热电阻式传感器2

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1、7.3 热电阻式传感器l7.3.1 金属热电阻l7.3.2 半导体热敏电阻l7.3.3 热电阻式传感器的应用 上一页下一页返 回7.3.1 金属热电阻热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜上一页下一页返 回1. 常用热电阻l 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。l 铜热电阻测量精度

2、要求不高且温度较低的场合，测 量范围一般为50150。 上一页下一页返 回 铂热电阻 目前最好材料长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温 复现性最好的一种温度计。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。 上一页下一页返 回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）1.3

3、91， 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） 上一页下一页返 回 铜热电阻l应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150l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。l缺 点： 易于氧化，一般只用于150以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。上一页下一页返 回铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系是线性的 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

4、和 Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。 上一页下一页返 回为铜的温度系数，(4.254.28)10-3/。 2. 热电阻的结构上一页下一页返 回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 上一页下一页返 回7.3.2 半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点：(1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点 温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。上一页下一页返 回热敏电阻分类：正温度系数(PTC

5、) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性 上一页下一页返 回PTC热敏电阻正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻临界温度系数以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧 化物在弱还原气氛中混合烧结而成。在某个温度 上电阻值急剧变化,具有开关特性。 用途：温度开关 上一页下一页返 回NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧 化物 混合烧结而成，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的 NTC热敏电阻。 应用：点温、表面温度、温差、温场

6、等测 量自动控制及电子线路的热补偿线路NTC热敏电阻1. 热敏电阻的主要特性2. 热敏电阻的结构3. 热敏电阻的主要参数4. 热敏电阻的线性化上一页下一页返 回1. 热敏电阻的主要特性 温度特性 伏安特性上一页下一页返 回 温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性 式中 RT , R0热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值( )；T0, T 介质的起始温度和变化温度（K）；t0 , t 介质的起始温度和变化温度（）；B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K，其大小取决于热敏电阻的材料。上一页下一页返 回若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。 一般取20和100时

7、的电阻R20 和R100计算B值， 即将T=373K，T0=293K代入上式，则将B值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性: 上一页下一页返 回B和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的电 阻温度系数高很多，所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化 量上一页下一页返 回 伏安特性l在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两 端的电压U之间的关系， 上一页下一页返 回伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是 直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值

8、时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负 阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降 。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条 件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电 阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用 它来测量流体速度和介质密度。上一页下一页返 回2. 热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体 二端和三端器件： 为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路 获得功率； 四端器件：旁热式上一页下一页返 回热敏电阻的结构形式 上一页下一页返 回3. 热敏电阻的主要参数 标称电阻值RH 在环境温度为250.2时测得 的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热

9、敏 电阻的材料和几何尺寸。 耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的 温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位 为mW /； 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收 或释放的热量，单位为J；上一页下一页返 回 能量灵敏度G （W） 使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温 度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。 额定功率PE 在标准压力（750mmHg）和规 定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使 用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使 用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定 功率 上一页下一页返 回4. 热敏电阻的

10、线性化上一页下一页返 回NTC的几种组合电路及其热电特性 现以图 (c) 的组合电路为例,由电路原理可得组合电路 总电阻为：由电阻温度系数的定义可得：可得: 式中， 为组合电路的电阻温度系数 式中， 为NTC热敏电阻的电阻温度系数。 当温度为T1时，可得： 当 时 ：用求得的切线来代替特性曲线可实现线性化 7.3.3 热电阻式传感器的应用1、金属热电阻传感器200+500范围的温度测量特点：精度高、适于测低温。2、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电 器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液 面指示等。 上一页下一页返 回1、金属热电阻传感器工业广泛使用，2

11、00+500范围温度测量。 在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至 更低，1K左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：精度高、适于测低温。 传感器的测量电路：经常使用电桥精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造 成的测量误差，常采用三线制和四线制连接 法。上一页下一页返 回三线制 热电阻测温电桥的三线制接法 工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻， R a零位调节电阻， R t 热电阻上一页下一页返 回四线制接法 热电阻测温电桥的四线制接法 精密测量中，采用四线制接法 上一页下一页返 回调零电位器作用l调零的Ra电位器的接触电阻和检流

12、 计串联，这样，接触电阻的不稳定 不会破坏电桥的平衡和正常工作状 态。 三线制、四线制接法的优点：l不仅可以消除热电阻与测量仪表之 间连接导线电阻的影响，而且可以 消除测量线路中寄生电势引起的测 量误差。 铂测温电阻传感器 l铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、难于测定狭窄位置的温度。l现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型 铠装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩 大。l主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程 ；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各 种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和 航空、物化设备及恒温槽 上一页下一页返 回金属丝热电阻作为气体传感器的应用 1连通玻璃管 2流通玻璃管

13、3铂丝 （a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa。 （b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化上一页下一页返 回l（a）是热电阻传感器测量真空度的示意图。 把铂丝装于与被测介质相连通的玻璃管内。 铂电阻丝由较大的（一般大负荷工作状态为 4050 mA）恒定电流加热。在环境温度与 玻璃管内介质的导热系数恒定的情况下，当 铂电阻所产生的热量和主要经玻璃管内介质 导热而散失的热量相平衡时，铂丝就有一定 的平衡温度，相对应的就有一定的电阻值。 当被测介质的真空度升高时，玻璃管内的气 体变得更稀薄，即气体分子间碰撞进行热量 传递

14、的能力降低（热导率变小），铂丝的平 衡温度及其电阻值随即增大，其大小反映了 被测介质真空度的高低。 l（b）所示的流通式玻璃管内装铂丝的 装置，可对管内气体介质成分比例变化 进行检测，或对管内热风流速变化进行 测量，因为两者的变化均可引起管内气 体导热系数的变化，而使铂丝电阻值发 生变化。但是，必须使其它非被测量保 持不变，以减少误差。 2、半导体热敏电阻传感器 温度测量 温度控制 温度补偿 流量测量上一页下一页返 回 温度测量 上一页下一页返 回热敏电阻点温计 l使用时先将切换开关S旋到1处接通 校正电路，调节R6使显示仪表的指 针转至测量上限，用以消除由于电 源E电压变化产生的误差。当热敏

15、 电阻感温元件插入被测介质后，再 将切换开关旋到2处，接通测量电 路，这时显示仪表的示值即为被测 介质的温度值。 温度控制上一页下一页返 回简易温度控制器 l由VR设定动作温度。其工作原理如下： 当要控制的温度比实际温度高时，BG1 的be之间电压大于导通电压，BG1导通 ，相继BG2也导通，继电器吸合，电热 丝加热。当实际温度达到要求控制的温 度时，由于R t（NTC型）的阻值降低， 使BGl的be电压过低 ( 0.6V) , BGl截止 ，相继BG2截止，继电器断开，电热丝 断电而停止加热。这样便达到控制温度 的目的。 温度补偿上一页下一页返 回仪表中的电阻温度补偿电路 金属一般具有正的温度系数， 采用负温度系数的热敏电阻进行补偿， 可以抵消由于温度变化所产生的误差 流量测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关 系可以测量流量、流速、风速等 上一页返 回热敏电阻流量计 l热敏电阻R t1和R t2分别置于管道中央 和不受介质流速影响的小室中，当介 质处于静止态时，使电桥平衡，桥路 输出为零；当介质流动时，将Rt1的热 量带走，致