體中，任何一點(diǎn)的壓力是所取平面方向的函數(shù)。當(dāng)所取平面的法向與流動(dòng)方向一致時(shí)，所得到的壓力最大，這個(gè)壓力最大值稱為該點(diǎn)的總壓力；當(dāng)二者方向垂直時(shí)，即作用在與流體流動(dòng)方向平行的面上的壓力稱為流體靜壓力，總壓力與靜壓力之差稱為動(dòng)壓力，而動(dòng)壓力是流速的函數(shù)。假定流體為無粘性的理想流體，并忽略流體的壓縮性，且流體成水平方向穩(wěn)定流動(dòng)，由流體能量守恒定律可知：常數(shù)式中，ps是靜壓；是動(dòng)壓；ρ是流體密度；c是流體速度。可見，當(dāng)流體沿水平方向穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，其靜壓力與動(dòng)壓之和沿著同一流線保持不變。對(duì)于實(shí)際流體，總壓力不可能保持常數(shù)，沿流動(dòng)方向逐漸減小，主要是由于有粘滯阻力引起的能量損失。二.壓力表示方法（不同場(chǎng)合采用不同的表示方法）絕對(duì)壓力；表壓力（壓力：表壓力為正；負(fù)壓力或真空：表壓力為負(fù)）；壓差。單位1工程大氣壓1工程大氣壓等于每平方厘米的面積上垂直并均勻分布著1千克力作用的壓力，千克力/厘米2或kgf/cm2；2物理大氣壓地球大氣圈內(nèi)的空氣柱因自重在地球表面上產(chǎn)生壓力，是一個(gè)隨時(shí)間、地點(diǎn)變化而變化的量，使用不方便。規(guī)定：1物理大氣壓等于0℃時(shí)，水銀密度為13.6g/cm3和重力加速度為9.80665m/s2時(shí)，高度為760毫米3mmHg4mmH2O在工程測(cè)量中，通入表的壓力為絕對(duì)壓力，而在壓力表上顯示的是表壓力。三.壓力分類根據(jù)壓力測(cè)量原理不同可分為三種：1重力與被測(cè)壓力平衡該方法是按照壓力的定義，通過直接測(cè)量單位面積所承受的垂直方向力的大小來檢測(cè)壓力，如液柱式壓力計(jì)；2彈性力與被測(cè)壓力平衡彈性元件感受壓力作用后會(huì)產(chǎn)生彈性變形，形成彈性力，當(dāng)彈性力與被測(cè)壓力平衡時(shí)，彈性元件變形多少則反映了被測(cè)壓力的大小，如彈性式壓力計(jì)；3利用物質(zhì)其它與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)測(cè)量壓力一些物質(zhì)受壓后，其某些物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量這種變化就能測(cè)量出壓力，如各種壓力傳感器（精度高，體積小，動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)）。從測(cè)量角度：可分為1靜定壓；2變動(dòng)壓（非周期連續(xù)變化<波動(dòng)壓力>；不連續(xù)且變化大<沖擊壓力>）；3脈動(dòng)壓（周期性變化）；

第二節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力測(cè)量一.測(cè)量的基本原理流體沿水平方向穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，其靜壓與動(dòng)壓之和沿流線不變，即常數(shù)；其中，p0是總壓力，或稱滯止壓力；ps：流體靜壓力。假如一物體處于流體中，它表面上某一點(diǎn)流體的靜壓力為ps1，速度c1，則：引入壓力系數(shù)，由流體力學(xué)可知，在任何被流體繞流的物體上，都存在流體速度為零的一些點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，這些點(diǎn)上的壓力稱為滯止壓力p0。，此時(shí)壓力系數(shù)Kp＝1；同樣，在被繞流物體表面上也存在流體的壓力等于流體靜壓力，即：ps1=ps，此時(shí)Kp＝0。對(duì)于圓柱形物體，當(dāng)，即圓柱表面的A點(diǎn)是臨界點(diǎn)；，但曲線斜率大，這一點(diǎn)Kp值不穩(wěn)定；，雖然，但卻是穩(wěn)定。對(duì)于球形物體，臨界點(diǎn)為處的點(diǎn)；當(dāng)，即：對(duì)于頭部為半球形的圓柱體，其臨界點(diǎn)位置與圓柱體和球體一樣，臨界點(diǎn)在x＝0的點(diǎn)，即在其端部；而Kp＝0的壓力分布的點(diǎn)在離半球端部3d處的圓柱表面上。流體靜壓測(cè)量及靜壓探針講述流體靜壓與流體速度有關(guān)，且流道橫截面上各點(diǎn)的流體靜壓是不相等的。由于在穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)流體中，靜壓與動(dòng)壓之和沿流線不變，而流體的動(dòng)壓是速度的函數(shù)，所以流體的靜壓也與流體的速度有關(guān)。由于流體在流道橫截面上的速度分布是非線性的，所以流道橫截面上各點(diǎn)的流體靜壓是不相等的。靜壓測(cè)量分兩種情況：a測(cè)量作用于流道壁面上的靜壓力；b測(cè)量流體中某一點(diǎn)的靜壓力。1對(duì)于流道壁面上的靜壓力測(cè)量可在流道壁面上開靜壓孔的方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)壓孔應(yīng)滿足下列條件：a測(cè)壓孔應(yīng)開在直線形管壁上；b軸線應(yīng)在壁面垂直（作用在與流體流動(dòng)方向平行的面上的壓力稱為靜壓力）；c直徑為0.5mm左右，最大不能超過1.5mm；d孔邊緣應(yīng)整齊，光潔（無毛刺，無倒角，保持尖銳等）。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，方便，對(duì)流體干擾小，具有較高精度。實(shí)際上，壁面孔必然對(duì)流過壁面的流體有些干擾，由此造成測(cè)量誤差，流體流經(jīng)孔口時(shí)，流線會(huì)向孔內(nèi)彎曲，并在孔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，從而引起靜壓測(cè)量的誤差，孔徑越大，流線彎曲越嚴(yán)重，因而誤差也越大，所以孔徑應(yīng)小一點(diǎn)，但孔徑小會(huì)使制造困難，使用時(shí)也容易被灰塵堵塞，會(huì)引起測(cè)量反應(yīng)遲緩，延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間。2流體中一點(diǎn)的靜壓力可用靜壓探針來測(cè)量，置于流體中，對(duì)流體干擾較大，為減小測(cè)量誤差，在滿足剛度要求前提下，希望它們幾何尺寸應(yīng)盡量小。要求探針在插入流體內(nèi)時(shí)應(yīng)與流線平行，且不改變測(cè)壓區(qū)的流線，對(duì)氣流方向變化盡量不敏感，靜壓孔的軸線應(yīng)垂直于氣流方向。下面介紹幾種常用的靜壓探針：aL形靜壓探針用細(xì)管彎成“L”形制成，頭部呈半球形，測(cè)壓孔應(yīng)開在什么地方呢？氣流流過靜壓管頭部獲得加速，靜壓降低；支桿對(duì)氣流有阻礙作用，流速降低，靜壓升高，在L型靜壓管頭部和支桿之間選擇適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置靜壓孔，可以得到接近真實(shí)靜壓的測(cè)量值。根據(jù)繞流原理，測(cè)壓孔應(yīng)開在距端部3倍管徑處的探針的側(cè)表面；測(cè)壓孔中心距支桿距離為8倍管徑?？梢姡撎结樚攸c(diǎn)：感受部分的軸向尺寸較大，對(duì)流體的方向變化不靈敏角較小。適用于流道尺寸較大，且旋流不大的場(chǎng)合，如：壓縮機(jī)進(jìn)、出口流體靜壓的測(cè)量。b圓柱形靜壓探針由一根圓柱形細(xì)管做成，根據(jù)繞流原理，測(cè)壓孔應(yīng)開在管子背向流體流動(dòng)方向的一面。在100°<α<270°范圍內(nèi)，測(cè)出靜壓ps保持不變；由于探針的軸線與流線垂直，因此對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)較大，又：我們從繞流物體上壓力分布曲線可見，其表面上沒有穩(wěn)定的壓力系數(shù)為零的點(diǎn)，只有近似等于零的點(diǎn)。所以用該探針測(cè)出的靜壓值誤差較大。c碟形靜壓探針優(yōu)點(diǎn)：其所獲得的測(cè)量值與流體在x-y平面內(nèi)的方向角α無關(guān)，所以該探針?biāo)鶞y(cè)的壓力值是各向同性的，也就是流體靜壓力；缺點(diǎn)：對(duì)流體在z軸上的方向變化角δ很敏感，要盡量保持碟盤與流線平面平行，所以對(duì)碟盤的加工精度要求很高，從而增加成本和加工難度。d導(dǎo)管式靜壓探針測(cè)壓孔開在一個(gè)導(dǎo)管上，相當(dāng)于將流體中某一點(diǎn)靜壓測(cè)量變成流道壁面上流體靜壓測(cè)量。缺點(diǎn)：導(dǎo)管加工精度高，工藝復(fù)雜，探針體積較大，應(yīng)用受到限制。e雙孔葉片形靜壓探針與碟形靜壓探針相似，與其不同之處在于它的兩個(gè)側(cè)面的中心各有一個(gè)測(cè)壓孔，每個(gè)測(cè)壓孔連接各自的壓力計(jì)（或壓力傳感器），當(dāng)兩個(gè)儀表給出同樣的示值時(shí)，認(rèn)定探頭在流體中定位良好。它的缺點(diǎn)：也是加工精度高，尺寸大，安裝要求嚴(yán)格f吉勒德－吉也納靜壓探針由一根頭部壓扁成二面角形的管子做成，二面角每個(gè)面上有一個(gè)測(cè)壓孔，原理近似于雙孔葉片形靜壓探針，與其相比好處是對(duì)流體方向角變化不敏感，因此測(cè)量較為準(zhǔn)確可靠。滯止壓力的測(cè)量及總壓探針1總壓探針的原理總壓物理意義：在沒有外功作用下，流體速度等熵地減速為零時(shí)所產(chǎn)生的壓力。測(cè)量總壓時(shí)，只要在氣流中放入一根管子，其孔口軸線必須對(duì)準(zhǔn)氣流方向，孔口必須無毛刺，表面光滑（減少摩擦損失），然后管子與壓力指示表連通。當(dāng)氣流進(jìn)入管孔后，被滯止下來，壓力指示器所指示的壓力即為管孔口局部處的總壓，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于通道及管道中氣流的運(yùn)動(dòng)情況很復(fù)雜，氣流方向往往不可能確切知道，而且隨著工況變化，氣流方向變化較大，即使知道氣流方向，要保證總壓管軸線對(duì)準(zhǔn)氣流方向，對(duì)安裝的要求要提高，因此，實(shí)用上希望總壓管對(duì)氣流方向有一定不敏感性，也就是說，總壓管孔口軸線對(duì)氣流方向雖然偏離了一定角度，還能夠正確地感受到總壓。由繞流理論可知，流體中某一點(diǎn)的總壓等于流體中被繞流物體上臨界點(diǎn)的滯止壓力。2總壓探針類型aL形總壓探針形式與“靜壓探針”一樣，區(qū)別在于測(cè)壓孔的位置不同總壓探針測(cè)壓孔是開在探針的端部，正對(duì)流體流動(dòng)方向上。它對(duì)于流向偏斜角的靈敏度主要由：探針端部的形狀，以及管子外徑d1/測(cè)壓孔徑d2決定。對(duì)于端部為半球形，d2/d1＝0.3的總壓探針，其α角不靈敏度在范圍內(nèi)。補(bǔ)充：選用總壓管，要根據(jù)氣流的速度范圍，流道的條件，和對(duì)氣流方向不敏感性，決定所用總壓管的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)具有較小的尺寸，減小對(duì)流場(chǎng)干擾。b圓柱形總壓探針結(jié)構(gòu)示意圖見書page62圖3-11其測(cè)壓孔開在正對(duì)流向的側(cè)面上。它對(duì)流體偏斜不靈敏度角α隨增加而增加特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，體積小，便于安裝。c套管式總壓探針在套管內(nèi)腔有一個(gè)進(jìn)口收斂器和流導(dǎo)管，使得套管內(nèi)流體的方向能保持不變。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)流體偏斜角αδ的不靈敏度范圍增大缺點(diǎn)：加工精度高，尺寸較大，安裝，使用受到一定限制。壓力探針的測(cè)量誤差分析1探針對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)為減少它對(duì)氣流擾動(dòng)，應(yīng)將探針的尺寸做的足夠小。2測(cè)壓孔對(duì)測(cè)量值的影響測(cè)壓孔的不規(guī)則，孔的軸線與流線不垂直，孔徑過大等都會(huì)導(dǎo)致靜壓測(cè)量誤差原因：流體經(jīng)過測(cè)壓孔時(shí)，流線要發(fā)生彎曲，流線沉到孔里產(chǎn)生離心力場(chǎng)，并增加了孔的壓力，而使所測(cè)得的壓力超過流體的靜壓力。靜壓孔過小易堵塞，過大會(huì)增加由速度頭引起的誤差，一般為0.5～1mm。3Re對(duì)測(cè)量值的影響Re>30時(shí)可忽略。4速度梯度對(duì)測(cè)量值影響

第三節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力指示儀表這里主要介紹兩種壓力指示儀表液柱式壓力計(jì)利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力平衡，并根據(jù)液柱高度來確定被測(cè)壓力大小的壓力計(jì)所用液體，常用的有：酒精、水、水銀（封液）常用的結(jié)構(gòu)形式：U型管壓力計(jì)單管壓力計(jì)和斜管微壓計(jì)誤差分析：1環(huán)境溫度變化影響2重力加速度變化修正3毛細(xì)現(xiàn)象造成誤差二.彈性式壓力計(jì)利用各種型式的彈性元件作為敏感元件來感受壓力，并且以彈性元件受壓變形后發(fā)生的反作用力與被測(cè)壓力相平衡的原理制成的。1彈簧管式壓力計(jì)主要由：彈簧管，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，指針，刻度盤組成。彈簧管：又稱波登管，是一根一端固定的C形橢圓截面的空心管子，其自由端是封閉的，固定端焊在儀表的外殼上，并與管接頭相通。當(dāng)將壓力通入彈簧管內(nèi)腔時(shí)，在壓力作用下它會(huì)發(fā)生變形，由于短軸要變長(zhǎng)，長(zhǎng)軸要變短些，管子截面趨于圓形，產(chǎn)生彈性變形，結(jié)果使波登管伸展，自由端產(chǎn)生位移，借助拉桿，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使固定在齒輪上的指針旋轉(zhuǎn)。從而指示出被測(cè)壓力值。單圈彈簧管自由端的位移量不會(huì)太大，為了提高彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用盤旋形彈簧管或螺旋形彈簧管。使用彈簧管壓力計(jì)注意事項(xiàng)：a選用i儀表應(yīng)工作在正常允許范圍內(nèi)，靜壓力下不應(yīng)超過測(cè)量上限值的70％，波動(dòng)壓力下，60％；ii工業(yè)用壓力表應(yīng)在環(huán)溫為-40～60℃iii如測(cè)量有爆炸、腐蝕、有毒的氣體的壓力時(shí)，應(yīng)使用特殊的儀表；b使用i在振動(dòng)情況下，使用儀表時(shí)，要裝減震裝置；ii測(cè)量結(jié)晶或粘度較大的介質(zhì)時(shí)，要加裝隔離器；iii儀表必須定期校驗(yàn)，合格的表才能使用；c安裝i儀表安裝處與測(cè)定點(diǎn)間的距離應(yīng)盡量短，以免指示遲緩；ii儀表必須垂直安裝，防止泄漏；iii儀表的測(cè)定點(diǎn)與儀表安裝處應(yīng)處于同一水平位置上，否則將產(chǎn)生附加高度誤差，必要時(shí)須加修正值。2膜片式壓力計(jì)利用金屬膜片作為感壓元件制成的。膜片：圓形薄片，四周固定；當(dāng)膜片兩側(cè)面受到不同壓力時(shí)，膜片中部將產(chǎn)生變形，彎向壓力低的一面，使中心產(chǎn)生一定的位移，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使指針轉(zhuǎn)動(dòng)。分為：平面膜片和波紋膜片，波紋膜片靈敏度較高用途：一般可用于測(cè)量腐蝕性介質(zhì)或粘性介質(zhì)的壓力。3膜盒式壓力計(jì)用兩個(gè)金屬膜片相對(duì)焊接而制成的與膜片相比，可增加中心位移量，提高靈敏度，其靈敏度是單個(gè)膜片的兩倍若想進(jìn)一步提高靈敏度，可用多個(gè)膜盒串聯(lián)組合制成多膜盒式壓力計(jì)用途：常用于測(cè)量氣體的微壓和負(fù)壓測(cè)量范圍：4波紋管式壓力計(jì)用波紋管作為感壓元件工作原理：在壓力或軸向力的作用下，波紋管將伸長(zhǎng)或縮短，由于它在軸向容易變形，所以通常以其軸向位移量作為其輸出量，當(dāng)波紋管在用作壓力敏感元件時(shí)，將波紋管開口的一個(gè)端面焊接在固定的基座上，壓力由此傳至管內(nèi)，在壓力差作用下，壓力由開口處導(dǎo)入波紋管的內(nèi)腔，在波紋管內(nèi)外壓力差作用下，波紋管伸長(zhǎng)或壓縮，管的自由端產(chǎn)生位移，通過傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，使指針在刻度盤上偏轉(zhuǎn)，它受壓時(shí)線性輸出范圍比受拉時(shí)大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。波紋管：一種表面上有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，分為單層和多層兩種。由于波紋管在軸向容易變形，靈敏度較高，在測(cè)量低壓時(shí)比彈簧管和膜片靈敏得多。缺點(diǎn)：遲滯誤差大5彈性壓力計(jì)誤差及改善途徑由于環(huán)境的影響，儀表的結(jié)構(gòu)，加工和彈性材料性能的不完善，會(huì)給壓力測(cè)量帶來各種誤差。1）相通壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產(chǎn)生遲滯誤差；2）彈性元件的變形落后于被測(cè)壓力變化，引起彈性后效誤差；3）儀表各種活動(dòng)部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對(duì)應(yīng)，引起間隙誤差；4）儀表活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互間有摩擦力，產(chǎn)生摩擦誤差；5）環(huán)境溫度改變會(huì)引起金屬材料彈性模量變化，造成溫度誤差。主要途徑：1）采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料，和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件；2）采用新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和摩擦誤差，如：電阻應(yīng)變技術(shù)。

第四節(jié)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量對(duì)于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量，通常是用壓力傳感器，將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)來進(jìn)行測(cè)量。常用壓力傳感器有：電阻式傳感器基本原理是利用電阻元件，把被測(cè)量（如：壓力）的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，通過測(cè)量電阻的變化來確定被測(cè)量值。分類根據(jù)電阻變化方式的不同，可分：壓阻式：改變導(dǎo)體的內(nèi)部接觸電阻；應(yīng)變式：改變導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部應(yīng)力；變阻式：改變導(dǎo)體的長(zhǎng)度；熱敏電阻式：由于溫度變化引起電阻變化。如：應(yīng)變式、壓電式，壓阻式等。電感式傳感器電容式傳感器下面主要介紹各種傳感器原理，結(jié)構(gòu)，及性能。應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變效應(yīng)原理：主要由彈性元件和應(yīng)變片組成，通過粘結(jié)在彈性元件上的應(yīng)變式的阻值變化來反映被測(cè)壓力值（“應(yīng)變效應(yīng)”）。由物理學(xué)有：全微分：兩邊除以R：由材料力學(xué)有：叫軸向應(yīng)變，簡(jiǎn)稱應(yīng)變叫橫向應(yīng)變二者關(guān)系：（μ為泊松系數(shù)）而對(duì)于電阻率ρ，它的變化是由壓阻效應(yīng)引起的，和應(yīng)力F之間的關(guān)系：（為壓阻系數(shù)）由材料力學(xué)虎克定律可知應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系：（E為彈性模量）綜合上述幾式，則（1）式變成，令：則：（k稱為應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)）對(duì)于金屬：k＝1~2；對(duì)于半導(dǎo)體：k＝60～170可見，半導(dǎo)體靈敏度較高，但由于它受溫度變化影響較大，性能不穩(wěn)定。所以一般還是采用金屬材料制作應(yīng)變片。只要測(cè)量出應(yīng)變片電阻值的相對(duì)變化，就可以直接知其應(yīng)變量，進(jìn)而求得被測(cè)壓力。結(jié)構(gòu)及其性能：應(yīng)變片由應(yīng)變敏感元件、基片（用來固定和保護(hù)應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變、電氣絕緣等作用）和覆蓋層，引出線等三部分組成。核心元件（敏感元件），根據(jù)其不同型式，可為：絲式應(yīng)變片，箔式應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片。1絲式用于制作應(yīng)變片金屬材料，有：康銅、鎳鉻合金，鐵鎳合金，鉑銥合金等；2箔式具有工作電流大，散熱好，壽命長(zhǎng)，易成批生產(chǎn)；3半導(dǎo)體靈敏度系數(shù)比金屬大幾十倍，體積小，機(jī)械滯后小，熱穩(wěn)定性差，應(yīng)變較大時(shí)非線性嚴(yán)重。應(yīng)變片溫度誤差及其補(bǔ)償應(yīng)變片的電阻變化受溫度影響很大，動(dòng)態(tài)測(cè)量中，若不排除這種影響，勢(shì)必給測(cè)量帶來很大的誤差，應(yīng)變片溫度誤差（熱輸出）。誤差產(chǎn)生原因：1敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化而變化（電阻溫度效應(yīng)）；2應(yīng)變片材料和試件材料的線膨脹系數(shù)不一樣，產(chǎn)生附加變形，造成電阻變化；誤差補(bǔ)償方法：1線路補(bǔ)償法a電橋補(bǔ)償法（最好的和最常用的方法）假設(shè)R1貼在試件或彈性元件上的工作應(yīng)變片的電阻；R2為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的電阻，貼在不承受應(yīng)變，但處于R1相同的溫度場(chǎng)中的區(qū)域（補(bǔ)償件）由于溫度補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片的材料相同，電阻值相同，所以溫度變化時(shí)，工作應(yīng)變片與溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的電阻變化量相同，即：。因此，當(dāng)溫度變化時(shí)，對(duì)電橋輸出沒有影響，達(dá)到溫度補(bǔ)償目的。b不用補(bǔ)償件而將測(cè)試片和補(bǔ)償片貼于試件不同部位，這樣既可以提高靈敏度，又可以起到溫度補(bǔ)償作用，當(dāng)試件變形時(shí)，測(cè)試片和補(bǔ)償片電阻將一增一減，電橋輸出電壓增加1倍，從而提高靈敏度。2溫度自補(bǔ)償為了解決線路補(bǔ)償法無法解決的困難，發(fā)展了一種自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片，稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。設(shè)電阻絲的溫度系數(shù)是α，環(huán)境溫度的變化值是Δt，則電阻絲的電阻變化量是；又設(shè)試件或彈性元件的線膨脹系數(shù)為β1，電阻絲的線膨脹系數(shù)為β2，當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，電阻絲電阻的變化值為由：當(dāng)工作應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)滿足：可使其溫度變化而產(chǎn)生電阻變化為零。可見，只要適當(dāng)選擇應(yīng)變片敏感柵材料，便可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。我們就把這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。測(cè)量電路由于電阻應(yīng)變片把機(jī)械量變換成為電阻變化，但電阻變化值很小，難以用一般的電阻測(cè)量?jī)x表檢測(cè)，通常將它轉(zhuǎn)換成電壓變化進(jìn)行測(cè)量，常用測(cè)量電路：惠斯登電橋1電橋通常采用惠斯登電橋，它是測(cè)量應(yīng)變片電阻變化的基本測(cè)量電路，是應(yīng)變儀的重要組成部分。它把應(yīng)變片微小的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化以供給放大器進(jìn)行放大。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，準(zhǔn)確性好。2放大器電橋輸出的信號(hào)非常微弱，一般在幾十微伏至幾毫伏之間，必須經(jīng)過放大器放大后才能進(jìn)行指示或記錄。3振蕩器其功能是為電橋提供一定頻率的正弦波交流電，以作為供橋電源，同時(shí)，也為相敏檢波器提供參考電壓。4相敏檢波器和濾波器由于應(yīng)變儀采用了交流供橋載波放大的工作形式，經(jīng)放大輸出后是一個(gè)經(jīng)過調(diào)制的調(diào)幅波，而不是被測(cè)應(yīng)變信號(hào)的原型，因此必須進(jìn)行解調(diào)。首先經(jīng)過相敏檢波器得到包絡(luò)線與信號(hào)波形規(guī)律一致，但仍含有載波頻等高頻成分的波形，然后再經(jīng)過低通濾波器去高頻成分，即得到信號(hào)波形的原型。壓電式壓力傳感器1工作原理：基于某些材料壓電效應(yīng)，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷積聚，從而實(shí)現(xiàn)力-電荷轉(zhuǎn)換，是一種有源傳感器，具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于位移、加速度、力、壓力等動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量。壓電效應(yīng)：（順向）對(duì)于某些電極化晶體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫蚶Χ蛊渥冃螘r(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，會(huì)引起該物質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，電荷量大小與所施加壓力或拉力成正比。當(dāng)除去外力后，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料主要有兩大類：一類是：?jiǎn)尉w的壓電晶體，包括：石英，酒石酸鉀鈉等；另一類是：多晶體的壓電陶瓷，包括：鈦酸鋇，鈦酸鉛等；2結(jié)構(gòu)及性能結(jié)構(gòu)：由感壓彈性膜片、支持片、壓電晶體及引出線，絕緣套管等組成。被測(cè)壓力通過感壓膜片，支持片加到壓電晶體上，壓電晶體產(chǎn)生的電荷由壓在壓電晶體間的金屬箔導(dǎo)出。電介質(zhì)是否具有壓電效應(yīng)，主要決定于它的分子結(jié)構(gòu)。如果沿機(jī)械軸Y軸方向施加壓力，此時(shí)在施加壓力的平面不會(huì)出現(xiàn)電荷，電荷卻仍然出現(xiàn)在垂直x軸的平面上，只是這時(shí)的電荷正負(fù)正好與直接沿x軸方向加壓的符號(hào)相反，沿z軸方向加壓不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3壓電式壓力傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器由于壓電材料本身的特性，因此它本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量很微弱，因此，使用壓電傳感器對(duì)它的負(fù)載電阻RL應(yīng)有很大的數(shù)值。補(bǔ)：壓電式傳感器等效電路當(dāng)壓電式傳感器表面積聚電荷時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，也可以等效于一個(gè)電壓源。只有外電路（負(fù)載RL）無窮大，內(nèi)部無漏電時(shí)，受力所產(chǎn)生的電壓U才能長(zhǎng)期保存下來，所以在配壓電式壓力傳感器時(shí)，測(cè)量電路必須是一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器（或通常是將導(dǎo)體傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，然后方可采用一般的放大、檢波、指示。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：1把壓電傳感器的輸出的微弱信號(hào)加以放大；2把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出；電荷放大器：輸出電壓與輸入電荷成正比。電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器是利用線圈的自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的一種傳感器。以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用磁性材料和空氣的導(dǎo)磁率不同，把彈性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變化或互感