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1、*1 实用传感器技术教程 第2章 温度测量传感器 2.5 温度测量传感器性能比较 2.4 红外测温技术 2.3 集成温度传感器 2.2 热电偶温度传感器 2.1 电阻式温度传感器 温标的基本概念 温标的基本概念 u 温度是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分子 运动状态的特征。 u温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特 性（如体积、长度、电阻等）来间接测量。热电式传感器将温度 变化转换成电量（电阻、电势等）。 u将温度变化转换为电阻变化的元件主要有热电阻和热敏电阻 ； u将温度变化转换为电势的传感器主要有热电偶和PN结式传 感器； u将热辐射转换为电学量的器件有热电探测器
2、、红外探测器等 。 热电式传感器 u 接触式测温是基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测 介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度计 、热敏电阻、热电偶等。 u 非接触式测温是利用热辐射原理，测温的敏感元件不与被测 介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度， 故又称辐射测温。如辐射温度计，红外测温仪等。 按测温方法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两 种。 热电式传感器分类 测温方法比较 常用热电式传感器 测 温 方 式 传感器类型 测温范 围() 精 度 (%) 特点 常用热电式传感器 2.1 电阻式温度传感器 v 电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻率
3、随温度变化而 变化的原理制成的，它将温度变化转化为元件电阻的变化，通 过测量电阻间接地测量温度或者与温度有关的参数。 v 按照其制造材料来分，电阻式温度传感器可分为金属热电阻（ 简称热电阻）及半导体热电阻(简称热敏电阻)两种。 2.1.1 金属热电阻 1.金属热电阻材料的特点 作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点： v 具有高温度系数和高电阻率，这样在同样的测试条件下可提高 测量灵敏度，减小传感器的体积和重量； v 在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质，保证在规定 的测量范围内测量结果准确无误； v 具有良好输出特性，电阻阻值与温度之间具有线性或近似线性 关系的特性曲线； v 具有良好
4、的工艺性，以便于批量生产，降低成本。 2.1.1 金属热电阻 2.常用金属热电阻 （1）铂电阻 v 铂电阻电阻值与温度的关系为 在0660范围内 RtR0 (1+At+Bt2) 在-1900范围内 RtR0 1+At+Bt2+C(t100)t3 v 工业用的铂电阻体，一般由直径0.030.07mm的纯铂丝绕在平 板形支架上，通常采用双线电阻丝，引出线用银导线。 v 它能用作工业测温元件和作为温度标准，按国际温标IPTS68 规定，在-259.34630.74的温度范围内，以铂电阻温度计 作基准器。 2.1.1 金属热电阻 2.常用金属热电阻 （2）铜电阻 v 在-50150范围内，铜电阻与温度
5、的关系为 RtR0 (1+At+Bt2+Ct3) v 铜容易提纯，在-50+150范围内铜电阻的物理、化学特 性稳定，输入、输出关系接近线性，且价格低廉。铜电阻的缺 点是电阻率较低，仅为铂电阻的16左右；电阻的体积较大， 热惯性也较大，当温度高于100时易氧化。因此，铜电阻只 能适于在低温和无侵蚀性的介质中工作。 v 常用的工业用铜电阻的R0值有50、100两种，其分度号分别 用Cu50、Cu100表示。 2.1.1 金属热电阻 3.热电阻主要参数 v （1）热电阻分度表与分度号。在工业上，将热电阻的Rt值与温度t的对应关 系列成表格，称为热电阻分度表。制成电阻的金属材料加上标称电阻值即为 其
6、分度号。例如，Cu50、Pt100等。 v （2）允许偏差。允许偏差即热电阻实际的电阻值与温度关系偏离分度表的 允许范围。 v （3）热响应时间。当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于 该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热响应时间，通常以表 示。一般记录变化50或90的响应时间分别为0.5与0.9。热电阻的响应 时间不仅与结构、尺寸及材质有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作 环境有关。 v （4）额定电流。额定电流是指在测量电阻值时，允许在元件中连续通过的 最大电流，一般为25mA。限制额定电流是为了减少热电阻自热效应引起的 误差，对热电阻元件都规定了额定电流。 2.1
7、.1 金属热电阻 3.热电阻主要参数 名称等级分度号测温范围()允许偏差() 铂热电 阻APt10-200850(0.15+0.002|T |) Pt100 BPt10(0.30+0.005|T |) Pt100 名称分度号测温范围()允许偏差()0时电阻值 （） 铜热电 阻Cu50-50150(0.30+0.006|T |) 50.0000.050 Cu100100.000.10 表2-1 铂电阻技术参数 表2-2 铜电阻技术参数 2.1.1 金属热电阻 4.使用注意事项 v 工业上广泛应用金属热电阻进行200600范围的温度测量。在使用时需 要注意以下问题： （1）自热误差 v 在使用金属
8、热电阻测量温度时，电阻要消耗一定的电功率，引起电阻值的变 化，从而带来测量误差。所以在使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自 热而引起的误差，一般是采取限制电流的办法，通常允许通过电流应小于 5mA。 （2）引线误差 v 由于热电阻感温元件到接线端子、接线端子到调理电路都需要连接引线，引 线本身的电阻及接触电阻相对于较低阻值的热电阻，是不可忽略的。一方面 它们影响热电阻的零位值，另一方面它们随温度变化，带来不确定的测量误 差。因此，测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。 2.1.2 半导体热敏电阻 1.热敏电阻的特点及分类 （1）热敏电阻的特点 v 灵敏度高。热敏电阻温度系数的绝对值比金属
9、热电阻大10 100倍。 v 电阻值高。它的标称电阻值有几到十几M之间的不同规格。 因此在使用热敏电阻时，一般不用考虑引线电阻的影响。 v 结构简单。热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状，特别是 能够做到小型化，目前的珠状热敏电阻的直径仅为0.2mm。 v 体积小，热惯性小，响应时间短，响应时间通常为0.53s。 v 化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，使用寿命长。 v 缺点是阻值与温度呈非线性关系，且互换性差。 2.1.2 半导体热敏电阻 （2）热敏电阻的分类 1）正温度系数热敏电阻（PTC） v 电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，称为正温度系数热敏电 阻。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半
10、导体陶瓷。 2）负温度系数热敏电阻（NTC） v 电阻值随温度升高而减小的热敏电阻，称为负温度系数热敏电 阻。它的主要材料是Mn、Co、Ni、Fe等金属氧化物半导体。 3）临界温度系数热敏电阻（CTR） v 该类电阻的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34 个数量级，即具有很大的温度系数。其主要材料是VO2，并添 加一些金属氧化物。 2.1.2 半导体热敏电阻 2.热敏电阻的主要参数 v （1）标称电阻R25 v （2）电阻温度系数t（） v （3）耗散常数（mW） v （4）材料常数B v （5）时间常数 2.1.2 半导体热敏电阻 v 3.热敏电阻的主要特性 v （1）热敏电阻的电阻
11、温度特性 v （2）热敏电阻的伏安特性 图2-1 热敏电阻电阻温度特性曲线 图2-2 NTC热敏电阻伏安特性曲线 2.1.2 半导体热敏电阻 v 4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻 第一部分：主称第二部分：类别第三部分：用途第四部分：序号 字母含义字母含义数字含义 M敏感电阻MPTC 0 本部分由数字表示，不同 企业之间命名方法有所区 别，通常包括标称值、B 值、允许偏差及外形等 1普通 2限流 3 4延迟 5测温 6控温 7消磁 8 9恒温 FNTC 0特殊 1普通 2稳压 3微波测量 4旁热式 5测温 6控温 7抑制浪涌 8线性 9 表2-3 热敏电阻型号命名方法 2.1.2 半导体热敏电
12、阻 型号标称值R25B值 （K） 耗散系数（ mw/） 额定功率（ mw） 时间 常数 （S） 工作温度 （） MF113.333K27004050650030-55125 MF126.8K 5000K 42505050650030-55125 MF521K1000K3100450025015-55125 MF581.5K 1388K 3920460025020-55200 MF720.7400635-55200 表2-4 常用热敏电阻主要参数 v 4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻 2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路 v 1.不平衡直流电桥 v 当电桥为单臂工作时，如图 2-3 (b)所
13、示，设初始状态时 电桥达到平衡，输出电压U0=0。 此时电桥上的各电阻的阻值分别 为R10、R20、R30、R40，并满足 R10R40= R20R30。即电桥的 平衡条件为R20 /R10 =R40 /R30 v 假设R1为敏感元件，且R1= R10+R1，其它电阻均保持不变。在这种情 况下，桥路不平衡输出电压为 v 设桥臂比n =R20 /R10，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到 平衡条件，则上式可写为 图2-3 不平衡直流电桥 2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路 v 2.不平衡电桥电压灵敏度 v 如果将电桥电压灵敏度定义为 ，从定义式可见 ，对于相同的敏感元件相对变化量
14、，Ku越大，电桥的输出电压 就越高。由式（2-6）可得 （2-7） 由式（2-7）可知： v （1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电 桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的 限制，所以要作适当选择。 v （2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥 臂比n的值，可保证电桥具有较高的电压灵敏度。 2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路 v 3.测量电阻接线方式 v 由于常用的金属热电阻的阻值不高，所以在使用热电阻测量时 ，引线电阻和接触电阻都不可避免地带来测量误差。为减小测 量过程中引线带来的附加误差，根据测量情况可将电阻引线方 式分为三种。 v （
15、1）两线制 v （2）三线制 v （3）四线制 图2-4 热电阻的引线方式 2.1.4 工业热电阻命名方法 第一部分：主称第二部分：类别第三部分：结构 字母含义字母含义数字含义数字含义数字含义数字含义 WZ热电 阻温 度仪表 P铂电 阻2双支偶 丝 1无固定 装置 2防喷式 接线盒 0保护 管直径 ：16 2固定螺 纹 3活动法 兰 4固定法 兰 5活络管 接头 C铜电 阻单支偶 丝 6固定螺 纹锥 式 3防水式 接线盒 1保护 管直径 ：12 7直形管 接头 8固定螺 纹管接 头 9活动螺 纹管接 头 表2-5 装配热电阻型号命名方法 2.1.5 电阻式温度传感器应用 v 1.三线桥式测温电
16、路 v 该电路测温元件选择金属热电阻 ，测量电路采用不平衡电桥 和仪表放大器。不平衡电桥 由高精度电阻R1R3与铂热 电阻Rt组成。热电阻采用三 线方式连接，RW1、RW2、RW3是连接导线 等效电阻。电源Uc为测量桥路提供工作 电流。从图2-5中可见，由于RW1、RW2 的存在使得电桥桥臂发生了变化，RW1 和Rt组成一个桥臂，RW2和R3组成另一 个桥臂。因为电缆线的型号和长度相同 ，RW1和RW2相等，根据式2-4可以得出 这个新桥路的输出电压表达式为 图2-5 三线桥式测温电路 2.1.5 电阻式温度传感器应用 v 2.铂电阻恒流源测温电 路 v 图2-6所示为铂电阻恒 流源测温电路。图中A1 、Ur、Rt、RP1等组成 了恒流源电路，为热电
