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1、第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,7-1 热电阻传感器,热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。 热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的现象。,金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的电阻率也随之增大。,实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是铂和铜。,铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电
2、阻温度计。,铜可用来制造-50150范围内工业用电阻温度外，特点是价格低廉，缺点是电阻率低，且容易氧化，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。,铂丝的电阻值与温度之间的关系,在-2000范围内，RtR01+At+Bt 2+C(t100)t 3 在 0850范围内，RtR01+At+Bt 2 R0 当温度为0时的电阻值； Rt 温度为t时的电阻值； A、B、C 由实验确定的常数。,A 3.9080210-3/ B= -5.80210-7/2 C -4.2735010-12/4,第七章 热电式传感器,铂电阻的主要技术指标,第七章 热电式传感器,几种铂电阻,第七章 热电式传感器,第七章 热电
3、式传感器,WZP系列装配式铂电阻及铠装电阻芯用于一般工业场测温使用温度-200700,高强度石英管测温铂电阻温度范围-100C至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合注:不耐氢氟酸及磷酸,第七章 热电式传感器,精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级,天燃气流量计温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用,油浸变压器用铂电阻,医疗器械铂电阻,第七章 热电式传感器,薄模铂电阻元件,用 于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。,尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长宽高） 线长 10mm,第七章 热电式传感器,防水封装铂电阻,核心元件：德国进口精密铂电阻（P
4、T100 PT1000）元件精度：0.15 (A级) 0.30 (B级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸： 4 * 25mm 连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）,在-50150温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为： RtR0(1+At+Bt 2+Ct 3) Rt 温度为t时的铜电阻值 R0 温度为0时的铜电阻值 A、B、C 常数 A4.2889910-3/ B-2.13310-7/2 C1.23310-9/3,铜丝的电阻值与温度之间的关系,目前，铂和铜生产是标准的。 铂：Pt50、Pt100、Pt300 主要是Pt100（R050、100、300） 铜：Cu50、Cu100 铂的
5、测温精度很高，达0.001 铜0.5（5050）， 1（50150）,第七章 热电式传感器,铜电阻的主要技术指标,第七章 热电式传感器,铜电阻的特点,电阻率小 ； 容易氧化 ； 价格便宜 。,第七章 热电式传感器,WZC-111/12*1000mm Cu50,第七章 热电式传感器,热电阻的结构,玻璃封装型,塑封型,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,R1,R2,R3,E,Rt,G,Rp,热电阻测量线路,热电阻测温电桥三线连接法,作用： 当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。 Rp的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定不会破
6、坏电桥的平衡和正常工作状态。,r2,r1,r3,热电阻测温电桥四线连接法,当热电阻安装的地方比较远，则其导线电阻当环境温度变化时也要变化，会造成测量误差。 图中R1、R2、R3为固定电阻，Rp为调零电位器,第七章 热电式传感器,其它热电阻 铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50100；用的较少。 铟电阻：-269-258 ；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。 锰电阻：-271-210 ；灵敏度高，但脆性高，易损坏； 炭电阻：-273-268.5 ；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。
7、,第七章 热电式传感器,7-2 热敏电阻传感器,热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有温度系数高，灵敏度高，热惯性好（适宜动态测量）但其稳定性和互换性较差。,金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。,一、工作原理,第七章 热电式传感器,半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了。 热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变
8、化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。,第七章 热电式传感器,NTC热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、铁（Fe）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同NTC热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。 NTC热敏电阻应用广泛。,二、热敏电阻的基本类型,1、NTC热敏电阻,根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为三种类型。,第七章 热电式传感器,2、CTR热敏电阻,
9、CTR热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在1k 10M之间。 CTR热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于居里点TC时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为24。因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻。,第七章 热电式传感器,3、PTC热敏电阻,PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特性曲线上可以看到PTC热敏电阻具有以下特性： (1) 当温度低于居里点TC时，具有
10、半导体特性； (2) 当温度高于居里点TC时，电阻值随温度升高而急剧增大，至TN温度时出现负阻现象； (3) 具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。 基于PTC热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以用PTC组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。,第七章 热电式传感器,三、热敏电阻的伏安特性,第七章 热电式传感器,将热敏电阻接上一个电流源 ，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。,曲线分四段， 0a段：电流小于Ia，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。,
11、ab段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增长速度阻值减小的速度。 cd段：随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现cd段负阻区。,第七章 热电式传感器,0a段：正常使用热敏电阻测温时。 cd段：可用来测量风速、真空度、流量等参 数。 热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。 在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻温度曲线变为平坦。,第七章 热电式传感器,热敏电阻
12、的特点,电阻温度系数大，灵敏度高； 形状多样，体积小，热惯性小，响应速度快； 电阻值大，远距离测量时可不考虑导线电阻的影响； 在-50C350C范围内具有良好的稳定性； 阻值分散性大、复现性差； 非线性大； 老化较快。,第七章 热电式传感器,典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。,第七章 热电式传感器,热敏电阻的结构,第七章 热电式传感器,实物图片,第七章 热电式传感器,1.耗散系数： 5mW/ 2.热时间常数: 10S 3.测温范围: -40 +110,第七章 热电式传感器,1.耗散系数： 5mW/ 2.热时间常数: 10S 3.测温范围: -40 +110,第七
13、章 热电式传感器,铜质外壳，PVC导线， 用于空调、饮水机,铜制、不锈钢外壳，PVC导线，用于热水器,第七章 热电式传感器,MZ4系列加热用PTC热敏电阻,MZ5汽车测温用PTC热敏电阻,第七章 热电式传感器,MZ41系列卷发器用PTC热敏电阻,MZ6系列电机保护用 PTC热检测器,7-3 热电偶传感器,一、热电偶传感器的工作原理,第七章 热电式传感器,赛贝克 Thomas Johann Seebeck,1、热电效应,赛贝克（Seebeck）效应(热电势) 1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从
14、铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差e，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。,第七章 热电式传感器,将两根不同材料的导体或半导体（A和B）联接起来构成一个回路，如果两个接合点处的温度不同（T0T），则在两导体向产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。,由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时： 结点2置于被测温度场中，称为测量端（工作端、热端）； 结点1处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,2、热电偶的热电势,经研究发现，热电势实际上由接触电
15、势和温差电势组成。,由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。,(1) 接触电动势,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,其大小可表示为：,式中：K波尔兹曼常数，K1.3810-23 e 电子电荷量 e = 1.610-19C NA(NB)为A(
16、B)材料的自由电子密度。,同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。,(2) 温差电势,第七章 热电式传感器,A A材料的汤姆逊系数。 （表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势 ）,第七章 热电式传感器,(3) 回路总电势,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器, 几点讨论 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相
