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1、 本节介绍金属热电阻、热敏电阻、 湿敏电阻传感器的原理、结构、分类 、测量转换电路及应用等，介绍了三 线制测量电路。 1、金属热电阻（正温度系数） 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧 ，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时 的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻 值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度 的变化趋势相同。 测温热电阻可分为金属和半导体两大类。 二、测温热电阻传感器二、测温热电阻传感器 取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值 ，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，经计算得到的 额定热态电阻值应为484。请说明钨丝的温度系数的 正负。 1911年，荷兰物理学家昂内
2、斯（Kamerlingh Onnes）在用液氦将汞的温度降到4.2K时， 发现汞的电阻降为 零。昂内斯将这种 现象称为物质的超 导性。后来昂内斯 和其他科学家陆续 发现了其他一些金 属也是超导体。昂 内斯因为这项重大 发现而获得1913年 的诺贝尔物理学奖 。 超导磁悬浮 制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好 、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等 特点。 （ ） R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4) 式中 R t 热电阻在t时的电阻值； R0热电阻在0时的电阻值； A、B、C、D温度系数 热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。在规 定的测温范围内
3、，根据国际电工委员会（IEC）颁布的 分度表数值，列出每隔1的Rt电阻值，这种表格称为热 电阻分度表，见附录C。 在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以 利用温度系数来近似计算热电阻的阻值Rt。即： R t =R0(1+t）。 0时的电阻为100 接线盒 *10 Pt1000薄膜热电阻在0 时的电阻为1k， 最大工作电电流小于0.3mA。 在真空清洁室中，将铂 金属喷射在陶瓷体上，然 后用激光进行光刻和阻值 的微调,再焊接两根引线。 在铂金上涂上一层特殊的 绝缘玻璃层。薄膜热电阻 的响应时间只需几秒。 *11 坚实的外壳起“隔爆”作用， 工作电流控制在安全范围。 1接线盒 2引出线密封
4、管 3法兰盘 4柔性外套管（可达百米） 5测温端部 *15 能更快速地反映被测端 面的实际温度。 铜热电阻 如何判断铂热电阻是否线性 上下限设定键 上限 下限 上上限 下下限 测量值 旋转式机械 设定开关 拨码式 设定开关 不易被改动， 适合车间使用 方案一：二线制电桥测量电路 R1为铂热电阻，R2、R3、R4为锰铜精密电阻(固定电 阻)。电桥的调零在0的情况下进行。热电阻Rt被安装 在测温点上,然后用连接导线连接到电桥的接线端子上。 引线电阻r1a、r1b及其随温度和长度的变化将引起测量误 差。 恒流源Ii的恒定 激励电流流过Rt， 在R t上产生降压 Uo=Ii R t。输出电压 Uo的变
5、化量Uo与 被测温度变化引起 的电阻变化量R成 正比。 由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以激励电流Ii 在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引 线电阻的影响。本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度 变化的Uo相对较小，降低了系统的分辨力。 1连接电缆 2屏蔽层 3恒流源 4法兰盘安装孔 RP1调零电位器 RP2调满度电位器 采用三线制单 臂电桥可以消除 和减小引线电阻 的影响。热电阻R t用三根导线、 、引至测温 电桥。 其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相 邻两臂的R1、R4上，(R1+r1)/R2=(R4+r4)/R3。引线的长度 变化不影响电桥的平
6、衡，所以可以避免因连接导线电阻 受环境影响而引起的测量误差。 若希望t100时，放大器的输出电压Uo21.00V,则 K=10.82倍。Rf的取值不能太小，一般应大于10k。若考 虑到非理想运放的输入失调电流和失调电压以及输入偏 置电流均不为零，所以Rf不应超过1M。 为了增大桥路的负载电阻,可以取R11=R12为整数值 100k,则R13=Rf的理论值约为1082k,取标称值1M。 若选用Pt100标准热电阻，当t100时，查Pt100分 度表，得到R100=134.71。设桥路激励源电压 Uac=1.25V，选取R3、R4为100精密锰铜线绕电阻，流 过热电阻的电流不能超过10mA。若忽略
7、r1、r2、RP1、 RP2、R7的影响，由分压比公式可得桥路的输出电压为 内置铂金热丝 风 内置铂金丝 被加热到200 风 铂丝接入单臂电桥 t v 热敏电阻分类：负温度系数 （NTC，Negative Temperature Coefficient ）、 正温度系数 （PTC，Positive Temperature Coefficient ）之分。 NTC又可分为两大类： 第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系 ，因此可用于测量温度： 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界 点时，其电阻值突然下降 ，可用于控制温度或抑制 浪涌电流 。 以锰、钴、镍和铜等金 属氧化物为主要材料,
8、 采用 陶瓷工艺制造而成。在低 温时,这些氧化物材料的载 流子(电子和空穴)数目少, 所以其电阻值较高。随着 温度的升高,载流子数目增 加,所以电阻值降低。电阻 率和温度系数随材料成分 比例、烧结温度和结构状 态不同而变化。 现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代 表的非氧化物系列NTC热敏电阻材料。 a）圆片形 b）柱形 c）珠形 d）铠装型 e）厚膜型 f）贴片式 g）图形符号 1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4纯铜外壳 5传热安装孔 在钛酸钡里掺杂其它的多晶陶瓷材料,压制成圆片等形 状, 烧结而成PTC热敏电阻，属于临界温度型(CTR)。当 温度上升到某临界点时,其电阻值突然上升,
9、可用于电路的 限流、过载保护。大功率PTC还可用作暖风机中的加热元 件。 恒温加热用PTC热敏电阻 解：T=273+100=373K（开氏） 结论：NTC在100 时的阻值 大约只有25 时的(1/15) 。 MF12型 NTC热敏电阻 聚脂塑料封装 热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻 MF58 型热敏电阻 带安装孔的热敏电阻 大电流PTC热敏电阻 贴片式NTC 热敏电阻 MF58型（珠形） 高准确度负温度系 数热敏电阻 MF5A-3型热敏电阻 热敏电阻 LCD显示器 调试时，应该 先调哪一只电位 器，再调哪一只 电位器？ 使用分隔刻度 为0.1的高准确 度温度计,校验本 设计刻度中其他 各点
10、是否准确,并 用单片机进行线 性化显示. a）桥式电路 b）调频式电路 c）数字式体温表 1热敏电阻 2指针式显示器 3调零电位器 4调满度电位器 多谐振荡器又称为矩形波发生器。 去计算机的计数 器 Rt f f 解：f 01/(2R 0 C) = 1/(211060.00110-6)=500Hz f 1001/(2R 0 C)= 1/(2670.001) 7.5kHz t Rt f f . 在电动机的定子绕组中嵌入负温度突变型热 敏电阻，并与继电器串联。当电动机过载时定 子电流增大，引起发热。当温度大于突变点时 ，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几 十毫安，因此继电器动作，触发电动机保护
11、电 路，从而实现过热保护。 由以上分析可知，必须须使用负负温度系数的突变变型 热热敏电电阻与继电继电 器串联联。温度突变变点应应略高于电动电动 机最高工作壳温。 KA为续为续 流二极管。 高分子聚合物正温度热敏电阻是由聚合物与导电晶粒等 所构成。导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常 工作电流通过（或元件处于正常环境温度）时，自复熔断 器呈低阻状态。 当电电路中有异常过电过电 流, 或环环境温度超过额过额 定值时值时 , 热热量使聚合物迅速膨胀胀,切断 导电导电 粒子所构成的导电导电 通路 ,自恢复熔断器呈高阻状态态； 当电电路中过电过电 流(或超温状 态态)消失后,聚合物冷却,体积积 恢
12、复正常, PTC中的导电导电 粒子又重新构成导电导电 通路。 气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气 体和测量氧气浓度的两大类。 气敏电阻可以把某种气体的成分、浓度等参 数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信 号。 在化学反应中，还原性气体给出电子。 还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、 酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或 Fe2O3等金属氧化物粉料烧结而成的半导体器件。 1电电极引脚 2塑料底座 3烧结烧结 体 4不锈钢锈钢 网罩 5加热电热电 极 6工作电电极 7加热热回路电电源 8测测量回路电电源 MQN型气敏半导体
13、器件的烧结体中，有两组 铂丝。一组铂丝为测量电极，另一组（上图中 的左边铂丝）为加热电极兼测量电极。 气敏电阻工作时必须加热到200300，其目 的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并 烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。 在不同工作温度时,气敏电阻对不同的气体灵敏度不同. 各种可燃性气体传感器 气敏电阻在被测 气体浓度较低时有 较大的电阻变化， 而当被测气体浓度 较大时，其电阻率 的变化逐渐趋缓， 有较大的非线性。 这种特性较适用于 气体的微量检漏、 浓度检测或超限报 警。 酒精蒸汽含量检测设备有五种基本类型： 燃料电池型（电化学）、金属氧化物型 、光学型（ 红外线型 、气体色谱分析型、
14、比色型）。 一次性呼气管 燃料电池酒精传感器 采用铂丝作为电极，在 催化剂作用下，能使进 入燃烧室内的酒精产生 无焰燃烧，两电极间的 输出电压与进入燃烧室 内的酒精浓度成正比。 酒后驾车易出事故，请上网查阅有关的知识，设计一 台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪 NH3传感器 煤矿瓦斯报警器 半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对 氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧 气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化 钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。 用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结 构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏 电阻同处于陶瓷绝缘体
15、的末端。当氧气含量减小时， RTiO2的阻值减小，Uo增大。 与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿 作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐 渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定 律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。 a）结构 b）测量转换电路 1外壳（接地）2安装螺栓 3搭铁线 4保护管5补偿电阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏电阻 8进气口9引脚 可用于汽车 尾气测量 绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一 立方米大气中所含水汽的质量(克数)。 相对湿度（RH）：是大气中实有水汽压与 当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活 中常用来表示湿度大小的方法。当相对
16、湿度达 100%时，称饱和状态。 湿敏电阻的原理：水分子极易吸附于固体表 面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降 低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸 湿材料制作湿敏电阻。 式中 e空气的水气分压； E同一温度下的饱和水气压 由于饱和水气压E随着气温的升高而增加，所 以相对湿度是温度的函数。例如，在20、一 个大气压下，1m3的大气中，只能存在17g的水 气，此时的RH为100%。若同样条件下的绝对 湿度降为8.5g/m3，则RH就只有50%。在上述绝 对湿度下，将气温降至10以下时，RH又可能 接近100%。 当环境的相对湿度增大时，物体表面就会 附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降 低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路 现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起 有机材料的霉烂。 金属氧化物陶瓷湿度传感器属于电阻
