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1、材料学全套课程教学课件材料学全套课程教学课件 1.1 材料成型工艺材料成型工艺 2 通常分为冷加工、热加工成型两大类 冷加工：切削加工，如：车削、刨削、磨削等 热加工：铸造（或液态成形）、锻压（挤压）、 焊接、粉末冶金等 1.2 热加工成型工艺（主要介绍）热加工成型工艺（主要介绍） 3 铸造： 将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固，从而 形成铸件的热加工工艺 液态成型液态成型。 焊接： 是用加热或加压，或者两者并用，使两个分离 表面产生原子结合和扩散作用，从而形成不可 拆卸接头的加工工艺 连接成型连接成型。 锻压： 固体材料在外力作用下，发生永久变形而不破 坏其完整性的能力，使金属在外力作用下成

2、型 的一种加工方法 挤压或塑性成型。挤压或塑性成型。 1.3. 课程的内容课程的内容 4 何为材料加工中检测（检测什么？） 内部质量检测（组织与性能） 外部质量检测（外形尺寸等） 何为材料加工中控制（控制什么？） 成型工艺及过程的控制：如温度等 1.4 常见检测和控制的物理量常见检测和控制的物理量 5 1.温度的检测与控制； 2.位移、速度及加速度的检测与控制； 3.应力与应变的测量； 4.力学性能； 5.电流、电压等工艺参数的检测与控制； 6.位置检测及运动控制。 7.其他测试：微观组织分析，无损检测等。 1.5 检测参量及装置的特性检测参量及装置的特性 6 1.被测参量 被测参量的特性主要

3、是：物理特性、量值特性、 时变特性。 解决的方法：频谱分析（用数学解析法） 2.测量装置的特性 （1）静态特性：灵敏度、线性度、迟滞、重 复性。 （2）动态特性：常用频率域的描述方法 第第1 1节节 传感器传感器 7 引言引言 8 检 测 参 数 电量电量 非电量非电量 PH、温度、加速度等 材料成形过程中检测参数 9 温度的测量 PH值的测量 早期非电量测量早期非电量测量主要采用非电的技术手段主要采用非电的技术手段 10 非电技术的缺点非电技术的缺点 测量准度不高测量准度不高 测量速度不快测量速度不快 自动化程度不高自动化程度不高 1.1 传感器的定义传感器的定义 11 在非电量测量中，在非

4、电量测量中，传感器传感器是将被测非电量信号转换为与是将被测非电量信号转换为与 之有确定对应关系电量输出的器件或装置。之有确定对应关系电量输出的器件或装置。 非电量非电量 电量电量 传感器传感器 1.2 传感器的地位和作用传感器的地位和作用 12 地位地位：传感器是科学仪器等测量系统、自动控制系统：传感器是科学仪器等测量系统、自动控制系统 中信息获取的中信息获取的首要环节和关键技术首要环节和关键技术。 作用作用：传感器的作用就是：传感器的作用就是测量。测量。 1.3 传感器的组成传感器的组成 13 核心：敏感元件核心：敏感元件。它是研究、设计、制作传感器的关键，。它是研究、设计、制作传感器的关键

5、， 更是我们学习的重点。更是我们学习的重点。 传感器由传感器由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件、基本转换电路基本转换电路三部分三部分 组成。组成。 电量电量 传感器组成传感器组成 1.4 传感器的分类传感器的分类 14 接触类型接触类型 工作原理工作原理 输入物理量输入物理量 分类分类 标准标准 输出信号性质输出信号性质 15 1. 1. 输入物理量输入物理量 输入物理量又可以分为输入物理量又可以分为基本物理量基本物理量（例：力）和（例：力）和派生派生 物理量物理量（例：压力、拉力）。（例：压力、拉力）。 如：位移、力、力矩、速度、加速度等传感器如：位移、力、力矩、速度、加速度等传感器 2.

6、 2. 接触类型接触类型 依据测量时是否与被测对象接触，可分为依据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式和非接触式和非 接触式传感器接触式传感器。 如：超声波、光、热辐射、力、力矩等传感器如：超声波、光、热辐射、力、力矩等传感器 16 3. 3. 输出信号性质输出信号性质 可分为模拟式和数字传感器。可分为模拟式和数字传感器。 如：地磅模拟传感器、编码器、光栅数字传感器。如：地磅模拟传感器、编码器、光栅数字传感器。 4. 4. 工作原理工作原理 依据测量时所发生的各种物理、化学原理、规律和效依据测量时所发生的各种物理、化学原理、规律和效 应进行分类。应进行分类。 如：压电式、热电式、光电式等传感

7、器如：压电式、热电式、光电式等传感器 1.5 传感器的应用领域和需求量传感器的应用领域和需求量 17 1.足够的容量足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有 一定的过载能力。 2.灵敏度高，精度适当灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测信号 成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态 响应与动态响应的准确度能满足要求。 3.响应速度快，工作稳定，可靠性好。响应速度快，工作稳定，可靠性好。 4.使用性和适应性强使用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小， 对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰 的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。 5.使用经济使用

8、经济成本低，寿命长，且便于使用、维修和校 准。 1.6 传感器的一般要求传感器的一般要求 18 1.7 传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势 1.向检测范围挑战。向检测范围挑战。 2.集成化，多功能化。集成化，多功能化。 3.向未开发的领域挑战向未开发的领域挑战生物传感器。生物传感器。 4.智能传感器智能传感器 19 第第2 2节节 热电式传感器热电式传感器 20 2.1 热电式传感器的定义及分类热电式传感器的定义及分类 21 1.定义定义 热电式传感器是工程上应用最广泛的热电式传感器是工程上应用最广泛的温度温度传感器，传感器， 它是一种将它是一种将温度温度转化为转化为电阻、磁导或电动势电

9、阻、磁导或电动势等电量等电量 的元件。的元件。 2.分类分类 将温度转换为电动势的热电式传感器叫将温度转换为电动势的热电式传感器叫热电偶热电偶； 将温度转换为金属电阻的热电式传感器叫将温度转换为金属电阻的热电式传感器叫热电阻热电阻， 将温度转换为半导体电阻的传感器称将温度转换为半导体电阻的传感器称热敏电阻热敏电阻。 2.2 热电偶热电偶 22 热电偶热电偶是利用是利用热电效应热电效应将温度转化为电信号的装置。将温度转化为电信号的装置。 热电效应：热电效应：将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个串接成一个闭合回闭合回 路路，当两个，当两个节点温度不同时节点温度不同时，

10、在回路中就会产生热电势，在回路中就会产生热电势， 形成电流，此现象称为形成电流，此现象称为热电效应热电效应。通常把两种不同金属的。通常把两种不同金属的 这种组合称为这种组合称为热电偶热电偶。在闭合回路中，在闭合回路中，A、B导体称为热导体称为热 电极。电极。T端结点称为工作端或热端；端结点称为工作端或热端；T0端结点称为冷端或端结点称为冷端或 自由端。自由端。 2.2.1 2.2.1 热电偶工作原理热电偶工作原理 热电势由导体中的热电势由导体中的接触电势接触电势和和温差电势温差电势决定决定。 23 1 1）接触电动势）接触电动势 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电两种不同的金属互相

11、接触时，由于不同金属内自由电 子的密度不同，在两金属子的密度不同，在两金属A A和和B B的接触点处会发生自由的接触点处会发生自由 电子的电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金属。自由电子将从密度大的金属A A扩散扩散 到密度小的金属到密度小的金属B B，使使A A失去电子带正电失去电子带正电，B B得到电子得到电子 带负电带负电，从而产生接触，从而产生接触热电势热电势。 Na Nb eAB(T) ( )ln A AB B NkT eT eN k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， T接触处的温度 NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。 24 T0 A B T ( )ln A AB B

12、NkT eT eN 0 0 ()ln A AB B kTN eT eN 热电偶示意图 25 2 2）温差电势）温差电势 因导体两端温度不同而产生的电动势称为因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势温差电势。由于温度梯度的。由于温度梯度的 存在，改变了电子的能量分布，高温（存在，改变了电子的能量分布，高温（T T）端电子将向低温端（）端电子将向低温端（T T0 0）扩散，）扩散， 致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导 体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散体两端也产生电位差，

13、并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散 形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势汤姆逊电势，它与温度，它与温度 的关系为的关系为 A B T T0 式中为汤姆逊系数，表示温差1所产生的电动势值，其 大小与材料性质及两端的温度有关。 0 0 (T,T ) A T T edT T T0 26 对于已选定的热电偶，当对于已选定的热电偶，当T T0固定固定时，总热电动势就变成测时，总热电动势就变成测 量端量端温度温度T T的单值函数的单值函数，即，即E EAB AB( ( , ,T T0 0)=)=f f( (T T) )。这就是热电偶。

14、这就是热电偶 测量温度的基本原理测量温度的基本原理。 导体导体A和和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触两个接触 电势电势eAB(T)与与eAB(T0)，又因为，又因为TT0，在导体，在导体A和和B中还中还各有各有 一个温差电势一个温差电势。所以闭合回路总热电动势。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为应为接触接触 电动势和温差电势的代数和电动势和温差电势的代数和，即：，即： dT T T A 0 dT T T B 0 0 () AB eT() AB eT A B + _ _ + + _ _ + T0 T 3 3）热电偶回路中总电势）热电偶回路中

15、总电势 0000 ,ee( ,)( ,) ABABABBA ET TTTe T Te T T 2.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律 27 1）只有）只有化学成分不同化学成分不同的两种金属材料组成的热电的两种金属材料组成的热电 偶，偶，且两端点间的温度不同时，热电势才会产生且两端点间的温度不同时，热电势才会产生。 热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关， 而与形状、大小无关。而与形状、大小无关。 2）化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个）化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个 接点的温度不同，回路的总热电势也等于零。应用接点的温度不同

16、，回路的总热电势也等于零。应用 这一定率可以判断两种金属是否相同这一定率可以判断两种金属是否相同。 0 0 0 ,()ln T A ABAB T B kN ET TTTdT eN 0000 ,ee( ,)( ,) ABABABBA ET TTTe T Te T T 28 T T0 V 3）热电偶回路中各节点温度相同，）热电偶回路中各节点温度相同，回路的总电动势回路的总电动势 为零为零。 4）在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其）在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其 两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回 路的总热电动势。路的总热

17、电动势。中间导体定律。中间导体定律。 29 中间导体定律证明中间导体定律证明 T T0 B A C 000 00000 0 0000 000 00000 ( ,)( )()()( ,)( ,) 0()()()(,)(,) ()()() ()( )()( ,)( ,)( ,) BABCABACBCA BABCABACBCA ABACBC BABCABABAAB ET TeTeTeTe T Te T T TT EeTeTeTe T Te T T eTeTeT ETeTeTe T Te T TET T 当 代入 30 根据中间导体定律：可以将第三根导线换成测试仪表或连接根据中间导体定律：可以将第三根

18、导线换成测试仪表或连接 导线，只要导线，只要保持两结点温度相同保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量，就可以对热电势进行测量 而不影响原热电动势的数值。同理而不影响原热电动势的数值。同理, , 加入第四、第五种导体加入第四、第五种导体 后后, ,只要加入的导体两端温度相等，同样不影响回路中的总只要加入的导体两端温度相等，同样不影响回路中的总 热电势。热电势。 5）如果两种导体分别于第三种导体组成的热电偶所产生的热如果两种导体分别于第三种导体组成的热电偶所产生的热 电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电动势也已知。电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电动势也已知。 参考电极定律参考电极定律

19、),(),(),( 000 TTETTETTE CBACAB A B T T0 = A C T T0 + C B T T0 31 ),(),(),( 000 TTETTETTE CBACAB 参考电极定律证明 0 0 0 0 0000 0 0000 0 00 ( ,)( )()( ,)( ,)()ln ( ,)( )()( ,)( ,)()ln ( ,)( ,)()ln. ( T A ACACACACAC T C T C CBCBCBCBCB T B T AC ACCBACCB T CB kN ET TeTeTe T Te T TTTdT eN kN ET TeTeTe T Te T TTTd

20、T eN kNN ET TET TTTdT eNN k e 0 0 B0 )ln ( ,) T A AB T B A N TTdT N ET T 32 6）中间温度定律中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为 t1、t2时,则其热电势为EAB(t1, t2)；当接点温度为t2、t3时，其热 电势为EAB(t2, t3)；当接点温度为t1、t3时，其热电势为EAB(t1, t3)，则 ),(),(),( 322131 ttEttEttE ABABAB 1 t 2 t 3 t 1 t 3 t A B 若t2=0,则： )0 ,()0 ,( ), 0()0 ,(), 31

21、 3131 tEtE tEtEttE ABAB ABABAB （ 它是制定热电偶分度表的理论基础它是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶的分度表都热电偶的分度表都 是以冷端为是以冷端为0 时作出的时作出的。根据这一定律根据这一定律，只要给出自只要给出自 由端由端0时的热电势和温度关系时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意就可求出冷端为任意 温度的热电偶电动势温度的热电偶电动势。 33 2.2.3 热电偶的类型热电偶的类型 34 1 1. .标准化热电偶和分度表标准化热电偶和分度表 为了准确可靠地进行温度测量为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料必须对热电偶组成材料 严格选择严格选择。

22、 常用的常用的4种标准化热电偶丝材料为种标准化热电偶丝材料为： 铂铑铂铑30铂铑铂铑6、 铂铑铂铑10铂铂、 镍铬镍硅镍铬镍硅、 镍铬铜镍镍铬铜镍（我国通常称为镍铬康铜我国通常称为镍铬康铜）。 组成热电偶的两种材料组成热电偶的两种材料，写在前面的为写在前面的为正极正极，写在后面的写在后面的 为为负极负极。数字数字表示百分含量表示百分含量。 例如：铂铑例如：铂铑10铂铂（正极由质量分数为正极由质量分数为90的铂和质量分数的铂和质量分数 为为10的铑冶炼而成的铑冶炼而成，负极为铂丝负极为铂丝） 35 热电偶的热电动势与温度的关系表热电偶的热电动势与温度的关系表，称之为称之为分度表分度表。 热电偶热

23、电偶（包括后面要介绍的金属热电阻及测量仪表包括后面要介绍的金属热电阻及测量仪表）分分 度表是度表是IEC（国际电工委员会国际电工委员会）发表的相关技术标准发表的相关技术标准（国国 际温标际温标）。 该标准以表格的形式规定各种热电偶该标准以表格的形式规定各种热电偶/阻在阻在-271 2300每一个温度点上的输出电动势每一个温度点上的输出电动势（参考端温度为参考端温度为 0）， 各种热电偶各种热电偶/阻命名统一代号阻命名统一代号，称为分度号称为分度号。 2 2几种常见标准化热电偶性能几种常见标准化热电偶性能 1 1）铂铂铂铑热电偶铂铑热电偶(S(S型型) ) 分度号分度号LBLB3 3 工业用热电

24、偶丝：工业用热电偶丝：0 0. .5 5mmmm，实验室用可更细些实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝正极：铂铑合金丝, ,用用9090铂和铂和1010铑铑( (重量比重量比) )冶炼而成冶炼而成。 负极：铂丝负极：铂丝。 测量温度：长期：测量温度：长期：13001300、短期：短期：16001600。 特点：特点： 材料性能稳定材料性能稳定，测量准确度较高；测量准确度较高；可做成标准热电偶可做成标准热电偶 或基准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高测量温度较高，一般用来测量一般用来测量10001000以上高温以上高温。 在高温还原性气体

25、中在高温还原性气体中（如气体中含如气体中含CoCo、H H2 2等等）易被侵易被侵 蚀蚀，需要用保护套管需要用保护套管。 材料属贵金属材料属贵金属，成本较高成本较高。 热电势较弱热电势较弱。 2 2）镍铬镍铬镍硅镍硅( (镍铝镍铝) )热电偶热电偶(K(K型型) ) 分度号分度号EUEU2 2 工业用热电偶丝：工业用热电偶丝： 1 1. .2 2 2 2. .5 5mmmm，实验室用可细些实验室用可细些。 正极：镍铬合金正极：镍铬合金( (用用8888. .4 48989. .7 7镍镍、9 91010铬铬，0 0. .6 6硅硅， 0 0. .3 3锰锰，0 0. .4 40 0. .7 7

26、钴冶炼而成钴冶炼而成) )。 负极：镍硅合金负极：镍硅合金( (用用9595. .7 79797镍镍, ,2 23 3硅硅, ,0 0. .4 40 0. .7 7钴冶炼钴冶炼 而成而成) )。 测量温度：长期测量温度：长期10001000，短期短期13001300。 特点：特点： 价格比较便宜价格比较便宜，在工业上广泛应用在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有在还原性气体和含有SOSO2 2， H H2 2S S等气体中易被侵蚀等气体中易被侵蚀。 复现性好复现性好，热电势大热电势大。 3 3）镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E(E型型) ) 分度号为分度号

27、为EAEA2 2 工业用热电偶丝工业用热电偶丝: :1 1. .2 22 2mmmm，实验室用可更细些实验室用可更细些。 正极：镍铬合金正极：镍铬合金 负极：考铜合金负极：考铜合金（用用5656铜铜，4444镍冶炼而成镍冶炼而成）。 测量温度：长期测量温度：长期600600，短期短期800800。 特点：特点： 价格比较便宜价格比较便宜，工业上广泛应用工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的在常用热电偶中它产生的热电势最大热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。质，适于在还原性或中性介质中使用。 4

28、4）铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) ) 分度号为分度号为LLLL2 2 正极：铂铑合金正极：铂铑合金（用用7070铂铂，3030铑冶炼而成铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金负极：铂铑合金（用用9494铂铂，6 6铑冶炼而成铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到测量温度：长期可到16001600，短期可达短期可达18001800。 特点：特点： 材料性能稳定材料性能稳定，测量精度高测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小低温热电势极小，冷端温度在冷端温度在5050以下可不加补偿以下可不加补偿。 成本高。成本高。 6）铜）铜康铜热电偶（康铜热电偶（

29、T型）型） ，分度号，分度号MK 热电偶的热电势略高于镍铬热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为镍硅热电偶，约为 43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。 缺点是铜易氧化，广泛用于缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室的低温实验室 测量中。测量中。 5 5）铁）铁康铜热电偶（康铜热电偶（J J型），分度号型），分度号TKTK 灵敏度高，约为灵敏度高，约为53V/53V/，线性度好，价格便宜，可，线性度好，价格便宜，可 在在800800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化， 采用发蓝处

30、理后可提高抗锈蚀能力。采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。 3 3. .非标准化热电偶非标准化热电偶 1）钨铼热电偶钨铼热电偶 是目前一种较好的是目前一种较好的高温热电偶高温热电偶，最高可使用最高可使用 到到3000 ，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高但高 温抗氧能力差温抗氧能力差。国产钨铼国产钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围热电偶使用温度范围300 2000，分度精度为分度精度为1。 2）铱和铱合金热电偶铱和铱合金热电偶 如铱如铱50铑铑铱铱10钌热电偶它能在钌热电偶它能在氧化气氧化气 氛氛中测量高达中测量高达2100的高温的高温。 3）金铁金铁

31、镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量主要用在低温测量，可在可在2273K 范围内使用范围内使用，灵敏度约为灵敏度约为10V。 4）钯钯铂铱铂铱15热电偶热电偶 是一种是一种高输出高输出性能的热电偶性能的热电偶，在在 1398时的热电势为时的热电势为47.255mV，比铂比铂铂铑铂铑10热电偶在同样热电偶在同样 温度下的热电势高出温度下的热电势高出3倍倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表因而可配用灵敏度较低的指示仪表 ，常应用于航空工业常应用于航空工业。 41 4.4.几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线 42 1 1. .普通热电偶普通热电偶 下图为典型

32、工业用热电偶结构示意图。它由下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝热电偶丝、绝 缘套管、保护套管以及接线盒缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不等部分组成。实验室用时，也可不 装保护套管，以减小热惯性。装保护套管，以减小热惯性。 工业热电偶结构示意图 1接线盒 2保险套管 3绝缘套管 4热电偶丝 1 2 3 4 2.2.4 热电偶的结构热电偶的结构 43 接线盒接线盒 引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹） 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管不锈钢保护管 44 安装螺纹安装螺纹 安装法兰安装法兰 45

33、(a) (b) (c) (d) 1 3 2 2 2. .铠装式热电偶铠装式热电偶 优点是：铠装热电偶可以制优点是：铠装热电偶可以制 作得很细作得很细，能解决能解决微小微小、狭狭 窄场合窄场合的测温问题的测温问题，且具有且具有 抗震抗震、可弯曲可弯曲、超长等优点超长等优点。 断面如图所示。它是将热电偶丝与高温绝缘材料放置在金属断面如图所示。它是将热电偶丝与高温绝缘材料放置在金属 套管中，运用比例压缩延伸工艺将三者拉细合为一体，柔软细长。套管中，运用比例压缩延伸工艺将三者拉细合为一体，柔软细长。 又由于它的热端形状不同，可分为四种形式如图。又由于它的热端形状不同，可分为四种形式如图。 铠装式热电偶

34、断面结构示意图铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管金属套管; 2绝缘材料绝缘材料; 3热电极热电极 (a)碰底型碰底型; (b)不碰底型不碰底型; (c)露头型露头型; (d)帽型帽型 46 铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形 法兰 铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶可长达上百米 薄壁金属薄壁金属 保护套保护套 管（铠体）管（铠体） 47 3 3. .快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶 用用真空蒸镀等方法真空蒸镀等方法使两种热电极材使两种热电极材 料料蒸镀到绝缘板上而形成片状薄膜蒸镀到绝缘板上而形成片状薄膜 热电偶热电偶。如图如图，其热接点极薄其热接点极薄 ( (0 0. .01010

35、0. .lm)lm) 4 1 2 3 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线 特别适用于特别适用于对壁面温度的快速测对壁面温度的快速测 量量。安装时。安装时, ,用粘结剂将它粘结用粘结剂将它粘结 在被测物体壁面上。在被测物体壁面上。 48 2.2.5 热电偶热电偶测量电路（不考虑内阻）测量电路（不考虑内阻） 49 M T T0 T0 A B C D T0 E r0 ( ,) AB EET T 基尔霍夫电压定律：在电路中，任一时刻，沿任一闭基尔霍夫电压定律：在电路中，任一时刻，沿任一闭 合路径合路径( ( 按固定绕向按固定绕向 ) )，各支路电压代数和为零。，各支路电压代数和为零。 1

36、1）测量单点温度）测量单点温度 电压表与热电偶串联电压表与热电偶串联 50 2 2）测量两点的温度差）测量两点的温度差 用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。 产生热电势为产生热电势为 显示仪表 B A B A T2 T1 T0 T0 12r00 ( ,)( ,) ABAB EET TET T _ + + _ T0 T0 51 52 3 3）测量几个温度之和）测量几个温度之和 用几只相同热电偶，串联在一起产生热电势为用几只相同热电偶，串联在一起产生热电势为 123r000 ( ,)( ,)( ,)ABABABEET TET

37、TET T 仪表 T3 T1 T2 T0 T0 T0 T0 A B A B A B C D C D C D 53 . Tn T1 T2 T0 T0 M Tn 4 4）多点温度测量）多点温度测量 若干只热电偶共用一台仪表的测量线路若干只热电偶共用一台仪表的测量线路 为什么在热电偶测温时要对冷端温度进行补偿为什么在热电偶测温时要对冷端温度进行补偿？ 总热电势总热电势EAB(T, T0)为两接点温度为两接点温度T、T0的函数的函数,只有当只有当 T0恒定恒定EAB(T, T0)才是才是T的单值函数。的单值函数。 2.2.6 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿 54 而在工程测量而在工程测量中冷

38、端（中冷端（T0）距离热源近）距离热源近，且暴露于空气且暴露于空气 中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端，使冷端 温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可 采取下列温度补偿或修正措施。采取下列温度补偿或修正措施。 1 1. . 冰点法冰点法 把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使使T0=0。这种办法仅限于科这种办法仅限于科 学实验中使用学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点必须把连接点 分别置于两

39、个玻璃试管里分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽浸入同一冰点槽，使相互绝缘使相互绝缘。这种方法准这种方法准 确度较高确度较高，但使用麻烦但使用麻烦。 mV A B A B T C C 仪 表 铜 导 线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 T0 55 56 2 2. .冷端温度计算法冷端温度计算法适用于冷端温度恒定不变适用于冷端温度恒定不变， 但但 不是不是0 0 的情况的情况 利用中间温度定律公式计算修正利用中间温度定律公式计算修正： 冷端温度计算法是对实际测得的热电动势冷端温度计算法是对实际测得的热电动势E EAB AB（ （T T，T T0 0）， 修正为冷端温度为零的热电动势修

40、正为冷端温度为零的热电动势E EAB AB（ （T T，0 0），以便查分度以便查分度 表表，得出测量温度得出测量温度。 57 ),(),(),( 322131 ttEttEttE ABABAB 00 ( , )( ,)(,0) ABABAB ET 0ET TET 两次查表一次计算两次查表一次计算 58 例题：用镍铬例题：用镍铬- -镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度T T0 0=30,=30, 测得热电势测得热电势E EAB AB( (T T, ,T T0 0) )为 为30.30.425425mvmv，求加热炉温度。，求加热炉温度。 例题：用镍铬例题：用镍铬-

41、 -镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度T T0 0=30,=30, 测得热电势测得热电势E EAB AB( (T T, ,T T0 0) )为 为30.30.425425mvmv，求加热炉温度。，求加热炉温度。 EAB(T,0)= EAB(T,T0)+ EAB(T0,0) 59 =30.425+ 1.203 EAB(30, 0) =30.425+ =31.628 (mv) 查表知：查表知：T=7T=76060 3 3. .补偿导线法补偿导线法 为保持热电偶冷端温度为保持热电偶冷端温度T0恒定恒定，需要将热电偶冷端延伸到数十米外的需要将热电偶冷端延伸到数十米外的 温

42、度恒定仪表室或温度波动较小温度恒定仪表室或温度波动较小的地方的地方。采用采用补偿导线代替较贵的热补偿导线代替较贵的热 电偶材料电偶材料。 60 补偿导线：补偿导线：它通常廉价金属导线制成它通常廉价金属导线制成, , 而且在而且在0 0200200温度温度 范围内范围内, , 补偿导线和所配热电偶具有补偿导线和所配热电偶具有相同的相同的热电特性热电特性。 具有相同热电特性的两种金属接触时，不产生接触电动势具有相同热电特性的两种金属接触时，不产生接触电动势。 61 为什么不能用普通导线代替补偿导线？为什么不能用普通导线代替补偿导线？ 因为普通导线与热电偶的两个电极有接触电动势，影响因为普通导线与热

43、电偶的两个电极有接触电动势，影响 整个回路的电动势。整个回路的电动势。 根据中间导体定律，加入第三种导体不影响回路根据中间导体定律，加入第三种导体不影响回路 电动势，为什么不能接入普通导线？电动势，为什么不能接入普通导线？ 导线两端点温度不同，不适用中间导体定律。导线两端点温度不同，不适用中间导体定律。 62 随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工 委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。 补偿导线的分类型号和分度号见表补偿导线的分类型号和分度号见表 在使用补偿导线时，

44、必须根据热电偶型号选配补偿导线；在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线； 补偿导线正极与热电偶正极相接补偿导线正极与热电偶正极相接, ,负极与负极相接负极与负极相接； 不能超出规定使用温度范围。不能超出规定使用温度范围。 补偿导线的注意事项补偿导线的注意事项 补偿导线型补偿导线型 号号 配用热电偶的分度号配用热电偶的分度号 补偿导线合金丝补偿导线合金丝 补偿导线颜色补偿导线颜色 正极正极 负极负极 正极正极 负极负极 SCSC S S型型( (铂铑铂铑10 10- -铂 铂) ) SPC(SPC(铜铜) ) SNC(SNC(钢镍钢镍) ) 红红 绿绿 KCKC K K型型( (镍铬镍

45、铬- -镍硅镍硅) ) KPC(KPC(钢钢) ) KNC(KNC(钢镍钢镍) ) 红红 蓝蓝 KXKX K K型型( (镍铬镍铬- -镍硅镍硅) ) KPX(KPX(镍镍 铬铬) ) KNX(KNX(镍硅镍硅) ) 红红 黑黑 EXEX E E型型( (镍铬镍铬- -康铜康铜) ) EPX(EPX(镍镍 铬铬) ) ENX(ENX(铜镍铜镍) ) 红红 棕棕 JXJX J J型型( (铁铁- -康铜康铜) ) JPX(JPX(铁铁) ) JNX(JNX(铜镍铜镍) ) 红红 紫紫 TXTX T T型型( (铜铜- -康铜康铜) ) TPX(TPX(钢钢) ) TNX(TNX(钢镍钢镍) )

46、红红 白白 补偿导线的分类型号和分度号补偿导线的分类型号和分度号 63 补偿导线的分类补偿导线的分类 补偿导线从原理上可分为补偿导线从原理上可分为延长型和补偿型延长型和补偿型。 按补偿精度分按补偿精度分，补偿导线可分为补偿导线可分为普通级和精密级普通级和精密级。 按工作温度分按工作温度分，补偿导线可分为补偿导线可分为一般用和耐热一般用和耐热用两种用两种。一般一般 用补偿导线的工作温度为用补偿导线的工作温度为0 0100100( (少数为少数为0 07070) )；耐热用；耐热用 补偿导线的工作温度为补偿导线的工作温度为0 0200200。 64 把参考端实际温度把参考端实际温度T0乘上系数乘上系数k，加上由加上由EAB(T，T0)查分度表所得的温度查分度表所得的温度T， 成为被测温度成为被测温度T。用公式表达用公式表达，即即 式中：式中： T为未知的被测温度；为未知的被测温度； T为参比端在实际温度为参比端在实际温度T0下热电偶电势与分度表上对应的温度；下热电偶电势与分度表上对应的温度； T0参考端实际温度；参考端实际温度； k为补正系数为补正系数。（查表时为查表时为T对应的系数对应的系数）。