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第2章传感器的基本特性 测量系统由三个基本环节组成 作业 11-1.下面三种说法哪种正确：热电偶的热电动势大小（1）取决于热端温度；（2）取决于热端和冷端两个温度；（3）取决于热端和冷端温度之差。为什么？ 11-2.热电偶的热电动势大小和热电极的长短、粗细有关吗？若热电偶接有负载后，负载上得到的电压和热电极长短、粗细有关吗？ 11-3.热电偶的冷端延长导线的作用是什么？使用冷端延长线（即补偿导线）应满足什么样的条件和注意什么问题？ 11-4.有人查补偿导线所用材料资料发现铂铑-铂热电偶的补偿导线是由铜-铜镍材料，而镍铬-镍硅热电偶的补偿导线所用材料就是镍铬-镍硅，这是为什么？既然铜-铜镍热电特性可替代铂铑-铂，为什么不用铜-铜镍热电偶代替铂铑-铂去测温？ 11-5.试比较热电阻、热敏电阻及热电偶三种测温传感器的特点及对测量电路的要求。 一、工作原理 热电偶测温是基于两种不同材料的热电效应，在物理学中，曾学过热电效应。两种不同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路。如果两个接合点的温度不同，一端的温度为T，另一端的温度为T0，那么电路中将产生一个电动势，并形成电流，这个电动势的大小和材料的性质以及接点的温度有关，这就是温差热电效应，也称之为热电效应，该现象是1821年德国物理学家席贝克（Secback）发现的，所以也称之为席贝克效应。 若组成这一回路的材料一定，热电势只和接点的温度有关。可用函数关系式表示： eAB=f(T,T0) 若知道eAB，T0，就可知道T了，即可利用热电效应来测温度或温度差。 定义：这两种不同导体的组合称为热电偶。 两个连接端点，一个称为工作端T，另一个称为自由端或参考端T0或冷端，两根金属丝称之为热电极。 温差电势是如何产生的？ 温差电势是由两种导体的 接触电势（珀耳贴电势）与 同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。 1.接触电势（珀耳贴电势） 物理学知识告诉我们，不同导 体里自由电子的密度是不同的，当 两种不同导体接触时，在接触面上 将产生电子扩散，电子扩散的速率 与自由电子的密度以及接触区的温 度成正比，现设金属A和B的自由电 子密度密度分别为nA和nB，且有nA ＞ nB ，密度大的电子气压强也大，在接触面上A扩散到B的电子将比B扩散到A的多，于是金属A失去电子而带正电，金属B则因获得电子而带负电，在接触面上就形成了静电场，这个静电场将阻止扩散过程的进行，当由于自由电子密度的不同引起的扩散能力与静电场的作用相互抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的接触电位差。 可表为： 式中：eAB（T）—导体A和B的接点在温度为T时形成的电位差； e—电子的电荷 e=1.6×10-19库仑 k—波尔兹曼常数 k=1.38×10-23（焦耳/库仑） eAB（T）和连接点的温度T有关，因此当两种金属接成闭合回路而连接点的温度又不同时，回路中将形成接触电势。 2. 同一种金属的温差电势（汤姆逊电势） 在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势，两端的温度不一致时，高温端的自由电子具有的平均动能大，将向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，并在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的电位差，就是汤姆逊电势。 作为热电偶的材料，应具备以下特性： 1）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，电性质不随时间变化； 2）化学性能稳定，在测量范围内，不易被氧化或腐蚀； 3）灵敏度要高，且有近似的线性关系； 4）电导率高，电阻温度系数小； 5）材料的复制性和工艺性能良好。 二、热电偶的基本实验定律 前人根据对热电偶性能的大量实验研究，总结出了以下几条热电偶的基本实验定律，这些定律对热电偶的实际使用具有重要的指导意义。 1.均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中是否存在温度梯度，都不会产生热电势。 它说明： ①热电偶必须由两种不同性质的热电极组成； ②提供了一种检查热电极材料均匀性的办法，如果 由一种材料组成的闭合回路中因温度梯度而产生热电势，则材料必定是不均匀的。 2.两种均质材料组成的热电偶的热电势只和接点温度有关，而和其它部位的温度无关。 它说明：用热电偶测温时，只需要