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1、温度传感器和光传感器,工作原理 利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温。,金属热电阻传感器测量示意图,主要材料 铂和铜。,测温范围 -200500范围内的温度，目前已扩展到15K(-272.15至-268.15 )的超 低温领域。同时在10001200 温度范围内也有足够好的特性。,热电阻传感器,金属热电阻的正温度系数 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。,金属丝电阻随温度增高而变大的演示,取一只 100W/
2、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，而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。,超导现象,1911年，荷兰物理学家昂内斯（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,补充知识：热力学温度,1、定义：热力学温标表示的温度叫热力学温度。它是国际制单位中七个标准物理量之一。,2、符号：T,3、单位：开尔文，简称开，符号K,4、摄氏温度与热力
3、学温度之间的关系：T=t+273K,5、说明： 摄氏温标的单位是温度的常用单位，但不是国际制单位，温度的国际制单位是开尔文（符号为K），在各种热力学计算中，要将温度单位转换为开尔文。 由T=t+273K可知，温度变化1与温度变化1K的变化量是等同的，但物体所处的状态为1 和1K是相隔甚远的。,薄片热电阻,Pt100铂热电阻,Pt100铂热电阻,铠装铂电阻作为一种温度传感器，它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。其可对 -200600温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测。,大多数金属导体的电阻都具有随温度变化的特性。其特性方程式如下 Rt
4、=R01+(t t0),热电阻在0 时的阻值,热电阻在t 时的阻值,热电阻的电阻温度系数,对于绝大多数金属导体，并不是一个常数，而是温度的函数。但在一定的温度范围内，可近似地看做一个常数。不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围不同。,3.2.1 热电阻的基本特性,热阻效应导体的电阻率随温度变化而变化的物理现象。,对于测温用的金属导体，需要具备如下特性： （1）电阻温度系数越大，测量结果精确度越高； （2）在测温范围内，电阻值与温度变化之间应具有良好的线性关系； （3）在测温范围内，材料应具有良好的物理稳定性和化学稳定性； （4）热电阻电阻率要高，以便减小热电阻的体积； （5）材料质量要纯，容
5、易加工复制，价格便宜。,1铂热电阻 铂的物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的最好材料。铂热电阻测量精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，但在测温范围内具有一定的非线性。铂电阻可作为标准电阻温度计，是目前测温复现性最好的一种温度计。 铂的纯度用W(100)表示，即： W(100)=R100/R0 W(100)越高，表示铂丝纯度越高。作为基准器的铂电阻，纯度已达到W(100)=1.3930，对应的纯度为99.9995%。普通工业用铂电阻纯度W(100)为1.3871.390。,3.2.2. 热电阻的分类,铂丝的电阻值与温度之间的关系： 在0850范围内时： Rt=R0(1+At+Bt2)
6、 在 2000范围内时： Rt=R01+At+Bt2+C(t 100)t3 A、B、C为常数； Rt 温度为t时的电阻值； R0 温度为0时电阻值； 铂电阻分度号：Pt100、Pt10、Pt100应用较广泛，其分度表见表3-7。,2铜电阻 当测量精度要求不高，温度范围在 50150的场合，普遍采用铜电阻。铜电阻阻值与温度呈线性关系，可用下式表示 Rt=R0(1+t) 铜电阻分度号：Cu50、Cu100,特点：铜易于提纯，价格低廉，电阻-温度特性线性较好。但机械强度较差，电阻率仅为铂的几分之一，热惯性较大，在温度高于150以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。因此，只能用于低温及无腐蚀性
7、的介质中。,3其他热电阻 （1）铟电阻 它是一种高精度低温热电阻。铟的熔点约为150，在4.215K温度域内其灵敏度比铂的高10倍，故可用于不能使用铂的低温范围。其缺点是材料很软，复制性很差。 （2）锰电阻 在263K的低温范围内，锰电阻的阻值随温度变化很大，灵敏度高；在216K的温度范围内，电阻率随温度平方变化。磁场对锰电阻的影响不大，且有规律。锰电阻的缺点是脆性很大，难以控制成丝。,电阻体由电阻丝、引出线、骨架等组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在0.050.07mm之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。 铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大，一般为0.1 mm的漆包铜
8、线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。,热电阻传感器的结构,3.2.3 热电阻传感器的结构,（a）截面图 （b）结构图 1银引出线； 2铂丝； 3锯齿形云母骨架； 4保护用云母片； 5银绑带； 6铂电阻横断面； 7保护套管； 8石英骨架,图2-14 铂热电阻的构造,铂电阻一般由直径为0.050.07 mm的铂丝绕在片形云母骨架上，铂丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘。,l线圈骨架；2铜热电阻丝；3补偿组；4铜引出线 图3-15 铜热电阻体,铜热电阻体的结构由直径约为0.1 mm的绝缘电阻丝双绕在圆柱形塑料支架上。为了防止铜丝松散，整个元件经过酚醛树脂（环氧树脂）的浸渍处理，以提高
9、其导热性能和机械固紧性能。铜丝绕组的线端与镀银铜丝制成的引出线焊牢，并穿以绝缘套管或直接用绝缘导线与之焊接。,两线制连接法测量电路 工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表安装在控制室，其间的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，连接热电阻的两根导线本身的阻值势必和热电阻的阻值串联在一起，造成测量误差，如图2.13（a）所示。这个误差很难修正，因为导线的阻值随环境温度的变化而变，环境温度并非处处相等，且又变化莫测。所以，两线制连接方式不宜用于工业热电阻测温。,3.2.4 热电阻传感器的测量电路,3.2.4 热电阻传感器的测量电路,（a）二线制连接法,现场,控制室,三线制连接法测量电路
10、 为避免或减少导线电阻对测温的影响，工业热电阻多采用三线制接法。从热电阻引出三根导线，这三根导线粗细相同，长度相等，阻值都是r。当热电阻与测量电桥连接时，其中一根串联在电桥的电源上，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂中，这样就把连接导线随温度变化的电阻值加在相邻的两个桥臂上。当相邻两臂的阻值随温度都变化同样大的阻值时，其变化量对测量的影响就可以相互抵消。,四线制连接法测量电路 在电阻体的两端各连接两根引线。两根提供恒流源，另外两根将热电阻上的压降传递给电动势测量仪表。这种引线方式不仅消除连接线电阻的影响，还可以消除测量电路中计生的电动势引起的误差。这种引线方式主要用于高精度的温度检测中。,铠装式
11、铂热电阻,1接线盒 2引出线密封管 3法兰盘 4柔性外套管（可达百米） 5测温端部,2019/1/6,28,端面式热电阻及其在测温端面的安装,能更快速地反映被测端面的实际温度。,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,铂电阻温度显示、变送器,上下限设定键,上限,下限,上上限,下下限,测量值,可设定温度的温度控制箱,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,1、测温原理不同。 2、材料不同。热电阻是一种金属材料，热电偶是双金属（或半导体）材料。 3、测温范围不同。热电偶更多时候应用在高温场合，热电阻更多应用在中低温场合。 4、配套使用的显示仪表不同。 5、PLC信号采集部分
12、的输入模块不同。热电阻/热电偶在PLC中有不同的专门信号采集模块。 一般情况热电阻、热电偶都带有变送器，PLC接收来自变送器的420mA标准电信号。若没有变送器，PLC也有热电阻模块和热电偶模块，可直接输入热电阻和热电偶信号。,6、信号传输介质的不同。热电偶需要专用的补偿导线，而热电阻使用屏蔽电缆就可以，且工业生产现场多采用三线制接法。 7、电缆的接点要求（或称为:断点要求）不同。 热电阻在传输中一般只要求屏蔽，对接点的多少即传感器信号直接接到PLC模块还是经过了几次端子排接到PLC模块没有特别的要求，当然还是直接接入更精确，避免了线路接点介质中的“损耗“，而热电偶则要求通过补偿导线一次接入P
13、LC采集模块，中间不能使用端子排中转，否则信号严重失真。 8、故障现象及排查方法不同。,3.3 热敏电阻传感器,半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。,热敏电阻的特点: 灵敏度高,体积小、热贯性小、结构简单，化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，寿命长，热敏电阻的缺点是复现性和互换性差，非线性严重，测温范围较窄，目前只能达到 -50300。 热敏电阻的应用: （1）温度测量 （2）温度补偿,热敏电阻分类,正温度系数（PTC）热敏电阻; 负温度系数（NTC）热敏电阻; 临界负温度系数热敏电阻（CTR） (在
14、某一特定温度下电阻 值会发生突变),3.3 热敏电阻传感器,NTC：在工作温度范围内，阻值随着温度的上升而线性下降。特别适用于：100300之间测温。 用于需要定点测温的温度控制电路，如冰箱、空调等的温度控制系统。 PTC：阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。 用于恒温、调温、自动控温，适于电动机等电器装置的过热探测。 CTR：具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。 适于做温度开关元件。,3.3.2 热敏电阻的主要参数 标称电阻值R25： 是指环境温度为25 0.2时测得的电阻值，又称冷电阻
15、，单位为。 电阻温度系数：热敏电阻的温度变化1 时，阻值的变化率。通常指温标为20 时的温度系数，单位为（%）-1。 额定功率PE：热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下，它自身温度不应超过最高温度T。 耗散系数H：是指热敏电阻温度变化11所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。,3.3.2 热敏电阻的主要参数 最高工作温度Tmax：电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：Tmax=T0+PE/H T0环境温度； PE环境温度为T0时的额定功率； H耗散系数。 最低工
16、作温度Tmin：最低工作温度是指热敏电阻在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。 材料常数B：表征热敏电阻材料的物理特性常数。用BN表示负温度系数（NTC）的B值，用BP表示正温度系 （PTC）的B值。B值决定于材料的激活能E：,3.3.2 热敏电阻的伏安特性,3.3 热敏电阻传感器,3.3.2 热敏电阻的伏安特性,3.3 热敏电阻传感器,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚酯塑料封装 热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大电流PTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,MF58型（珠形）高准确度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电
