测温与传感技术习题及解析

测温与传感技术习题及解析一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1.在国际实用温标（ITS-90）中，规定热力学温度的单位是开尔文（K），1开尔文定义为水三相点热力学温度的（）。A.1/100B.1/273.15C.1/273.16D.1/293.152.热电偶测温原理是基于（）效应。A.光电B.压电C.热电D.霍尔3.标准铂电阻温度计（SPRT）在定义固定点之间的温度是通过（）来内插计算的。A.线性插值法B.参考函数和偏差函数C.最小二乘法D.查表法4.下列热电偶材料中，测温范围上限最高（可达3000℃以上）的是（）。A.K型（镍铬-镍硅）B.S型（铂铑10-铂）C.B型（铂铑30-铂铑6）D.T型（铜-康铜）5.NTC热敏电阻的主要特性是（）。A.电阻值随温度升高而增大B.电阻值随温度升高而减小C.电阻值与温度成线性关系D.电阻值随温度变化保持不变6.在热电偶回路中，当接入第三种金属材料（中间导体）时，只要该材料两端温度相同，则（）。A.热电势将增大B.热电势将减小C.对总热电势无影响D.热电势变为零7.辐射测温方法中，全辐射温度计测量的是物体的（）。A.亮度温度B.辐射温度C.真实温度D.颜色温度8.Pt100铂热电阻在0℃时的阻值应为（）。A.10ΩB.50ΩC.100ΩD.1000Ω9.根据普朗克定律，黑体的单色辐射出射度随波长的变化中，峰值波长与温度T的关系遵循（）。A.斯特藩-玻尔兹曼定律B.维恩位移定律C.基尔霍夫定律D.朗伯定律10.为了消除热电偶冷端温度变化对测量的影响，常用的硬件补偿方法是采用（）。A.桥式补偿电路B.滤波电路C.放大电路D.整流电路11.双金属片温度计的工作原理是基于两种金属的（）不同。A.导电率B.密度C.热膨胀系数D.比热容12.在使用红外热像仪时，为了获得准确的温度读数，必须设置正确的（）参数。A.距离和湿度B.发射率和背景温度C.大气压强和风速D.焦距和光圈13.半导体PN结温度传感器在正向电流恒定时，其正向压降随温度升高而（）。A.升高B.降低C.不变D.呈非线性变化（先升后降）14.下列关于接触式测温与非接触式测温的描述，错误的是（）。A.接触式测温必须要有良好的热接触B.非接触式测温不会破坏被测温度场C.接触式测温响应速度通常比非接触式慢D.非接触式测温可以测量物体内部温度15.热电阻引线采用三线制接法的主要目的是（）。A.增加灵敏度B.减小非线性误差C.消除引线电阻的影响D.提高测量上限二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题给出的四个选项中，有多项是符合题目要求的。全部选对得3分，少选得1分，错选不得分）1.热电偶中间导体定律（第三导体定律）在实际应用中的意义包括（）。A.允许在热电偶回路中接入测量仪表B.允许使用开路热电偶测量液态金属温度C.允许采用任意材料做连接导线D.证明了热电势与中间导体材质无关2.造成接触式测温误差的主要原因有（）。A.传热误差（导热、对流、辐射换热）B.动态误差（热滞后）C.流体干扰误差D.传感器本身的分度误差3.下列属于辐射温度计类型的有（）。A.光学高温计B.光电高温计C.比色温度计D.红外热像仪4.关于热敏电阻，下列说法正确的有（）。A.体积小，热惯性小，响应速度快B.灵敏度高，电阻随温度变化率大C.互换性较差，非线性严重D.测温范围通常比热电阻宽5.标准铂电阻温度计（SPRT）作为温标定义的仪器，其特点是（）。A.稳定性极高B.复现性好C.结构简单坚固D.价格低廉，适合工业现场广泛使用三、填空题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。请将答案写在答题纸的指定位置）1.热力学温度（符号T）与摄氏温度（符号t）之间的换算关系为t=2.塞贝克效应产生的热电势由接触电势（珀尔帖电势）和________电势（汤姆逊电势）两部分组成。3.ITS-90规定了若干个定义固定点，其中水三相点的温度值是________K，锡凝固点是________℃。4.常用的标准化热电偶中，________型热电偶（字母代号）在廉价金属热电偶中抗氧化性最强，应用最广。5.工业用铂热电阻的电阻值与温度的关系近似为=(1+At+B6.红外辐射在大气中传输时，主要受大气中水蒸气、二氧化碳等气体的吸收，通常被称为“大气窗口”的波段是________μm、3~5μm和________μm。7.根据斯特藩-玻尔兹曼定律，黑体的总辐射出射度M与其热力学温度T的________次方成正比。8.热电偶的冷端温度补偿通常有两种方法：一种是计算法（查表修正），另一种是________。9.光纤温度传感器主要分为功能型（传感型）和________型（传光型）两大类。10.在测量气流温度时，由于传感器探头对气流的滞止作用，测得的温度通常高于气流的真实温度（静温），该温度被称为________温度。11.PTC热敏电阻在达到某一特定温度（居里点）时，其阻值会随温度升高而急剧________。12.使用热电偶测温时，若补偿导线极性接反，则仪表指示值将比实际值________（填“偏高”或“偏低”）。13.某物体的发射率ϵ定义为：实际物体的辐射出射度与同温度下________的辐射出射度之比。14.集成温度传感器（如AD590）的输出通常为________信号，且与绝对温度成线性关系。15.测温传感器的时间常数τ越小，说明其________越快。四、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分。正确的打“√”，错误的打“×”）1.任何两种不同的金属或半导体材料组成闭合回路，只要两端温度不同，就会产生热电势。（）2.热电偶的测温电势大小取决于热端和冷端的温度差，与热电偶材料的几何尺寸和形状无关。（）3.补偿导线的作用是将热电偶的冷端延伸到仪表室，它必须在规定的温度范围内（通常0~100℃）与所配热电偶具有相同的热电特性。（）4.所有物体的红外辐射能力都相同，只取决于温度。（）5.铂热电阻测温精度高，稳定性好，因此不仅可用于工业测温，也是复现ITS-90在13.8033K~961.78℃范围内的标准仪器。（）6.热敏电阻的测温范围非常宽，可以从极低温到几千度的高温。（）7.在辐射测温中，测量得到的亮度温度总是低于物体的真实温度（假设发射率小于1）。（）8.热电偶回路中，如果中间导体两端温度不相等，则会对测量结果产生影响，该影响无法计算和消除。（）9.接触式测温中，增加测温元件的插入深度，可以减小沿引线的导热损失，从而提高测量精度。（）10.比色温度计利用两个不同波长下辐射强度的比值来测量温度，受发射率影响较小，适合测量灰体温度。（）五、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1.简述热电偶测温的基本原理，并写出热电势与温度关系的数学表达式（注明各符号含义）。2.试比较热电阻（RTD）与热敏电阻在测温特性上的主要区别（至少列出三点）。3.什么是辐射测温中的“发射率”？它对辐射测温结果有何影响？如何减小其影响？4.简述热电偶中间温度定律的内容及其在实际工程中的应用意义。5.为什么在使用辐射温度计测量物体表面温度时，需要避免周围高温物体或强光源的反射干扰？六、计算分析题（本大题共4小题，共55分）1.（10分）有一支分度号为K型的镍铬-镍硅热电偶，其工作端温度t=800℃((请计算此时输入仪表的总热电势为多少？若仪表冷端温度已自动补偿到0℃，且仪表按K型分度表刻度，则仪表显示的示值为多少？2.（15分）一支Pt100铂热电阻，在0℃时电阻值为=100.00Ω。其电阻-温度关系满足R(t)(1)试计算温度为100℃(2)若测得某温度下的电阻值为138.50Ω3.（15分）某黑体辐射源，其工作温度为T=1500K(1)根据斯特藩-玻尔兹曼定律，计算该黑体的总辐射出射度M。(2)根据维恩位移定律，计算其单色辐射出射度对应的峰值波长（维恩位移常数b=2.897(3)若将该黑体视为灰体，且其表面发射率ϵ=4.（15分）使用热电偶测量管道内高温气流温度。已知气流真实温度为=600℃，管道壁面温度为=400℃。热电偶探头与气流之间的对流换热系数(1)试建立热电偶探头结点的热平衡方程。(2)计算热电偶的指示温度t（即探头达到热平衡时的实际温度）。(3)分析辐射换热造成的测温误差，并提出一种减小该误差的措施。（提示：辐射换热公式q=ϵσ()，其中T参考答案及解析一、单项选择题1.C[解析]ITS-90定义：1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。2.C[解析]热电偶利用塞贝克效应，即热电效应。3.B[解析]标准铂电阻在固定点间通过参考函数和偏差函数进行内插。4.C[解析]B型（铂铑30-铂铑6）热电偶可长期测量1600℃，短期可达1800℃，甚至在特定条件下更高，是常规热电偶中上限最高的。S型通常为1600℃。5.B[解析]NTC（NegativeTemperatureCoefficient）为负温度系数热敏电阻。6.C[解析]中间导体定律：只要中间导体两端温度相同，对总热电势无影响。7.B[解析]全辐射温度计测量的是辐射温度；光学高温计测亮度温度；比色温度计测颜色温度。8.C[解析]Pt100表示0℃时阻值为100Ω。9.B[解析]T=10.A[解析]桥式补偿电路（利用不平衡电桥产生的电势补偿冷端电势）是常用硬件补偿法。11.C[解析]双金属片基于不同材料热膨胀系数差异导致弯曲变形。12.B[解析]发射率是红外测温最关键的参数，背景温度用于补偿环境辐射。13.B[解析]PN结正向压降具有约-2mV/℃的温度系数，随温度升高而降低。14.D[解析]非接触式测温基于表面辐射，只能测量表面温度，无法测量内部。15.C[解析]三线制接法是为了消除连接导线电阻及其随温度变化对测量结果的影响。二、多项选择题1.AB[解析]中间导体定律允许接入仪表（只要仪表两端同温）和测量液态金属（液态金属作为中间导体）。C选项错误，连接导线必须使用匹配的补偿导线或在特定条件下才可。D选项错误，是两端同温时无关。2.ABCD[解析]接触式测温误差来源复杂，包括传热（导热、辐射）、动态响应、流场破坏及传感器自身误差。3.ABCD[解析]光学高温计、光电高温计、比色温度计、红外热像仪均属辐射测温范畴。4.ABC[解析]热敏电阻体积小、灵敏度高、但非线性严重且互换性差。D错误，其测温范围通常比热电阻窄。5.AB[解析]SPRT稳定性、复现性极好，但结构脆弱（细铂丝），价格昂贵，不适合恶劣工业现场。C、D错误。三、填空题1.273.15，摄氏度（℃）2.温差（或汤姆逊）3.273.16，231.9284.K5.100，3.90836.1~2，8~147.48.补偿电桥法（或硬件补偿法）9.非功能（或传光）10.滞止（或总温）11.增大12.偏低13.黑体14.电流15.动态响应（或响应速度）四、判断题1.√[解析]塞贝克效应的基本定义。2.√[解析]热电势仅与材料和两端温度有关，与尺寸形状无关。3.√[解析]补偿导线的定义及作用。4.×[解析]不同物体发射率不同，辐射能力也不同。5.√[解析]铂电阻的高精度特性使其成为标准温度计。6.×[解析]热敏电阻通常用于-50~300℃范围，无法覆盖极宽温区。7.√[解析]亮度温度定义：当实际物体辐射亮度等于黑体在某温度下的辐射亮度时，该黑体温度为亮度温度。因实际物体ϵ<8.×[解析]即使温度不等，产生的附加电势也是确定的，可以通过计算修正，并非无法消除，只是引入了误差。9.√[解析]增加插入深度可减小热沿电极向外散失，使测端更接近介质温度。10.√[解析]比色法基于比值，若两个波长发射率相等（灰体），则比值与发射率无关，误差小。五、简答题1.答：热电偶测温原理基于塞贝克效应。将两种不同材料的导体（或半导体）A和B焊接成一个闭合回路，当两个接点温度T和不同时，回路中就会产生热电势。数学表达式为：(或者更具体地表示为接触电势与温差电势之和：(其中(T,)为总热电势，T为热端温度，为冷端温度，A、2.答：(1)温度特性：热电阻（如Pt100）具有近似线性的正温度系数特性，阻值随温度升高而增大；热敏电阻（特别是NTC）具有显著的非线性，阻值随温度升高而急剧减小。(2)灵敏度：热敏电阻的电阻温度系数绝对值远大于热电阻，灵敏度更高。(3)测温范围与精度：热电阻测温范围较宽（通常-200~850℃），稳定性好，精度高，适合标准与工业精密测量；热敏电阻测温范围相对较窄，体积小，热惯性小，适合点温测量与温控，但互换性较差。3.答：(1)发射率定义：实际物体的辐射出射度M与同温度下黑体的辐射出射度之比，即ϵ=M(2)影响：辐射测温仪表通常是按黑体（ϵ=1）分度的。对于实际物体（(3)减小影响措施：在测量前准确设置仪器中的发射率参数。对被测表面进行涂覆处理（如涂已知发射率的涂料），使其接近黑体。采用比色测温法，利用两个波长辐射强度的比值测温，可在一定程度上抵消发射率的影响（尤其对灰体）。4.答：(1)内容：中间温度定律指出，热电偶回路在两接点温度为、时的热电势，等于该热电偶在接点温度为、时的热电势与在接点温度为、时的热电势的代数和。即(,)=(,)+(2)应用意义：冷端补偿：当热电偶冷端温度不为0℃时，无法直接查表。利用该定律，可将测得的(T,)加上(,0)补偿导线延伸：利用该定律，热电偶与补偿导线连接后，相当于将热电偶冷端延伸到了补偿导线的末端，便于集中补偿。5.答：辐射温度计测量的是探测器接收到的总辐射能量，这包括目标物体自身发射的辐射和反射来自周围环境的辐射。如果周围存在高温物体或强光源，被测表面会反射这些外部辐射。探测器无法区分哪些是目标自发辐射，哪些是反射辐射，从而导致接收到的总能量增加，使得测量结果显著高于目标表面的真实温度。因此，测量时应尽量避免外部强辐射源的干扰，或采取遮蔽措施。六、计算分析题1.解：根据中间温度定律，总热电势等于热端与冷端相对0℃的电势之差（或代数和）。已知(800,0(1)输入仪表的总热电势为：==(2)若仪表已进行冷端自动补偿（即已将冷端修正为0℃），则仪表内部处理后的电势对应的是(t在此题中，仪表自动补偿意味着它测量到32.072mV后，自动加上30℃对应的电势1.203实际上，自动补偿仪表的显示值是基于+查表。这里=32.072mV总等效电势=32.072查分度表，33.275mV对应的温度为答：输入仪表的热电势为32.072mV，仪表显示的示值为2.解：(1)计算t=RRR(2)求解温度t当R(代入公式：138.501.385整理得：−这是一个一元二次方程a+a=−5.775×使用求根公式t=判别式ΔΔ≈t=t（注：由于计算精度保留，结果非常接近100℃）答：(