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热电偶传感器电子教案第一章：热电偶传感器概述1.1 热电偶传感器的定义1.2 热电偶传感器的工作原理1.3 热电偶传感器的特点与应用第二章：热电偶的分类与结构2.1 热电偶的分类2.1.1 按材料分类2.1.2 按构造分类2.2 热电偶的结构2.2.1 热电偶的热电极2.2.2 热电偶的绝缘材料2.2.3 热电偶的连接线第三章：热电偶的工作原理与性能3.1 热电偶的工作原理3.1.1 塞贝克效应3.1.2 热电偶的工作曲线3.2 热电偶的性能参数3.2.1 热电偶的热电特性3.2.2 热电偶的温度范围3.2.3 热电偶的测量精度第四章：热电偶的应用与安装4.1 热电偶的应用领域4.1.1 工业生产4.1.2 科学研究4.1.3 日常生活4.2 热电偶的安装方法4.2.1 插入式安装4.2.2 固定式安装4.2.3 铠装式安装第五章：热电偶传感器的测量与校准5.1 热电偶传感器的测量原理5.2 热电偶传感器的测量电路5.3 热电偶传感器的校准方法5.3.1 对比法5.3.2 自动校准法5.3.3 手动校准法第六章：热电偶传感器的电路设计与应用6.1 热电偶传感器电路设计基础6.1.1 热电偶的冷端补偿电路6.1.2 热电偶的放大电路6.1.3 热电偶的线性化电路6.2 热电偶传感器在自动化控制系统中的应用6.2.1 温度控制系统的组成6.2.2 热电偶在温度控制系统中的应用案例第七章：常见热电偶传感器的选用与维护7.1 常见热电偶传感器的选用7.1.1 根据测量温度范围选用7.1.2 根据测量精度选用7.1.3 根据使用环境选用7.2 热电偶传感器的维护与保养7.2.1 清洁与保护7.2.2 定期校准7.2.3 注意使用寿命第八章：热电偶传感器的故障分析与处理8.1 热电偶传感器的常见故障8.1.1 测量误差过大8.1.2 显示值不稳定8.1.3 传感器损坏8.2 故障原因分析8.3 故障处理方法8.3.1 故障排查步骤8.3.2 故障处理策略第九章：新型热电偶传感器的研发与进展9.1 纳米材料在热电偶传感器中的应用9.2 光纤热电偶传感器的研发与应用9.3 无线热电偶传感器的研究与发展9.4 多功能热电偶传感器的创新应用第十章：热电偶传感器在国内外的发展趋势与展望10.1 国内外热电偶传感器市场现状10.2 热电偶传感器行业的发展趋势10.3 我国热电偶传感器产业的发展策略与展望10.4 热电偶传感器在未来的应用前景重点和难点解析重点环节一：热电偶传感器的工作原理解析：热电偶传感器的工作原理是基于塞贝克效应，即两种不同金属连接在一起形成的回路在温度变化时会产生电动势。
热电偶传感器的工作原理热电偶传感器是一种测量温度的传感器。
它利用两种不同材料的导线连接，通过不同材料之间的热电电动势来测量温度。
其工作原理主要包括热电效应原理、热电对原理和测温原理。
1. 热电效应原理热电效应是指当两个不同材料的导线处于不同温度下时，产生的热电电势差。
根据热电效应原理，热电偶传感器一般由两种不同材料的导线连接组成，分别称为热电对。
常用的热电对有N型热电偶（镍铬-镍硅）、K型热电偶（镍铬-镍铝）、T型热电偶（铜-铜镍）等。
这些热电对被放置在被测温度环境中，当被测温度发生变化时，由于热电效应的存在，热电对之间会产生一定的热电势差。
2. 热电对原理热电对原理是指热电偶传感器利用不同材料之间的热电效应来测量温度的原理。
具体而言，热电偶传感器的热电对被置于被测温度环境中，当被测温度发生变化时，热电对之间产生的热电势差也会随之变化。
这个热电势差可以通过测量热电对之间的电压来计算得到。
3. 测温原理热电偶传感器是利用热电效应来测量温度的，而测温原理则是指根据热电对生成的热电势差来计算被测温度的原理。
热电偶传感器的热电对之间的热电势差与被测温度环境之间存在一定的关系，这种关系通常由热电偶的特性参数和温度之间的数学模型来描述。
传统的计算方法是使用热电势表或温度转换电路将热电势转换为对应的温度值。
另外，随着现代科技的发展，也出现了数字式热电偶传感器，它利用特定的芯片将热电势转化为数字信号，进而实现温度测量。
总之，热电偶传感器是通过测量热电对之间的热电势差来计算被测温度的传感器。
它的工作原理主要包括热电效应原理、热电对原理和测温原理。
通过这些原理的相互作用，热电偶传感器能够在广泛的温度范围内进行准确的温度测量，具有广泛的应用领域，如工业自动化控制、环境监测、航空航天等。
同时，热电偶传感器还具有响应速度快、结构简单、成本低廉等优点，是一种常用的温度传感器。
简述热电偶传感器的工作原理1.引言1.1 概述热电偶传感器是一种常用的温度测量设备，它基于热电效应原理，能够将温度转化为电信号。
热电偶传感器由两种不同金属导线组成，它们通过焊接或相连形成一个回路。
当热电偶的两个交界处有不同温度时，就会产生热电势差，即热电偶电动势。
通过测量这个电动势，我们可以计算出温度变化。
热电偶传感器的工作原理可以简述为：当热电偶的两个接点温度不同时，就会在该热电偶上产生一个热电势差。
这是因为不同金属导线的热电势特性不同，形成了一个由温差驱动的电池。
这个电势差能够通过电路进行测量和计算。
根据热电偶的材料和温度特性，我们可以确定出一个特定的热电势和温度之间的关系，从而实现对温度的准确测量。
热电偶传感器具有许多优点，例如高温测量范围、快速响应、抗振动和可靠性等。
它们广泛应用于工业自动化、科学研究、环境监测等领域，常用于测量高温炉窑、发动机排气温度、液体流体温度等。
在本文中，我们将详细介绍热电偶传感器的基本构成和原理，以及其工作原理的具体步骤和关键参数。
希望通过本文的介绍，读者能够更好地理解热电偶传感器的工作原理，并为其在实际应用中提供参考和指导。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将以以下结构来详细介绍热电偶传感器的工作原理：第一部分是引言，在引言部分，先对热电偶传感器进行概述，介绍其在工业领域中的应用与重要性。
然后，概括说明本文的结构和内容。
最后，明确本文的目的，即为读者提供一个全面而清晰的了解热电偶传感器工作原理的文章。
第二部分是主要内容，将分为两个子节。
2.1 热电偶传感器的基本构成和原理。
在这一部分，将详细介绍热电偶传感器的基本组成部分及其功能。
包括两种不同金属导线的选择及其相互连接方式，以及热电偶传感器的工作原理。
2.2 热电偶传感器的工作原理。
在这一部分，将更加深入地探讨热电偶传感器的工作原理。
包括热电效应的基本原理和热电偶传感器在不同温度变化下产生的电势信号。
同时，还将解释如何根据电势信号的变化来测量被测量物体的温度。
第九章热电偶传感器
课题：热电偶传感器的原理及应用课时安排：2 课次编号：13 教材分析
难点：冷端温度补偿
重点：热电偶的应用
教学目的和要求1、了解温标的概念
2、了解热电偶传感器的工作原理；
3、掌握热电偶的选用；
3、掌握分度表的应用；
4、掌握热电偶的应用
5、了解热电偶冷端温度补偿的方法。
采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种热电偶各
教
学
环
节
和
内
容
演示：
做以下的实验：
将两根不同材质的金属（例如镍铬-镍硅）的端部绞在一起。
用打火机烧该端部。
用数字毫伏表测量另两端的输出热电动势。
可以看到，毫伏表的读数随铰接的端部的颜色变红，而上升。
从以上演示，引入第一节的热电偶传感器的工作原理。
一、热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克（T⋅J⋅Seebeck）用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如图9-1a所示。
如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。
显然，指南针的偏转说明了回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
图9-1 热电偶原理图
a）热电效应b）结点产生热电动势示意c）图形符号
1－工作端2－热电极3－指南针4－参考端
当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
这种物理现象称为热电效应。
两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电动势（以下简称热电势）。
热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。
镍铬-铜镍
（锰白铜）E -270～800 6.319 －
热电势比K型热电偶大50%左右，
线性好，耐高湿度，价廉；但不能用
于还原性气氛；多用于工业测量
铁-铜镍
（锰白铜）J -210～760 5.269 －
价格低廉，在还原性气体中较稳定；
但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业
测量
铜-铜镍
（锰白铜）T -270～400 4.279 －
价廉，加工性能好，离散性小，性
能稳定，线性好，准确度高；铜在高
温时易被氧化，测温上限低；多用于
低温域测量。
可作-200～0℃温域的计量标准
①铂铑30表示该合金含70%的铂及30%的铑，以下类推。
分析图9-4：
从图中可以看到，在0℃时它们的热电势均为零，这是因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故。
从图9-4中还可以看出，B、R、S及WRe5-WRe26（钨铼5-钨铼26）等热电偶在100℃时的热电势几乎为零，只适合于高温测量。
从图9-4中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性（斜率不为常数）的。
国际计量委员会已对这些热电偶的化学成分和每一摄氏度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表（t0=0℃）。
使用前，只要将这些分度表输入到计算机中，由计算机根据测得的热电势自动查表就可获得被测温度值。
第四节热电偶冷端的延长
实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。
例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，波及接线盒内的自由端，造成测量误差。
虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的成本，是很不经济的。
工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。
利用补偿导线延长热电偶的冷端方法如图9-8所示。
补偿导线（A´、B´）是两种
不同材料的、相对比较便宜的金属（多为铜与铜的合金）导体。
它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，所以补偿导线在一定的环境温度范围内，如0～100℃，与所配接的热电偶的灵敏度相同，即具有相同的温度-热电势关系。
使用补偿导线的好处是：①它将自由端从温度波动区t n延长到补偿导线末端的温度相对稳定区t0，使指示仪表的示值（毫伏数）变得稳定起来。
②购买补偿导线比使用相同长度的热电极（A、B）便宜许多，可节约大量贵金属。
③补偿导线多是用铜及铜的合金制作，所以单位长度的直流电阻比直接使用很长的热电极小得多，可减小测量误差。
④由于补偿导线通常用塑料（聚氯乙烯或聚四氟乙烯）作为绝缘层，其自身又为较柔软的铜合金多股导线，所以易弯曲，便于敷设。
第五节热电偶的冷端温度补偿与集成温度传感器
由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t和t0差值的函数，当冷端温度t0不变时，热电势与工作端温度成单值函数关系。
各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的，因此用热电偶测量时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。
但在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电势总是偏小。
消除或补偿这个损失的方法，常用的有以下几种：
一、冷端恒温法
1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。
此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。
2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）。
3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。
应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。
图9-9是冷端置于冰瓶中的接法布置图。
图9-9冰浴法接线图
1－被测流体管道2－热电偶3－接线盒4－补偿导线5－铜质导线
6－毫伏表7－冰瓶8－冰水混合物9－试管10－新的冷端
二、计算修正法
当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所
测温度高于设定温度时，仪表内部的继电器动作，可以切断加热回路。
它的特点是采用工控单片机为主控部件，智能化程度高，使用方便。
这类仪表多具有以下功能：（1）双屏显示主屏显示测量值，副屏显示控制设定值。
（2）输入分度号切换仪表的输入分度号可按键切换（如K、R、S、B、N、E 型等）。
（3）量程设定测量量程和显示分辩力由按键设定。
（4）控制设定上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制点值可在全量程范围内设定，上下限控制回差值也可分别设定。
（5）继电器功能设定内部的数个继电器可根据需要设定成上限控制（报警）方式或下限控制（报警）方式。
（6）断线保护输出可预先设定各继电器在传感器输入断线时的保护输出状态（ON/OFF/KEEP）。
（7）全数字操作仪表的各参数设定、准确度校准均采用按键操作，无须电位器调整，掉电不丢失信息。
（8）冷端补偿范围：0～60℃。
（9）接口许多型号还带有计算机串行接口和打印接口。
与热电偶配套的标准仪表外形及接线图如图9-16所示。
图9-16与热电偶配套的标准仪表外形及接线图
a）XMT仪表外形b）XCZ型接线c）XMT型接线
图9-16b中的“短”、“短”两端在搬运仪表时须用导线短接起来，以保护仪表指针不致打弯或折断。
图9-16c右上角的三个接线端子分别为上限输出“2”的三个触点，从左到右依次为：仪表内继电器的常开（动合）触点、动触点和常闭（动断）触点。
当被测温度低于设定的上限值时，“高-总”端子接通，“低-总”端子断开；当被测温度达到上限值时，“低-总”端子接通，而“高-总”端子断开。
“高”、“总”、“低”三个输出端子在外部通过适当连接，能起到控温或报警作用。
“上限输出1”的两个触点还可用于控制其他电路，如风机等。
课外学习指导安排每周二下午，在测控办公室进行答疑
课外作业P200：4：1）
检测教学目标实现程度考察学生能否正确选择热电偶的型号、规格，冷端补偿导线
和冷端温度测量的IC型号。
