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1、1,传感器与检测技术,同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系,主讲教师：苏永清,作业！,5-6 5-7 7-10 7-11 7-12 7-13,上讲内容回顾,重点掌握 热电效应？热电式组成 热电偶基本定律 一般了解 常用热电偶材料 热电偶冷端补偿方法,请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。,黄,绿,红,L1,L2,L3,接大地铜排,接零,热电偶输出端,电炉,交流接触器,三相 空气开关,380V线圈的交流接触器连接过程,当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。,接大地铜排,电炉,接零,“3”端接何处,热电偶,热电式传感器是利用
2、转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。,7-2 热电阻传感器,一. 热电阻 1.热电阻材料的特点 热电阻材料必须具有以下特点： (1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。 (2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。 (3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。 (4).良好的工艺性，以便于
3、批量生产、降低成本。 适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。,2.铂、铜热电阻的特性 铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。 铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。, 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。, 铂热电阻 目前最好材料,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高， 国际实用温标规定，作为基准器的铂
4、电阻，W（100）1.3925 目前技术水平已达到W（100）1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时：,当温度t在0 t 650时：,国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391， R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100， 其分度表（给出阻值和温度的关系）, 铜热电阻,应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150 优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。 缺 点： 易于氧化，一般只用于150以
5、下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,关系是线性的,工业上使用的标准化铜热电阻的R0 按国内统一设计取50和100两种， 分度号分别为Cu50和Cu100， 相应的分度表可查阅相关资料。,二. 热电阻的结构,普通工业用热电阻式温度传感器,铜热电阻结构示意图,铂热电阻结构示意图,三、热电阻测温线路,工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表安装在控制室，其问的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻的阻值串联在一起，造成测量误差。如果每根导线的阻值是r，测量结果中必然含有绝
6、对误差2r。实际上这种误差很难修正，因为导线阻值r是随其所处环境温度而变的，而环境温度变化莫测，这就注定了用两线制连接方式不宜在工业热电阻上应用。,（一）三线制 （二）四线制,16,三线制测量电桥,四线制接法,问题1 简述 热敏电阻的主要特点 2 热敏电阻的典型结构 3 热敏电阻的主要材料,7-3 热敏电阻温度传感器,1. 标称电阻R25（冷阻） 标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。,二、热敏电阻的基本参数,2. 材料常数BN 是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能E,具有BN=E2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大
7、，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。,3. 电阻温度系数（t） 热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。,4. 耗散系数H 热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。,6. 最高工作温度Tmax 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度： T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H耗散系数 7. 最低工作温度Tmin 热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。 8. 转变点温度Tc 热敏电阻器的电阻一温度特性曲线
8、上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。,5. 时间常数 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系,9. 额定功率PE 热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。 10. 测量功率P0 热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1时所消耗的功率 11. 工作点电阻RG 在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。,12. 工作点耗散功率PG 电阻值达到
9、RG时所消耗的功率。 UG电阻器达到热平衡时的端电压。,（一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT）,1,2,3,4,铂丝,40,60,120,160,0,100,101,102,103,104,105,106,RT/,温度T/C,热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC,三、热敏电阻器主要特性,TT与RTT特性曲线一致。,RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。 由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。,1 负电阻温度系数(
10、NTC)热敏电阻器的温度特性,NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：,如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN ，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。,材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。,为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：,RT/R25BN关系如下表。,RTR25BN系数表,2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性,其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型
11、特性曲线如图,10000,1000,100,10,0,50,100,150,200,250,R20=120,R20=36.5,R20=12.2,PTC热敏电阻器的电阻温度曲线,T/C,电阻/,Tp1,Tp2,Tc=175 C,PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp 。 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验
12、公式表示： 式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。 若对上式取对数，则得：,以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。,）,可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp ，正好等于它的材料常数BP的值。,lnRr1,lnRr2,BP,mR,BP=tg=mR/mr,T1,T2,lnRr0,mr,lnRTT 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线,lnRr,T,若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp,（二）热敏电阻器的伏安特性（UI） 热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电
13、功率和耗散功率相等）时的互相关系。 1.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性,该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态UI曲线。,热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：,T0环境温度； T热敏电阻的温升。,曲线见下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。,PTC热敏电阻器的静态伏安特性,2正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性,当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于
14、温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。,伏安特性 的位置,在仪器仪表中的应用,U m 的左边,温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、热传导测定、比热测定,U m的附近,液位测定、液位检测,U m的右边,流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析,旁热型 热敏电阻器,风速计、液面计、真空计,（一）检测和电路用的热敏电阻器,（U m峰值电压）,检测用的热敏电阻在仪表中的应用,四、热敏电阻器的应用,电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类,在仪器仪表中的应用,U m 的左边,偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿,U m的附近,恒压电路、延迟电路、保护电路,U m的右边,自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路,测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏电阻的伏安特性决定。,伏安特性 的位置,周末愉快！,
