1、綜合實驗一機械工程中的溫度測量在工業生產及實驗研究中，溫度常作為表征對象和過程狀態的重要參數之 一。在機械制造業中，隨精密加工和數控技術的迅速發展， 對加工精度和精度穩 定性提出了越來越高的要求。在精密加工中，熱變形引起的加工誤差竟占總誤差 的40%-70%。對于高精度機床，離開了對溫度的嚴格控制，就根本沒有高精 度可言。對于普通機床，在一般精度加工中，發熱現象也由于機床功率和轉速的 大大提高而越來越嚴重。另外，切削過程中的切削熱現象也影響刀具的耐用度， 限制了切削速度的提高，甚至影響加工質量。因此，學習和了解溫度的測量與控 制，具有極為重要的意義。1、實驗目的研究和檢驗各種工作機械，傳動機械

2、和動力機械工作時，通過構建多點溫度 測試系統，獲取其溫度場的形成變化特點。以期進一步分析產品的設計質量和制 造質量。(1)運用學習的測試技術知識設計組建多點溫度測試系統；(2)學習銅一康銅熱電偶的結構及其原理，測量其靜特性、動特性曲線；(3)學習傳感器在實際測試中應用方法；(4)學會組建合適的測試系統的一般方法；(5)通過測試了解機床溫度場的形成，認識機床熱態特性的重要意義。2、實驗對象普通車床或其它運行機械設備作為實驗對象， 通過對機床溫度場的測量，確 定出機床熱態特性，分析其對機床運行的影響。3、實驗設備(1)銅一康銅熱電偶，水銀玻璃溫度計，半導體測溫傳感器等;(2)溫度標定裝置；(3)多

3、點轉換開關；(4)電位差計；(5)函數記錄儀；(6)普通車床；(7)相關低值易耗品。4、實驗步驟4.1實驗準備(1)機床溫度場測試實驗方案設計；(1)繪制實驗設備布置圖；(2)實驗設備連線圖；(3)熟悉實驗設備，重溫熱電偶得測量原理和一般結構，了解銅一康銅熱電偶 的特點；(4)撰寫實驗操作步驟說明；(5)預測實驗中可能出現的問題及解決方法。4.2實驗操作(1)制作銅一康銅熱電偶(可選)；(1)重溫熱電偶的三個基本定律(均勻電路定律、中間金屬定律、中間溫度定 律)。(2)組建熱電偶靜特性測試系統，測量銅一康銅熱電偶的靜特性曲線。即其分 度表。(3)組建熱電偶的動特性測試系統，測量銅一康銅熱電偶的

4、動特性曲線。理解 其意義。(4)合適選擇本實驗中機床的測點，清潔測點位置。對車床變速箱而言，箱體 前后端面上的溫升情況較為重要，其溫度場情況較為復雜，在本實驗中處 理從簡。(5)在車床箱體上，使用銅一康鋼熱電偶合適布置測溫點，組建機床溫度場測 量系統。(6)在車床開車前須把布置好的各測點的原始工況下的溫度值測量并記錄下 來。(7)注意環境溫度變化。(8)車床開車后前三次測量每10分鐘一次，以后每隔15分鐘進行一次：并記 錄測得的數據。(9)在機床空載、高速運轉適度時間之時，即機床達熱平衡后停車，記錄停車 前各點穩定溫度值和穩定溫升值。附注：根據金屬切削機床通用技木條件(JB2278- 78)關

5、于機床達熱平衡 的定義即以機床主軸軸承達到穩定溫度值為準(即該點的溫升為每小時小于5C)0定溫度值減去當時室溫值即為穩定溫度的溫升值。5、實驗報告(1)說明熱電偶的測溫原理。(2)敘述在實驗中要注意的問題有哪些？如在制作熱電偶時有哪些注意事項， 在使用電位差計要注意的問題有哪些？。(3)實驗中是如何組建熱電偶靜特性測試系統的，畫出電路圖并說明電路設計原理。(4)整理試驗數據，畫出銅一康銅熱電偶的靜特性曲線，并進行線性擬合，計 算非線性度誤差和靈敏度，得出銅一康銅熱電偶的分度表。分析實驗中可 能存在的誤差。(5)在本實驗中，是如何采用熱電偶進行溫度測量的？做出溫度關于時間的曲 線圖，并說明溫度一

6、時間曲線圖在實際當中有些什么應用？6實驗原理6.1常用溫度傳感器分類從理論上講，凡隨溫度變化，其物理性質也發生變化的物質皆能作為測溫傳 感器。但是，要想測量獲得準確的溫度值，則不是所有上述物質都能適用。一般 而言，用于測量溫度的敏感元件原則上應該滿足下列要求：a溫敏件的測溫特性應該僅和溫度有關，測溫特性隨溫度變化的函數曲線應 呈線性特性，而且測溫特性的變化應該明顯，即有較高的靈敏度。b.溫敏件在長期使用過程中，其測溫特性應具有較好的穩定性。c.溫敏件應該具有較寬的測溫范圍， 即在不改變測溫特性的條件下，溫敏件 能測量高、低溫的范圍越寬越好。實際上，完全滿足以上要求的溫敏件是不存在的。目前，溫度

7、傳感器形式多樣，分類方式繁多。常用的溫度傳感器可以分類如圖9- 3所示。溫度傳感器還可以分為接觸式和非接觸式兩大類。 所謂接觸式就是傳感器直接與 被測物體接觸，這是測溫的基本形式。這種形式是通過接觸方式把被測物體的 熱能量傳送給溫 敏傳感器，這就降低了被測物體的溫度。特別是被測物體較小, 熱能量較弱時，不能正確地測得物體的真實溫度。因此，采用接觸方式時，測得 物體真實溫度的前提條件是，被測物體的熱容量必須足夠大于溫度傳感器。非接觸方式是測量被測物體的輻射熱的一種方式，它可以測量遠距離物體的 溫度，這是接觸方式做不到的。但是要注意采用非接觸式溫度傳感器較難測量土 1C以下的溫度。溫 度 傳 感

8、器溫敏=嬴尋-i集成暹反傳懸器熱電式!-. 熱一田閶 全幅射高溫訐一轄射式L一光學高溫計先電高溫計比色高癰lI熱敏電容I石項溫度計表面皮圖1溫度傳感器分類6.2熱電偶熱電偶是目前工業上應用較為廣泛的溫敏元件之一， 一般用于測量500 C以 上的溫度。普通熱電偶的測溫上限可達1300 c，短時間使用測溫上限可達1600 C , 特殊材料制成的熱電偶可以測量 2000c至2800c的高溫。熱電偶是一種發電型的溫敏元件，它將溫度信號轉換成電勢信號，配以測量 電勢信號的儀表或變送器，便可以實現溫度的測量或溫度信號的變換。熱電偶之所以應用廣泛是因為它有如下特點:精度高 熱電偶的測溫精度可達 0.10.2

9、 C ,僅次于熱電阻。由于熱電偶具有良好的復現性和穩定性；所以國際實用溫標中規定熱電偶作為復現630. 741064. 43C范圍的標準儀表。結構簡單 熱電偶結構簡單，制造極為方便。用途廣泛 熱電偶的用途非常廣泛，除了用來測量各種流體的溫度外，還 常用來測量固定表面的溫度。 熱電偶的測溫范圍為-270C至2800C,熱電偶可 直接反映平均溫度或溫 差。動態特性好 由于熱電偶的測量端可以制成很小的接點， 響應速度快，其 時間常數可達毫秒級，甚至微秒級。了熱電偶，如圖1 4所示。A、B叫做熱偶絲，也叫熱電極。放置在被測介質中的一端，即 a端，也稱 工作端，或稱測量端。熱電偶一般用于測量高溫，所以工

10、作端一般置于高溫介質 中，因而a端也稱熱端；另外一端b則稱為參比端，也稱為自由端。通常用熱電偶測溫時，b端用來接測量儀表，其溫度t0通常是環境溫度，或 某個恒定的溫度（如50C, 0C）,它一般低于工作端溫度，所以常稱為冷端。如果把熱電偶的自由端焊接在一起。在熱電偶組成的閉合電路中，放置一當t=t0時，磁針不動，當twt0時，磁針就發生偏轉，其偏轉方向和熱電偶 兩端溫度的高低及兩極的性質有關。上述現象說明，當熱電偶兩端溫度 twt0時，回路中產生了電流，這電流稱為熱電流。其電勢稱為熱電勢。這種物理現象稱為熱電現象。當自由端的溫度 t0保持一定時，熱電勢的方向及大小僅與熱電極的材料和工作端的溫度

11、有關，即熱 電勢是工作端溫度t的函數。這即是熱電偶測溫的物理基礎。熱電勢由接觸電勢 和溫差電勢兩部分組成。接觸電勢導體中都存在自由電子，材料不同，自由電子濃度不同。設導體A、B的自 由電子濃度分別為nA和設心/，如圖16所示。圖4接觸電子示意圖當兩導體接觸后，自由電子便從濃度高的一方向濃度低的一方擴散。結果界 面附近導體A失去電子帶正電，導體 B得到電子帶負電而形成電位差，當電子 擴散達到動態平衡時。界面的電勢為：,nAln AnB(1-6)KTeAB 二 q式中：K玻爾茨曼常數T一一絕對溫度q電子電荷由式(1-6)可以看出，當A、B材料相同(即nA = nB)時，eAB=0。溫差電勢在一根金

12、屬導體上，如果存在溫度梯度，也會產生電勢。因為溫度不同自由 電子的運動速度不同。溫度梯度的存在必然形成自由電子運動速度的梯度， 電子 從速度大的區域向速度小的區域擴散， 造成電子分布不均，形成電勢差，稱為溫 差電勢。當導體兩端溫度分別為t, t0時的溫差電勢：t eA =1二 dt (1-7) t0式(1-7)中：為溫差系數，與材料性質以及導體兩端的平均溫度有關。(2)熱電偶基本定律從熱電現象的討論中知道，在圖1-7所示的熱電偶回路中，兩電極接觸處有接觸電勢eAB(t )ffieAB(t0),A導體和B導體的兩端之間有溫差電勢eA(t,t0 )和eB(t,t01如果tt0,各電勢方向示于圖17

13、。*1 旬）圖5熱電偶的熱電勢回路中的總電勢用符號EAB（t,t0）來表示。總電勢等于回路中各電勢的代數和EAB（t, t0）-AB（t） B （t, t0 ） AB （t0）-A（t,t0）將式eA（t,t0） =eA（t） -eA（t0）eB（t,t）二兔-eB（t0）代人上式中，得Eab （t ,t0） =eAB（t） eB（t） - a （t） - eAB（t0） % （t0） - eA（t0）= Fab。） FAB（t。）（1-8）式中：FAB（t）, FAB（t0）稱為分熱電勢。由于函數FAB的形式并不知道。所以熱 電偶的熱電勢的數值只能用實驗的方法來確定。由式（1-8）可以導出熱

14、電偶的基本定律。均勻電路定律由單一的均勻金屬構成的閉合同路，無論何種狀態加溫，也不會產生熱電勢。中間金屬定律用熱電偶測量溫度時，回路中總要接入儀表和連接導線。可以證明，無論是將材料A或B斷開還是將冷端斷開，在斷開處插入測量儀表（即第三種材料C）或插人更多材料，只要插入材料的兩端溫度相同，則插入后對回路熱電勢沒有影 響，如圖1-8。任何兩種均勻材料構成的熱電偶，熱端為t1,冷端為t2時的熱電勢，等于此 熱電偶熱端為ti、冷端為t3的熱電勢和同一熱電偶熱端為t3,、冷端為t2的熱電勢 之代數和。EAB（t1,t2）=EAB（t1,t3） EAB（t3,t2）（1 一 9）一般情況下，熱電偶的分度表

15、都是以冷端為 0c時作出的。在一般工程測試 中，如果冷端不是攝氏零度，就需要利用中間溫度定律修正測量的結果，如圖 1-9。圖7 中間溫度定律（3）熱電偶的種類和特性熱電偶通常分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩類。標準化熱電偶標準化熱電偶是指制造工藝比較成熟， 應用廣泛，能成批生產。性能優良而 穩定，并已列入工業標準化元件中的那些熱電偶。標準化熱電偶具有統一的分度表，同一型號的標準化熱電偶具有互換性。1975年國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦七種標準化熱電偶：a.柏銘10 一柏熱電偶（S型熱電偶）這是貴金屬熱電偶，可用于測量高溫，長時間使用可達1300C,短時間使用 可達 1600Co它的

16、物理、化學穩定性好，能在氧化性氣氛中長期使用，但 不能在還原性氣氛及含有金屬及非金屬蒸汽氣氛中使用，除非外面加保護套管。 這種熱電偶的缺點是價格昂貴，熱電勢小，熱電勢率平均9仙V/C,故需配靈敏度高的顯示儀表。伯銘l0 一柏熱電偶的分度號原為LB 3,現為S,其誤差限及溫度范圍可參見表1-2表1-2熱電偶的誤差限及溫度范圍允差等級123允差值（土）R,皿B型1（3或1十4 - 1100）X 0. 003 C符合誤差限的溫度范圍01600 c1.5 C 或 0. 25% t01600 c 600 1700 c4 c或 0.5 %t600 1700 c允差值（土）K型E型J型1.5C或 0.4%t

17、 符合誤差限的溫度范圍-40 1000 c-40 800 c-40 750 c2. 5 C或 0. 75% t-401200 c-40900 c-40750 c2. 5c或 1. 5% t-200 40 c-200 40 c允差值（土）.T型0. 5 c或0. 4%t符合誤差限的溫度范圍-40+350C1C或 0. 75%t-40+350 C1C 或 1.5%t-200+40C注：表中t為被測溫度的絕對值。b.伯銘13-柏熱電偶（R型熱電偶）該熱電偶與S型熱電偶的特點相同；由于在正極伯銘合金中增加了銘的含 量。它比S型熱電偶的性能更加穩定，熱電勢也較大。c.伯銘30伯銘6熱電偶（B型熱電偶）這

18、也是貴金屬熱電偶，使用溫度比第一種更高，長期使用最高溫度可達1600C,短期使用可達1800C。該熱電偶與柏銘10 一柏熱電偶相比，提高了抗 氧化能力和機械強度，熱電特性更加穩定，但產生的熱電勢更小。d.鍥銘一鍥硅（鍥鋁）熱電偶（K型熱電偶）這是一種應用非常廣泛的廉價金屬熱電偶。長期使用的最高溫度可達900C ,短期使用的最高溫度可達1200c。該熱電偶由于在熱電極中含有大量鍥， 故在高溫下抗氧化能力及抗腐蝕能力都很強。 該熱電偶的熱電勢率比S型熱電偶 大4-5倍，而且熱電勢與溫度的關系近似直線。鍥銘一鍥鋁熱電偶與鍥銘一鍥硅熱電偶的熱電特性幾乎完全一樣，但鍥鋁合金在高溫下易氧化，穩定性差，而鍥

19、硅合金在抗氧化和熱電特性的穩定性方面都 比鍥鋁合金要強。因此，我國已基本上用鍥銘一鍥硅熱電偶取代了鍥銘一鍥鋁熱 電偶。e銅一康銅熱電偶（T型熱電偶）該熱電極材料均勻性好，熱電勢大，靈敏度高，線性好，在-200+350 C范國內，廉價金屬熱電偶中它的準確度最高。由于銅熱電極易被氧化，故一般 在氧化性氣氛中使用時不宜超過 300c。在低于-200C以下使用時線性差，靈敏 度迅速下降，所以一般都用在-200c以上。f.鍥銘一康銅熱電偶（E型熱電偶）鍥銘一康銅熱電偶的最大特點是在常用熱電偶中其熱電勢率最大，即靈敏度最高。在 相同溫度下，其熱電勢比 K型熱電偶幾乎高一倍。該熱電偶適 宜在-250870c

20、范圍內的氧化或惰性氣氛中使用。為了和國際標準一致，鍥銘一康銅熱電偶現已取代我國原標準化鍥銘一康銅熱電偶。g.鐵一康銅熱電偶(J型熱電偶)鐵一康銅熱電偶可用于氧化性和還原性氣氛中，在高溫下鐵熱電極易氧化， 在具有氧化氣氛中使用溫度上限為750C,但在還原性氣氛中使用溫度可達950Co在低溫下，鐵電極 易變脆，性能不如T型熱電偶。非標準化熱電偶非標準化熱電偶是指沒有統一分度表的熱電偶， 雖然在使用范圍和數量上均 不及標準化熱電偶，但在許多特殊工況下，如高溫、低溫、超低溫、高真空和 有核輻射等，以及某些在線測試等，這些熱電偶具有某些特別良好的性能。a鴇銖系熱電偶該類熱電偶是一種高溫熱電偶，長期使用的

21、最高溫度達2800C,短時間使用可達 3000C o該類熱電偶可用于干燥的氫氣、中性氣氛和真空中，不宜用 于還原性氣氛、潮濕的氫氣及氧化性氣氛中。其常用溫度為3002000C,分度精度為土 t%,熱電勢與溫度關系幾乎呈線性，在溫度為2000c時，熱電勢接近 30mVob.鉞銘系熱電偶該類熱電偶宜在真空和中性氣氛中，特別是在氧化氣氛中可測2000c的高溫熱電偶。c.鍥銘一金鐵熱電偶該熱電偶是一種理想的低溫熱電偶。在溫度為4K時也能保持大于10仙V/ C 的熱電勢。d.自然熱電偶該類熱電偶系指“車刀一工件”熱電偶。主要用于車削溫度的在線測量。 其 熱電勢一溫度曲線基本呈線性關系。在 800c工況時

22、，其熱電勢可達十余毫伏。e非金屬熱電偶該類熱電偶已有熱解石墨熱電偶等多種。具測溫精度可達土l1.5%。在氧化性氣氛中可使用到1700c左右。(4)熱電偶冷端處理如前所述，熱電偶所產生的熱電勢大小與熱電及材料和兩接點的溫度有關， 而熱電偶分度表是以冷端等于0c為條件的，所以使用熱電偶測溫時，冷端若不 是0C ,測溫結果必然會有誤差。一般情況下，只有在實驗室工作才可以保證 0c。 而通常的工程測溫中，冷端溫度大都處在室溫或一個波動的溫度區，這時要測出 實際的溫度，就必須采取修正或補償措施。冰點法該種方法是把熱電偶的冷端直接放在恒為 0c的恒溫容器中，不需要考慮冷 端溫度補償或修正。為了獲得0c的溫度條件，需專門設置冰點容器。一般是將 純凈的水與冰混合，在一個大氣壓力下冰水共存時，其溫度即為0C。冰點法是一種準確度較高的冷端處理方法，但使用起來比較麻煩，需要保持冰水兩相共存，故僅適用于實驗室。工業生產過程和現場測溫使用極為不便。修正法在實際使用中，熱電偶冷端保持 0 c很不方便，但總可以保持在某一不變的 溫度下，此時可以采用冷端溫度修正方法。根據中間溫度定律。有：Eab（T,T） =EAB（T,Tn） Eab（,T。）由上式可知，當冷端溫度不是0C,而是Tn時，熱電偶輸出的熱電勢為Eab T，Tn ）,而不是Eab（T,T ）,故不能直接查分度表。還須加上EAB（Tn，T0）