热学综合实验讲义.docx

综合热学实验讲义接触式温度传感器主要有四种类型：膨胀式、压力式、热电式和电阻式。电阻式温度传感器有包括金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。它们都能把温度信号转变为电信号，容易实现对温度的自动测量和自动控制，因而获得了十分广泛的应用。电阻温度特性是最重要的性能指示，本实验要求学生利用惠斯登电桥测量铜电阻和负温度系数半导体热敏电阻的温度特性以及用电位差计测定热电偶的温差电动势。 实验目的了解PID控温原理；掌握利用惠斯登电桥测量铜电阻和热敏电阻的方法；理解并掌握铜电阻和热敏电阻的温度特性，并测定热敏电阻材料常数和温度系数；掌握用电位差计测定热电偶的温差电动势。实验仪器热学综合实验仪、电位差计、惠斯登电桥等实验原理绝大多数金属当温度升高时，其电阻值也随之增大，利用这一规律制成的金属电阻称为金属热电阻，也可简称热电阻。热敏电阻是由半导体材料制成的，与热电阻相比，半导体热敏电阻对温度的变化更敏感，灵敏度更高，其阻值有的随温度增加，称为正温(PTC)型热敏电阻，有的随温度减少，称为负温(NTC)型。电阻值随温度变化的规律称为电阻温度特性。由于金属可具有很高的纯度，所以热电阻的稳定性和互换性较好，而半导体中的杂质难以控制，所以热敏电阻的稳定性和互换性较差。铜热电阻的温度特性制作热电阻的材料主要有铂（Pt）、铜（Cu）和镍（Ni），在通常情况下，它们的测温范围分别是200~850℃，-50～150℃, -60～180℃。其中铜比较容易提纯，温度特性比较接近直线，价格也比较便宜，所以常被优先选用，铜热电阻器是由提纯后的铜丝绕制成50Ω和100Ω两种规格，封装在圆柱形金属管内，所以它的体积不可能做得很小。铜热电阻的阻值随温度变化的规律是 （1）式中Ro和Rt分别是温度为0℃和t℃时的阻值；α,β,γ是常数，其中α=4.29×10-3/℃，β=-2.13×10-7/℃，γ=1.23×10-9/℃。由于β和γ很小，在很多场合下可近似的表示为 式中， 称为电阻温度系数。由上式可见，α是温度变化1℃时阻值的变化量与R0的比值。一般铜导线材料的纯度不高。其α值会稍小些，约为( 4.25×10-3~4.28×10-3 ) /℃,材质越纯,越接近4.29×10-3℃。热敏电阻的温度特性与热电阻相比,半导体热敏电阻具有灵敏度高、体积小、反应快等优点。大多数热敏电阻具有负的温度特性，称为NTC(也称MF)型热敏电阻，其阻值与温度的关系可表示为 (2)式中RTo和RT分别是温度为To(K)和T(K)时的阻值；T和TO开尔文温标；B是材料常数，单位是K，也有些热敏电阻具有正的温度特性，称为PTC（也称MZ）型热敏电阻，其阻值与温度的关系可表示为RT= RT0eB(T-To )，热敏电阻的主要性能的指标是：标称值RH，是指25℃时的阻值。温度系数,定义为温度变化1℃时阻值的变化量与该温度下的阻值之比(3)图1 Cu和NTC热敏电阻的温度特性t(℃) CuNTCRT(kΩ)将式（2）代入式（3），得 (4)不仅与材料常数有关，还与温度有关，低温段比高温段更灵敏，如果不作特殊说明，是指T=293K时的材料不同，也有很大差别，大约为（-3～-6）×10-2/K。它比热电阻的高出10倍左右。图1时Cu电阻和某一负温度系数热敏电阻的温度特性曲线。材料常数B是与材质有关的常数，对NTC型热敏电阻来说，B值约为1 500～6 000K。式（2）两边取对数，得 （5）令则式（5） 变为 （6）B就是方程（6）的斜率，通过对的线性回归法或作图法可求B值。工作温度，是指它的测温范围，有式（4）可见热敏电阻的温度系数在高温段急剧下降，其工作温度一般不能超过300℃，表1列出了两种规格的热敏电阻的有关数据。表1热敏电阻的性能指标型号RH(KΩ) ( %/℃ ) B(K)工作温度（℃）MF510.1～1 000-(1.8～6.8)1500～6200300MF570.2～10-(3.9～5.0)3400～4400-55～125用电位差计测定热电偶的温差电动势两种不同材料的导体或半导体连接成的闭合回路，如果两个结合点的温度不同，则在回路中将产生电动势，这种现象称为温差电现象，又称为塞贝克效应。这两种不同导体的组合就称为热电偶，其中每根单独的导体或半导体称为热电极，两个结点一个称工作端或热端T，另一个叫自由端或冷端T0。当热电偶回路的一个端点(一般为冷端)保持温度不变(例如保持为T0= 0℃)，则对一定材料的热电偶，其总热电动势E(T，T0)只随另一端点(热端)的温度而变化，因此常用来测量温度。由于热电偶热惯性小测量范围宽，容易实现测量自动化，又具有成本低，精度高等优点因此热电偶被广泛应用于实验、科研和工业生产的温度测量中。热电偶的温差电动势与两