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（PT100 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。
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,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(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。