新型傳感器及校準(zhǔn)技術(shù)

1、溫度、熱通量及位移測量及其標(biāo)定方法溫度、熱通量及位移測量及其標(biāo)定方法姓名：學(xué)號(hào)：傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ)熱傳遞的基本方式熱傳導(dǎo)熱對(duì)流 熱輻射熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)定義：物體各部分之間不依賴于相對(duì)位移，依靠 分子、原子及自由電子等微尺度粒子的熱運(yùn) 動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱，又稱熱傳導(dǎo)。注意：當(dāng)固體或液體靜止時(shí)，也可使用傅立葉定律。例如：隔熱玻璃。公式：dxdtA-dxdtAq或?qū)α鲹Q熱對(duì)流換熱定義：由于流體(液體或氣體)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)與 流體成 團(tuán)運(yùn)動(dòng)雙重作用形成的能量傳遞為對(duì)流換熱。?est -thA公式：可以籠統(tǒng)的認(rèn)為有液體或氣體參加的傳熱為對(duì)流傳熱。esqtth熱輻射熱輻射定義：熱

2、輻射是處于一定溫度下的物質(zhì)所發(fā)射的能量。4ET斯蒂芬-玻爾茲曼定律：引起熱輻射的原因是構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子中電子的振蕩 和躍遷。導(dǎo)熱或者對(duì)流在傳遞時(shí)都需要物質(zhì)媒介，而熱輻射不需要。所有物體時(shí)刻都在向外界發(fā)射輻射能量，同時(shí)也從外界吸 收輻射能量。40ET溫度測試溫度測試溫度計(jì)分類溫度計(jì)分類溫度計(jì)接觸式非接觸式熱電偶式 熱電阻式 熱膨脹式 輻射法 比色法 紅外法 接觸式測量接觸式測量熱電阻溫度計(jì)2熱電偶溫度計(jì)1熱電偶的測試方法熱電偶的測試方法測溫原理：熱電效應(yīng)（貝塞克原理）熱電勢：熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢。BTATABnneTlnkE 接觸電勢：因兩個(gè)接觸材料的電子密度不同而產(chǎn)生的電勢。 表達(dá)式：溫差

3、電勢：因同種材料兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢。 表達(dá)式：TE00,AdTTATT回路電勢：TTBAABABdTTETETT0)()(),(E00熱電偶回路的性質(zhì)熱電偶回路的性質(zhì) 1）均質(zhì)導(dǎo)體定律 將一種均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，無論導(dǎo)體內(nèi)是否存在溫度梯度，回路中都沒有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢);反之，如果有電流則此材料一定是非均質(zhì)的。 2）中間導(dǎo)體定律 3）中間溫度定律：2121,CEETTABTTAB322131,B,EEETTABTTATTAB熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)熱電偶的優(yōu)點(diǎn)： 1）信號(hào)易于傳輸和變換。 2）測量范圍寬。 3）測溫上限高測量范圍： 主要用于5001500的溫度測量。熱電阻溫度計(jì)熱電

4、阻溫度計(jì)RRR0t熱敏電阻金屬絲電阻熱電阻溫度計(jì)原理：金屬導(dǎo)體電阻隨溫度的增加而增加。表達(dá)式：原理：金屬氧化物的阻值與溫度成反比。表達(dá)式：011B0eRRTT)1 (0tRRt500以下的中低溫測量熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)熱敏電阻與金屬電阻相比有一下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于有較大的電阻溫度系數(shù)，靈敏度高。（2）體積小、熱慣性小、響應(yīng)速度快，可達(dá)毫 秒級(jí)。（3）電阻值高，遠(yuǎn)距離測量時(shí)，電阻值可忽略 不計(jì)。（4）在-50350范圍內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性。非接觸式測量非接觸式測量輻射高溫計(jì)1紅外輻射測溫儀3比色高溫計(jì)2輻射高溫計(jì)輻射高溫計(jì)4pET4p4TT411TpT原理：斯蒂芬-玻爾茲曼定律。公式：注意

5、：輻射計(jì)是以黑體的輻射 能力與溫度的關(guān)系進(jìn)行 刻度的。由于黑體與灰體之間存在關(guān)系：故：比色高溫計(jì)原理：當(dāng)溫度升高時(shí)，黑體的最大輻射能向波長減小的方向移動(dòng)，因此不同波長所對(duì)應(yīng)的亮度比也會(huì)發(fā)生變化，故根據(jù)亮度比就可得到黑體的溫度。公式：)ln(5ln11T120012221BBCs122s11)ln(T1-T121c紅外輻射測溫儀 紅外測溫儀的基本工作原理與前面介紹的輻射高溫計(jì)相同，不同之處在于它有一個(gè)紅外探測器。 紅外探測器把紅外輻射能的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。熱輻射測溫總結(jié)熱輻射測溫總結(jié)l輻射式溫度計(jì)利用受熱物體的輻射能大小與溫度的關(guān)系確定被測物體的溫度。其中輻射高溫計(jì)可測試全波長的溫度，比色高

6、溫計(jì)主要測試可見光，而紅外輻射測溫儀主要針對(duì)紅外線。l優(yōu)點(diǎn)：具有很高的溫度上限，輸入信 號(hào)大，靈敏度高。l缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量準(zhǔn)確度不如接觸式溫度計(jì)高。熱通量測試熱通量測試溫度與熱通量的關(guān)系溫度與熱通量的關(guān)系定義：熱通量即熱流密度，是指單位時(shí)間內(nèi)通過 單位面積傳遞的熱量 。 關(guān)系：熱流密度的測量必須 依賴于溫度測量，但 是溫度不能完全反應(yīng) 熱流密度。熱流測試儀器熱流測試儀器熱流測試儀器接觸式非接觸式能量平衡原理半無限大體假設(shè)溫度梯度原理熱圖測量基于能量平衡原理的熱流測量技術(shù)基于能量平衡原理的熱流測量技術(shù)水卡量熱計(jì)1塞塊式量熱計(jì)3薄壁量熱計(jì)24理論基礎(chǔ)能量平衡原理能量平衡原理理論基礎(chǔ)：1）能量守

7、恒定律2）1QTTmCptTmCAp1q其中：Q-熱量、 -比熱容、m-質(zhì)量、T-溫度、 q-熱流密度、A-面積、t-時(shí)間pC水卡量熱計(jì)水卡量熱計(jì)l原理：高溫氣體傳遞給量熱計(jì)的熱量，轉(zhuǎn)化為水內(nèi)能的增加，造成了水卡量熱計(jì)中水溫的上升，測溫上限通常低于100。l假設(shè)：熱量全部傳遞給水卡中的水，而沒有其他影響，即可以忽略金屬壁的內(nèi)部熱阻和內(nèi)能變化的影響。l公式：ATTCp/)(mq10水卡量熱計(jì)水卡量熱計(jì)薄壁量熱計(jì)薄壁量熱計(jì)原理：高溫氣體傳遞給熱流計(jì)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楸”?溫度的溫升。假設(shè)：1）忽略薄壁內(nèi)熱阻。 2）除了薄壁，其他壁面絕熱。 3）薄壁內(nèi)為一維導(dǎo)熱。dtdTCpq公式：其中： -密度、 -壁

8、厚。塞塊式量熱計(jì)塞塊式量熱計(jì)原理與薄壁式熱流計(jì)相同注意：水卡量熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間較長，一般用于穩(wěn)態(tài)熱流測量。薄壁式和塞塊式和響應(yīng)時(shí)間較快，可用于瞬態(tài)測量。但測量時(shí)間不易過長?；诎霟o限大體的熱流測試技術(shù)基于半無限大體的熱流測試技術(shù)薄膜熱流計(jì)1零點(diǎn)熱流計(jì)3同軸熱電偶熱流計(jì)24理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)假設(shè)：1）除了x方向其他方向無限延伸。2）固體內(nèi)部發(fā)生瞬態(tài)一維導(dǎo)熱。數(shù)學(xué)模型：初始條件：邊界條件：22TxTCktp0) 0 ,(, 0txTxTktq), 0 (, 0 x0),(T,xtx dtTtTttTkCtqtp02/ 321), 0(測試條件：測量時(shí)間足夠短，認(rèn)為溫度擾動(dòng)的擴(kuò)散深度小于傳感器(

9、模型)的厚度; 模型側(cè)向的溫度梯度足夠小，認(rèn)為側(cè)向傳熱可以忽略。薄膜熱流計(jì)薄膜熱流計(jì)特點(diǎn)：薄膜熱流傳感器利用金屬電阻 隨溫度變化的特性測量溫度，具 有靈敏度高(毫伏量級(jí)/攝氏度)、 響應(yīng)時(shí)間快(微秒量級(jí))、制作靈 活的特點(diǎn) dtTtTttTkCtqtp02/ 321), 0(公式：同軸熱電偶熱流計(jì)同軸熱電偶熱流計(jì)同軸熱電偶耐沖刷能力比薄膜熱流傳感器強(qiáng)，但由于熱電偶的靈敏度低，在測量低熱流時(shí)誤差較大，因此只適于熱流較大的情況。公式： dtTtTttTkCtqtp02/ 321), 0(零點(diǎn)熱流計(jì)零點(diǎn)熱流計(jì)l在半無限大體背部沉孔的軸線上存在某個(gè)位置，在相同的熱流輸人情況下，該處的溫度響應(yīng)曲線與無物

10、理干擾(孔)情況下的半無限大體表面溫升曲線相同，將這個(gè)點(diǎn)稱為“零點(diǎn)”?；诎霟o限大體的熱流測試技術(shù)基于半無限大體的熱流測試技術(shù)l由于這薄膜和同軸熱電偶熱流傳感器的測溫元件都位于模型表面，直接暴露在氣流中，為了避免傳感器損壞，測量時(shí)間必須很短(毫秒級(jí))，因此一般用于脈沖式設(shè)備的熱流測量。l零點(diǎn)量熱計(jì)是利用“零點(diǎn)”原理制成的一種特殊結(jié)構(gòu)的量熱計(jì)，利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部某一點(diǎn)(“零點(diǎn)”)的溫度響應(yīng)來反映感應(yīng)面的溫度變化。由于零點(diǎn)量熱計(jì)不直接測量感應(yīng)表面的溫度，適合于試驗(yàn)時(shí)間較長、溫度高、沖刷嚴(yán)重的瞬態(tài)測量環(huán)境?；跍囟忍荻鹊臒崃鳒y試技術(shù)基于溫度梯度的熱流測試技術(shù)熱阻式熱流計(jì)1柱塞式熱流計(jì)3戈登計(jì)24理論基礎(chǔ)理

11、論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)假設(shè)：1）熱流密度q不變。2）固體內(nèi)部發(fā)生瞬態(tài)一維導(dǎo)熱。數(shù)學(xué)模型：邊界條件：22TxTCktpxTktq), 0 (, 0 x2T),(T,xtxb220dxtddxdtA-Q熱阻式熱流計(jì)熱阻式熱流計(jì)原理：傅立葉定律公式：21qTT 由于熱阻層需要時(shí)間達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，這一時(shí)間限制了熱流變化頻率，且頻率閩值隨著熱阻層的厚度增加而降低，然而減小熱阻層又將導(dǎo)致信噪比降低。熱阻式熱流計(jì)熱阻式熱流計(jì)熱電堆的輸出電壓是多個(gè)熱電偶的輸出電壓之和。 公式：nEnE戈登計(jì)戈登計(jì)原理：傅里葉定律公式：24RTkdqKqE薄壁式熱流計(jì)與戈登計(jì)的異同柱塞式熱流計(jì)柱塞式熱流計(jì)原理：1）能量守恒 2）傅立葉

12、定律公式：其中：21qqqZtzT,q1 LpZtZTC02,tq基于熱圖技術(shù)的熱流測試技術(shù)基于熱圖技術(shù)的熱流測試技術(shù)常用儀器2理論基礎(chǔ)1理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)假設(shè)：1）除了x方向其他方向無限延伸。2）固體內(nèi)部發(fā)生瞬態(tài)一維導(dǎo)熱。數(shù)學(xué)模型：初始條件：邊界條件：22TxTCktpixTT) 0 ,(, 0txTkTTwaw)(h, 0 xiT),(T,xtxerfcTTTTiawiw)exp(12)(hF)(wawTThq常用儀器常用儀器紅外熱圖流量計(jì)：根據(jù)不同溫度下熱輻射在紅外熱圖中引起的顏色和亮度的不同來進(jìn)行熱流測量的流量計(jì)。涂層熱圖流量計(jì)：把某些溫敏材料涂抹在試件表面，隨著溫度的變化溫敏材料的顏色

13、或溫度也隨之發(fā)生變化，以此可以得到試件表面的熱流變化。常用儀器常用儀器溫度、熱流傳感器的標(biāo)定熱流傳感器標(biāo)定熱流傳感器標(biāo)定目的: 1）通過標(biāo)定，確定各種熱流傳感器的響應(yīng)特性、 轉(zhuǎn)換系數(shù)等，為提高測量的準(zhǔn)確性與可靠性提供 技術(shù)基礎(chǔ)。 2）通過標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)熱流測量向已有測量標(biāo)準(zhǔn) (如輻射測量標(biāo)準(zhǔn)、溫度測量標(biāo)準(zhǔn)等)的溯源，為 熱流測量的標(biāo)準(zhǔn)化提供基礎(chǔ)。分類： 1）直接標(biāo)定 2）比較標(biāo)定。直接標(biāo)定法直接標(biāo)定法l 直接標(biāo)定法是在嚴(yán)格控制的加熱環(huán)境中，利用光學(xué)理論計(jì)算或通過熱電校準(zhǔn)方法獲得傳感器感應(yīng)表面的溫度或熱流，從而完成對(duì)熱流傳感器的標(biāo)定。l目前廣泛應(yīng)用的直接標(biāo)定法是黑體輻射法比較法標(biāo)定比較法標(biāo)定l定義：

14、 比較標(biāo)定法是在直接標(biāo)定法的基礎(chǔ)上，通過將已標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)傳感器、待標(biāo)定傳感器分別置于同一熱環(huán)境中，將兩者的測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而完成標(biāo)定。l兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)： 1）要通過直接標(biāo)定法標(biāo)定出準(zhǔn)確可靠的標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器。 2）要使標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器和待標(biāo)定傳感器處于完全相同的加熱環(huán)境中，這需要加熱環(huán)境具有很好的穩(wěn)定性。比較法標(biāo)定比較法標(biāo)定逐級(jí)標(biāo)定：注意：量程重疊范圍要盡量大，外推范圍盡量小比較法標(biāo)定比較法標(biāo)定中低溫：高溫：位移傳感器及其標(biāo)定位移傳感器及其標(biāo)定動(dòng)態(tài)位移測量動(dòng)態(tài)位移測量動(dòng)態(tài)位移測量電氣式位移測量法光電式位移測量法機(jī)械式位移測量法電氣式位移測量法電氣式位移測量法l電感式位移測量系統(tǒng)：當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，空氣

15、間隙x發(fā)生變化，進(jìn)而引起磁路中氣隙磁阻變化，從而引起線圈電感的變化。l公式：l測量范圍：0.0011mm22L102222111102AuWAulAulAuW差動(dòng)變隙式傳感器差動(dòng)變隙式傳感器l差動(dòng)變隙式傳感器sUL1L2RoRooU122131鐵 芯 ；2線 圈 ；3銜 鐵231000002320000011LLLL 00402000212LLLL電感式位移傳感器標(biāo)定電感式位移傳感器標(biāo)定差動(dòng)變隙傳感器抗干擾能力強(qiáng)，精度高，這也使其標(biāo)定難度較大電渦流式位移測量系統(tǒng)電渦流式位移測量系統(tǒng)l原理：當(dāng)線圈通以交流電I1時(shí)，其產(chǎn)生的交變磁場H1會(huì)在被測導(dǎo)體2中產(chǎn)生電渦流I2，而I2又產(chǎn)生一交變磁場H2來阻礙H1的變化，從而使線圈的等效電感L發(fā)生變化。當(dāng)被測導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率都確定，只有x發(fā)生變化時(shí)，通過分析提取等效電感與測量位移間的關(guān)系，就可以建立電渦流位移傳感器。l優(yōu)點(diǎn)：非接觸測量、靈敏度高、 頻響特性好、不受油污影響。電渦流式位移測量系統(tǒng)電渦流式位移測量系統(tǒng) ZFIu公式：將等效電路阻抗的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。電渦流傳感器標(biāo)定電渦流傳感器標(biāo)定光電式位移測量法光電式位移測量法敏感原件：光電位置敏感器件（PSD）原理：當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點(diǎn)的距離為Xa時(shí)，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比