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空气动力学实验方法：热电偶测量与信号处理技术教程

1空气动力学实验基础

1.1热电偶的工作原理

热电偶是一种常见的温度测量装置，其工作原理基于塞贝克效应（Seebeck

effect）。当两种不同材料的导体A和B在两端接触时，如果两端的温度不同，

那么在导体A和B之间会产生一个电动势，这个电动势的大小与两端的温差成

正比。热电偶通常由两种不同的金属丝组成，一端焊接在一起形成热端，另一

端保持在室温下作为冷端或参考端。当热端被加热时，热电偶会产生一个与温

差相对应的电压，这个电压可以通过测量电路读取，从而计算出热端的温度。

1.2热电偶的类型与选择

热电偶根据使用的金属材料不同，可以分为多种类型，包括K型、J型、T

型、E型、N型、R型、S型等。每种类型都有其特定的温度范围和应用环境。

例如，K型热电偶（镍铬-镍铝）是最常见的类型，具有良好的性能和成本效益，

适用于-200°C至1260°C的温度范围。选择热电偶时，需要考虑实验的温度

范围、环境条件（如腐蚀性、氧化性）、精度要求以及成本。

1.2.1示例：K型热电偶的温度-电压转换

假设我们使用K型热电偶测量温度，根据国际标准，可以使用下面的公式

或查找表来转换热电偶的输出电压到温度：

importmath

defk_type_thermocouple_voltage_to_temperature(voltage):

将型热电偶的电压转换为温度。

K

这里使用了一个简化的公式，实际应用中应使用更精确的转换表或公式。

a=25.0141

b=2.0066e-3

c=1.0836e-5

d=4.2755e-8

e=7.8517e-11

f=5.4275e-14

#简化的温度计算公式

t=(a+b*voltage+c*voltage**2+d*voltage**3+e*voltage**4+f*voltage**5)

1

returnt

#示例电压值

voltage=10.000#mV

#转换为温度

temperature=k_type_thermocouple_voltage_to_temperature(voltage)

print(f电压{voltage}mV对应的温度约为{temperature:.2f}°C)

1.3热电偶在空气动力学中的应用

在空气动力学实验中，热电偶被广泛用于测量高速气流的温度，这对于理

解气流的热力学性质、评估发动机性能、研究燃烧过程等至关重要。热电偶可

以安装在风洞的模型表面，或者直接插入气流中，以实时监测温度变化。在超

音速和高超音速飞行器的热防护系统设计中，热电偶也是不可或缺的测量工具，

帮助工程师了解飞行器表面的热流分布。

1.3.1示例：热电偶在风洞实验中的数据记录

在风洞实验中，热电偶的数据记录可以通过数据采集系统进行。下面是一

个使用Python和一个假设的数据采集库来记录热电偶数据的示例：

importtime

fromdata_acquisition_libraryimportDataAcquisitionSystem

#初始化数据采集系统

daq=DataAcquisitionSystem()

#设置热电偶通道

thermocouple_channel=0

#开始数据记录

daq.start_recording()

#模拟风洞实验中的数据记录

foriinrange(100):

#读取热电偶电压

voltage=daq.read_voltage(thermocouple_channel)

#转换为温度

temperature=k_type_thermocouple_voltage_to_temperature(voltage)

#打印温度

测量点温度

print(f{i}:{temperature:.2f}°C)

#模拟实验中的时间延迟

time.sleep(0.1)

2

#结束数据记录

daq.stop_recording()

这个示例展示了如何在风洞实验中使用热电偶进行温度