题目
第12章 热电式传感器12.1 什么是热电效应?热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成?由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?12.1答:1)两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路,当两个结点有温差时,导体回路里有电流流动会产生热电势,这种现象称为热电效应。2)热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。3)热电偶两个电极材料相同时,无论两端点温度如何变化无热电势产生。12.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要?对参比端温度处理有哪些方法?12.2答:1)实际测量时利用这一性质,可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。2)因为热电偶的分度表均是以参考端T =0℃为标准的,而实际应用的热电偶参考端往往T≠0℃,一般高于零度的某个数值,此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正,以获得被测的真实温度。12.3 解释下列有关热电偶的名词:热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。12.3答:(略)12.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。12.4答:热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下: 热电偶可以测量上千度高温,并且精度高、性能好,这是其它温度传感器无法替代。 热电阻结构很简单,金属热电阻材料多为纯铂金属丝,也有铜、镍金属。金属热电阻广泛用于测量-200~+850℃温度范围,少数可以测量1000℃。 热敏电阻由半导体材料制成,外形大小与电阻的功率有关,差别较大。热敏电阻用途很广,几乎所有家用电器产品都装有微处理器,这些温度传感器多使用热敏电阻。12.5 某热电偶灵敏度为0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,试求热电势的大小?12.5解:已知:热电偶灵敏度为0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,则中间温度为:1200℃-50℃=1150℃;热电势为: 0.04mV/℃×1150℃=46mV或:E(T,0)= E(1200,50)+ E(50,0)E(120.,50)= E(T,0)- E(50,0)= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/℃=46mV12.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时,输出E=5.257 mV,若冷端温度为0℃时,测某炉温输出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少?12.6解:已知:热电偶的热电势E(60..0,0)=5.257 mV,冷端温度为0℃时,输出热电势E=5.267 mV,热电偶灵敏度为:K = 5.257 mV/60. = 0. mV/℃该加热炉实际温度是:T= E/K = 5.267 mV/0. mV/0℃ = 601.14℃12.9 什么是集成温度传感器?P-N结为什么可以用来作为温敏元件?12.9答:1)集成温度传感器多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件;2)根据绝对温度比例关系,利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率下工作时,一对晶体管的基极与发射极(P-N结)之间电压差与温度呈线性关系进行温度测量。12.10 AD590是哪一种形式输出的温度传感器,可以测量的温度范围是多少?叙述图12-23电路工作原理。12.10答:1)AD590是典型的电流输出型集成温度传感器,测温范围是-50~+150℃;2)该电路是一温度控制电路。AD311为比较器,温度达到限定值时比较器输出电压极性翻转,控制复合晶体管导通截止,从而控制加热器电流变化。12.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD590的工作原理和输出信号有什么不同?如何用DS18B20实现多点测温的?12.12答:1)DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号,相当于T/f(温度/频率)转换器,将被测温度T转换成频率信号f,输出为数字信号;AD590是利用P-N结电压随温度的变化进行测温,输出为模拟信号。2)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温;使用中不需要任何外围器件,测量结果以9位数字量方式串行传送。12.13 叙述热释电效应,热释电元件如何将光信号转变为电信号输出?热释电探测器为什么只能探测调制辐射?
第12章 热电式传感器1
2.1 什么是热电效应?热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成?由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?1
2.1答:1)两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路,当两个结点有温差时,导体回路里有电流流动会产生热电势,这种现象称为热电效应。2)热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。3)热电偶两个电极材料相同时,无论两端点温度如何变化无热电势产生。1
2.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要?对参比端温度处理有哪些方法?1
2.2答:1)实际测量时利用这一性质,可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。2)因为热电偶的分度表均是以参考端T =0℃为标准的,而实际应用的热电偶参考端往往T≠0℃,一般高于零度的某个数值,此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正,以获得被测的真实温度。1
2.3 解释下列有关热电偶的名词:热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。1
2.3答:(略)1
2.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。1
2.4答:热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下: 热电偶可以测量上千度高温,并且精度高、性能好,这是其它温度传感器无法替代。 热电阻结构很简单,金属热电阻材料多为纯铂金属丝,也有铜、镍金属。金属热电阻广泛用于测量-200~+850℃温度范围,少数可以测量1000℃。 热敏电阻由半导体材料制成,外形大小与电阻的功率有关,差别较大。热敏电阻用途很广,几乎所有家用电器产品都装有微处理器,这些温度传感器多使用热敏电阻。1
2.5 某热电偶灵敏度为
0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,试求热电势的大小?1
2.5解:已知:热电偶灵敏度为
0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,则中间温度为:1200℃-50℃=1150℃;热电势为:
0.04mV/℃×1150℃=46mV或:E(T,0)= E(1200,50)+ E(50,0)E(12
0.,50)= E(T,0)- E(50,0)= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/℃=46mV1
2.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时,输出E=
5.257 mV,若冷端温度为0℃时,测某炉温输出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少?1
2.6解:已知:热电偶的热电势E(6
0..0,0)=
5.257 mV,冷端温度为0℃时,输出热电势E=5.267 mV,热电偶灵敏度为:K =
5.257 mV/6
0. = 0. mV/℃该加热炉实际温度是:T= E/K =
5.267 mV/
0. mV/0℃ = 60
1.14℃1
2.9 什么是集成温度传感器?P-N结为什么可以用来作为温敏元件?1
2.9答:1)集成温度传感器多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件;2)根据绝对温度比例关系,利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率下工作时,一对晶体管的基极与发射极(P-N结)之间电压差与温度呈线性关系进行温度测量。1
2.10 AD590是哪一种形式输出的温度传感器,可以测量的温度范围是多少?叙述图12-23电路工作原理。1
2.10答:1)AD590是典型的电流输出型集成温度传感器,测温范围是-50~+150℃;2)该电路是一温度控制电路。AD311为比较器,温度达到限定值时比较器输出电压极性翻转,控制复合晶体管导通截止,从而控制加热器电流变化。1
2.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD590的工作原理和输出信号有什么不同?如何用DS18B20实现多点测温的?1
2.12答:1)DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号,相当于T/f(温度/频率)转换器,将被测温度T转换成频率信号f,输出为数字信号;AD590是利用P-N结电压随温度的变化进行测温,输出为模拟信号。2)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温;使用中不需要任何外围器件,测量结果以9位数字量方式串行传送。1
2.13 叙述热释电效应,热释电元件如何将光信号转变为电信号输出?热释电探测器为什么只能探测调制辐射?
2.1 什么是热电效应?热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成?由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?1
2.1答:1)两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路,当两个结点有温差时,导体回路里有电流流动会产生热电势,这种现象称为热电效应。2)热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。3)热电偶两个电极材料相同时,无论两端点温度如何变化无热电势产生。1
2.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要?对参比端温度处理有哪些方法?1
2.2答:1)实际测量时利用这一性质,可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。2)因为热电偶的分度表均是以参考端T =0℃为标准的,而实际应用的热电偶参考端往往T≠0℃,一般高于零度的某个数值,此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正,以获得被测的真实温度。1
2.3 解释下列有关热电偶的名词:热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。1
2.3答:(略)1
2.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。1
2.4答:热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下: 热电偶可以测量上千度高温,并且精度高、性能好,这是其它温度传感器无法替代。 热电阻结构很简单,金属热电阻材料多为纯铂金属丝,也有铜、镍金属。金属热电阻广泛用于测量-200~+850℃温度范围,少数可以测量1000℃。 热敏电阻由半导体材料制成,外形大小与电阻的功率有关,差别较大。热敏电阻用途很广,几乎所有家用电器产品都装有微处理器,这些温度传感器多使用热敏电阻。1
2.5 某热电偶灵敏度为
0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,试求热电势的大小?1
2.5解:已知:热电偶灵敏度为
0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,则中间温度为:1200℃-50℃=1150℃;热电势为:
0.04mV/℃×1150℃=46mV或:E(T,0)= E(1200,50)+ E(50,0)E(12
0.,50)= E(T,0)- E(50,0)= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/℃=46mV1
2.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时,输出E=
5.257 mV,若冷端温度为0℃时,测某炉温输出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少?1
2.6解:已知:热电偶的热电势E(6
0..0,0)=
5.257 mV,冷端温度为0℃时,输出热电势E=5.267 mV,热电偶灵敏度为:K =
5.257 mV/6
0. = 0. mV/℃该加热炉实际温度是:T= E/K =
5.267 mV/
0. mV/0℃ = 60
1.14℃1
2.9 什么是集成温度传感器?P-N结为什么可以用来作为温敏元件?1
2.9答:1)集成温度传感器多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件;2)根据绝对温度比例关系,利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率下工作时,一对晶体管的基极与发射极(P-N结)之间电压差与温度呈线性关系进行温度测量。1
2.10 AD590是哪一种形式输出的温度传感器,可以测量的温度范围是多少?叙述图12-23电路工作原理。1
2.10答:1)AD590是典型的电流输出型集成温度传感器,测温范围是-50~+150℃;2)该电路是一温度控制电路。AD311为比较器,温度达到限定值时比较器输出电压极性翻转,控制复合晶体管导通截止,从而控制加热器电流变化。1
2.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD590的工作原理和输出信号有什么不同?如何用DS18B20实现多点测温的?1
2.12答:1)DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号,相当于T/f(温度/频率)转换器,将被测温度T转换成频率信号f,输出为数字信号;AD590是利用P-N结电压随温度的变化进行测温,输出为模拟信号。2)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温;使用中不需要任何外围器件,测量结果以9位数字量方式串行传送。1
2.13 叙述热释电效应,热释电元件如何将光信号转变为电信号输出?热释电探测器为什么只能探测调制辐射?
题目解答
答案
答:
1)热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号,这一过程包括了光→热→电的两次信息变换过程,而对波长频率没有选择。光→热→电转换过程中,光→热阶段,物质吸收光能,温度升高;热→电阶段,利用某种效应将热转换为电信号。
当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时,薄片温度升高使极化强度降低,表面电荷减少,释放部分电荷,所以称热释电。
2)温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉不显电性,要让热释电材料显现出电特性,必需用光调制器使温度变化,并且调制器的入射光频率
必须大于电荷中和时间的频率。
2.2传感器的线性度是如何确定的?确定拟合直线有哪些方法?传感器的线性度表征了什么含义?为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。
2.2答:
1)实际传感器有非线性存在,线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较,其中存在偏差,这个最大偏差称为传感器的非线性误差,即线性度,
2)选取拟合的方法很多,主要有:理论线性度(理论拟合);端基线性度(端点连线拟合);独立线性度(端点平移拟合);最小二乘法线性度。
3)线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。
4)传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准,即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同,所以不能笼统地提出线性度, 当提出线性度的非线性误差时,必须说明所依据的基准直线。
2.3传感器动态特性的主要技术指标有哪些?它们的意义是什么?
2.3答:
1)传感器动态特性主要有:时间常数τ;固有频率;阻尼系数。
2)含义:τ越小系统需要达到稳定的时间越少;固有频率越高响应曲线上升越快;当为常数时响应特性取决于阻尼比,阻尼系数越大,过冲现象减弱,时无过冲,不存在振荡,阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。
2.5有一温度传感器,微分方程为
,其中
为输出电压(mV) ,为输入温度(℃)。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。
2.5解:
对微分方程两边进行拉氏变换,Y(s)(30s+3)=0.15X(s)
则该传感器系统的传递函数为:
该传感器的时间常数τ=10,灵敏度k=0.05