第6章温度和湿度的测量
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3）中间温度定律 热电偶A、B两结点的温度分别为T、T0时所产生的热电 动势等于该热电偶T、Tn以及Tn、 T0 时的热电动势与的 代数和 。
EAB (T , T0） EAB (T , Tn） EAB (Tn , T0）
例6.1 用镍铬－镍铝热电偶测炉温。已知参考端温度 T0=30℃，测得其热电动势EAB(t，0℃) = 119.44mV。问炉 子的实际温度是多少？
4）参考电极定律 已知热电极A，B与参考电极C组成的热电偶在结点温度 为（T，Ｔ0）时的热电动势分别为、，则在相同温度下， 由A、B两种热电极配对后的热电势可按下面公式计算
E AB T，T0 E AC T，T0 EBC T，T0 或 E AC T，T0 ECB T，T0
铂电阻 铜电阻
1. 铂电阻阻值与温度的关系
在－200℃～0℃范围，温度为t℃时的阻值Rt的表达式为
Rt R0[1 At Bt C(t 100)t ]
2 2
温度为0～650℃范围内
Rt R0(1 At Bt )
2
2. 铜电阻阻值与温度的关系
当温度在0℃～100℃范围内时，可认为Rt与t成线性关系
2. 露点
降低温度可以使原先未饱和的水汽变成饱和，水汽而 产生结露现象。露点就是指：使大气中原来所含有的未饱 和水汽变成饱和水汽所必须降低温度而达到的温度值。因 此，只要测出露点就可以通过查表得到当时大气的绝对湿 度。这种方法可以用来标定本节介绍的湿敏电阻传感器。 露点与农作物的生长有很大关系。另外，结露也严重影响 电子仪器的正常工作，必须予以注意。
机械工程检测技术
第6章 温度和湿度的测量
本章要求
熟悉热电偶、热电阻的工作原理 正确选用相应的传感器对温度进行测量 了解湿度的测量方法以及无损检测技术
第6章 温度和湿度的测量
6.1 温度的测量 6.2 湿度的测量 6.3 无损检测技术
6.1 温度的测量
6.1.1 温度和温标
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测 量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。 温标规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的 单位。 经验温标：摄氏温标t（℃）、华氏温标（℉） 热力学温标T（K开尔文） 热力学温标与摄氏温标之间的关系：t = T - 273.15
4. 热电偶温度补偿
热电偶在使用中的一个重要问题是如何解决冷端温度补偿。 前面讲过热电偶的输出热电势不仅与工作端的温度有关，而 且也与冷端的温度有关。
图6.8 冰浴法补偿
图6.9 电桥法补偿
6.1.5 热电阻温度传感器
热电阻温度传感器的工作原理是基于金属的热电阻效 应，即金属的电阻率随温度的变化而变化。与热电偶相 比，它在低温范围内测量精度高，灵敏度也大约高一个 数量级。但其热接点体积较大，不适于测量点温和动态 温度。
6.2.2 测量湿度的传感器
1. 金属氧化物陶瓷湿度传感器
利用电阻型湿敏多孔陶 瓷材料，如LaO2-TiO2、 SnO2-Al2O2-TiO2、MnO2Mn2O3
金属氧化物膜型湿度 传感器
高分子湿敏电阻传感 器
MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度计湿度曲线
湿敏电阻传感器测量转换电路
2. 金属氧化物膜型湿度传感器
解： ①先查分度表，得 EAB(30，0℃) = 1.203mV
②求相对于０℃的热电势
EAB(t，0℃) = EAB(t，30℃) + EAB(30，0℃) = 19.44＋1.203 = 20.643mV ③查分度表，当EAB(t，0℃) = 20.643mV时，得炉子的 实际温度 t＝500℃
3. 热电偶的基本定律
J
－210～750
1200
3. 热电偶的基本定律
1）均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度 如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 2）中间导体定律
在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相 同，则对热电偶回路的总热电势无影响。
3. 热电偶的基本定律
6.3 无损检测技术
无损Biblioteka Baidu测的方法有超声波探伤、射线照相探伤、电磁 （涡流）探伤、磁粉探伤和渗透探伤等几种。
超声波探伤 射线照相探伤 电磁（涡流）探伤 磁粉探伤
渗透探伤
图6.15 超声波探伤
图6.16 横波单探头探伤法
图6.17 表面波探伤法
6.3.2 无损检测的应用实例
铂铑10－铂
铂铑13－铂 铂铑30－铂铑6 镍铬－镍硅
S
R B K
0～1300
0～1300 0～1600 －270～1000
1700
1700 1800 1300
镍铬硅－镍硅
N
－270～1200
1300
铜－铜镍（康铜） 镍铬－铜镍（康铜）
T E
－270～350 －270～870
400 1000
铁－铜镍（康铜）
6.1.7 集成温度传感器
图6.10 AD590 测温线路
6.1.8 数字式温度仪表
数字式温度仪表是在数字电压表基础上产生的，它是以 数字方式来显示被测温度的仪表。近年来，随着科研和生 产的高速发展，数字式温度仪表的结构和性能有了新的突 破，其线路简化、精度和可靠性提高，表现出了极大的优 越性，冲击着传统的模拟仪表，并有不可阻挡的取而代之 之势。我国数字式温度仪表正向系列化、自动化、程控化 和智能化相结合的方向发展。
检查材质
测定表面层的厚度 质量评定和寿命评定 材料和机器的定量检测
组合件内部结构和组成情况的检查
EAB (T , T0 ) S AB dT eAB T eAB T0
普通工业热电偶
其他热电偶
图6.5 薄膜热电偶图
图6.6 具有中间导体的热电偶回路
2. 标准热电偶的主要特性
热电偶 分 度 号 测温范围/℃ 长期使用 短期使用 特点及应用场合 热电特性稳定，抗氧化性强，测温范围广，测量精度 高，热电势小，线性差，价格高。可作为基准热电偶， 用于精密测量 与S型热电偶的性能几乎相同，只是热电势大15％ 测量上限高，稳定性好，在冷端温度低于l00℃时不用 考虑温度补偿问题，热电势小，线性较差，价格高， 使用寿命远高于S型和R型热电偶 热电势大，线性好，性能稳定，价格较便宜，抗氧化 性强，广泛应用于中、高温测量 在相同条件下，特别是在1100℃～1300℃高温条件下， 高温稳定性及使用寿命较K型热电偶成倍提高，价格远 小于S型热电偶，而性能相近，在－200℃～1300℃范 围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的 趋势 准确度高，价格便宜，广泛用于低温测量 热电势较大，中、低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜， 广泛应用于中、低温测量 价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含铁或碳的条件下 使用稳定，适用于化工生产过程的温度测量
1. 绝对湿度与相对湿度
大气的水汽含量通常用大气中水汽的密度来表示。 即用每1m3大气所含水汽的克数来表示，它称为大气的 绝对湿度。 如果20℃一个大气压下，1m3的大气中只能存在 17g的水汽，则此时的相对湿度为100RH（％）。若同 样条件下的绝对湿度只有8.5g／m3，则相对湿度就只有 50RH（％）。在上述绝对湿度下，将气温降至10℃以 下时，相对湿度又接近100RH（％）。
6.2 湿度的测量
湿度的测量与控制在现代科研、生产、生活中的地位 越来越重要。例如，许多储物仓库在湿度超过某一程度时， 物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺 织厂要求车间的湿度保持在60％～70％RH；在农业生产 中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进 行检测和控制。
6.2.1 大气湿度与露点
6.1.4 热电偶传感器
1. 热电偶传感器的工作原理及分类
热电偶传感器的工作原理是基于物体的热
电效应。由两种不同材料的导体A和B两端 相连组成闭合回路，当两个结点温度不相 同时，回路中将产生电动势。 通常把热电偶的T0端称为参考端，又称自由端或冷端，而把T端称 为热测量端，又称工作端或热端。回路总热电势：
Rt R0(1 t )
＝ 4.275×10-3 （℃-1），R0＝50。
6.1.6 热敏电阻温度传感器
热敏电阻温度传感器的工作原理是基于半导体的热电阻 效应。与金属电阻相比，具有灵敏度高、尺寸小、结构简 单和易于根据需要做成各种形状等优点，缺点是重复性和 稳定性差、非线性严重。
一般用于温度补偿，也用于精度不高的温度测量。热敏 电阻的温度系数有正有负，因此分为PTC热敏电阻（电阻 系数为正）和NTC热敏电阻（电阻系数为负）。不同型号 的热敏电阻测量范围不同，一般为－50℃～＋300℃。
膨胀式温度计
膨胀式温度计的测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，可分为 液体膨胀式和固体膨胀式两种。固体膨胀式温度计是利用两种不同膨 胀系数的材料制成的，分为杆式和双金属式两大类。
图6.1 双金属温度开关
图6.2 双金属式温度计结构 1-指针 2-表壳 3-金属保护管 4-指针轴 5-双金属感温元件 6-固定端 7-刻度盘
6.1.2 测温方法
接触式测温法
测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交 换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值 代表了被测对象的温度值。
非接触式测温法
感温元件不与被测对象接触，而是通过辐射进行热交换， 故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。
6.1.3 接触式测量
EAB (T , T0） EAB (T , Tn） EAB (Tn , T0）
例6.1 用镍铬－镍铝热电偶测炉温。已知参考端温度 T0=30℃，测得其热电动势EAB(t，0℃) = 119.44mV。问炉 子的实际温度是多少？
4）参考电极定律 已知热电极A，B与参考电极C组成的热电偶在结点温度 为（T，Ｔ0）时的热电动势分别为、，则在相同温度下， 由A、B两种热电极配对后的热电势可按下面公式计算
E AB T，T0 E AC T，T0 EBC T，T0 或 E AC T，T0 ECB T，T0
铂电阻 铜电阻
1. 铂电阻阻值与温度的关系
在－200℃～0℃范围，温度为t℃时的阻值Rt的表达式为
Rt R0[1 At Bt C(t 100)t ]
2 2
温度为0～650℃范围内
Rt R0(1 At Bt )
2
2. 铜电阻阻值与温度的关系
当温度在0℃～100℃范围内时，可认为Rt与t成线性关系
2. 露点
降低温度可以使原先未饱和的水汽变成饱和，水汽而 产生结露现象。露点就是指：使大气中原来所含有的未饱 和水汽变成饱和水汽所必须降低温度而达到的温度值。因 此，只要测出露点就可以通过查表得到当时大气的绝对湿 度。这种方法可以用来标定本节介绍的湿敏电阻传感器。 露点与农作物的生长有很大关系。另外，结露也严重影响 电子仪器的正常工作，必须予以注意。
机械工程检测技术
第6章 温度和湿度的测量
本章要求
熟悉热电偶、热电阻的工作原理 正确选用相应的传感器对温度进行测量 了解湿度的测量方法以及无损检测技术
第6章 温度和湿度的测量
6.1 温度的测量 6.2 湿度的测量 6.3 无损检测技术
6.1 温度的测量
6.1.1 温度和温标
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测 量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。 温标规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的 单位。 经验温标：摄氏温标t（℃）、华氏温标（℉） 热力学温标T（K开尔文） 热力学温标与摄氏温标之间的关系：t = T - 273.15
4. 热电偶温度补偿
热电偶在使用中的一个重要问题是如何解决冷端温度补偿。 前面讲过热电偶的输出热电势不仅与工作端的温度有关，而 且也与冷端的温度有关。
图6.8 冰浴法补偿
图6.9 电桥法补偿
6.1.5 热电阻温度传感器
热电阻温度传感器的工作原理是基于金属的热电阻效 应，即金属的电阻率随温度的变化而变化。与热电偶相 比，它在低温范围内测量精度高，灵敏度也大约高一个 数量级。但其热接点体积较大，不适于测量点温和动态 温度。
6.2.2 测量湿度的传感器
1. 金属氧化物陶瓷湿度传感器
利用电阻型湿敏多孔陶 瓷材料，如LaO2-TiO2、 SnO2-Al2O2-TiO2、MnO2Mn2O3
金属氧化物膜型湿度 传感器
高分子湿敏电阻传感 器
MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度计湿度曲线
湿敏电阻传感器测量转换电路
2. 金属氧化物膜型湿度传感器
解： ①先查分度表，得 EAB(30，0℃) = 1.203mV
②求相对于０℃的热电势
EAB(t，0℃) = EAB(t，30℃) + EAB(30，0℃) = 19.44＋1.203 = 20.643mV ③查分度表，当EAB(t，0℃) = 20.643mV时，得炉子的 实际温度 t＝500℃
3. 热电偶的基本定律
J
－210～750
1200
3. 热电偶的基本定律
1）均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度 如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 2）中间导体定律
在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相 同，则对热电偶回路的总热电势无影响。
3. 热电偶的基本定律
6.3 无损检测技术
无损Biblioteka Baidu测的方法有超声波探伤、射线照相探伤、电磁 （涡流）探伤、磁粉探伤和渗透探伤等几种。
超声波探伤 射线照相探伤 电磁（涡流）探伤 磁粉探伤
渗透探伤
图6.15 超声波探伤
图6.16 横波单探头探伤法
图6.17 表面波探伤法
6.3.2 无损检测的应用实例
铂铑10－铂
铂铑13－铂 铂铑30－铂铑6 镍铬－镍硅
S
R B K
0～1300
0～1300 0～1600 －270～1000
1700
1700 1800 1300
镍铬硅－镍硅
N
－270～1200
1300
铜－铜镍（康铜） 镍铬－铜镍（康铜）
T E
－270～350 －270～870
400 1000
铁－铜镍（康铜）
6.1.7 集成温度传感器
图6.10 AD590 测温线路
6.1.8 数字式温度仪表
数字式温度仪表是在数字电压表基础上产生的，它是以 数字方式来显示被测温度的仪表。近年来，随着科研和生 产的高速发展，数字式温度仪表的结构和性能有了新的突 破，其线路简化、精度和可靠性提高，表现出了极大的优 越性，冲击着传统的模拟仪表，并有不可阻挡的取而代之 之势。我国数字式温度仪表正向系列化、自动化、程控化 和智能化相结合的方向发展。
检查材质
测定表面层的厚度 质量评定和寿命评定 材料和机器的定量检测
组合件内部结构和组成情况的检查
EAB (T , T0 ) S AB dT eAB T eAB T0
普通工业热电偶
其他热电偶
图6.5 薄膜热电偶图
图6.6 具有中间导体的热电偶回路
2. 标准热电偶的主要特性
热电偶 分 度 号 测温范围/℃ 长期使用 短期使用 特点及应用场合 热电特性稳定，抗氧化性强，测温范围广，测量精度 高，热电势小，线性差，价格高。可作为基准热电偶， 用于精密测量 与S型热电偶的性能几乎相同，只是热电势大15％ 测量上限高，稳定性好，在冷端温度低于l00℃时不用 考虑温度补偿问题，热电势小，线性较差，价格高， 使用寿命远高于S型和R型热电偶 热电势大，线性好，性能稳定，价格较便宜，抗氧化 性强，广泛应用于中、高温测量 在相同条件下，特别是在1100℃～1300℃高温条件下， 高温稳定性及使用寿命较K型热电偶成倍提高，价格远 小于S型热电偶，而性能相近，在－200℃～1300℃范 围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的 趋势 准确度高，价格便宜，广泛用于低温测量 热电势较大，中、低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜， 广泛应用于中、低温测量 价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含铁或碳的条件下 使用稳定，适用于化工生产过程的温度测量
1. 绝对湿度与相对湿度
大气的水汽含量通常用大气中水汽的密度来表示。 即用每1m3大气所含水汽的克数来表示，它称为大气的 绝对湿度。 如果20℃一个大气压下，1m3的大气中只能存在 17g的水汽，则此时的相对湿度为100RH（％）。若同 样条件下的绝对湿度只有8.5g／m3，则相对湿度就只有 50RH（％）。在上述绝对湿度下，将气温降至10℃以 下时，相对湿度又接近100RH（％）。
6.2 湿度的测量
湿度的测量与控制在现代科研、生产、生活中的地位 越来越重要。例如，许多储物仓库在湿度超过某一程度时， 物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺 织厂要求车间的湿度保持在60％～70％RH；在农业生产 中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进 行检测和控制。
6.2.1 大气湿度与露点
6.1.4 热电偶传感器
1. 热电偶传感器的工作原理及分类
热电偶传感器的工作原理是基于物体的热
电效应。由两种不同材料的导体A和B两端 相连组成闭合回路，当两个结点温度不相 同时，回路中将产生电动势。 通常把热电偶的T0端称为参考端，又称自由端或冷端，而把T端称 为热测量端，又称工作端或热端。回路总热电势：
Rt R0(1 t )
＝ 4.275×10-3 （℃-1），R0＝50。
6.1.6 热敏电阻温度传感器
热敏电阻温度传感器的工作原理是基于半导体的热电阻 效应。与金属电阻相比，具有灵敏度高、尺寸小、结构简 单和易于根据需要做成各种形状等优点，缺点是重复性和 稳定性差、非线性严重。
一般用于温度补偿，也用于精度不高的温度测量。热敏 电阻的温度系数有正有负，因此分为PTC热敏电阻（电阻 系数为正）和NTC热敏电阻（电阻系数为负）。不同型号 的热敏电阻测量范围不同，一般为－50℃～＋300℃。
膨胀式温度计
膨胀式温度计的测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，可分为 液体膨胀式和固体膨胀式两种。固体膨胀式温度计是利用两种不同膨 胀系数的材料制成的，分为杆式和双金属式两大类。
图6.1 双金属温度开关
图6.2 双金属式温度计结构 1-指针 2-表壳 3-金属保护管 4-指针轴 5-双金属感温元件 6-固定端 7-刻度盘
6.1.2 测温方法
接触式测温法
测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交 换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值 代表了被测对象的温度值。
非接触式测温法
感温元件不与被测对象接触，而是通过辐射进行热交换， 故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。
6.1.3 接触式测量