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1、2019/4/23,1,机电类 自动检测技术及应用 多媒体课件,第二节 测温热电阻传感器 第三节 气敏电阻传感器 第四节 湿敏电阻传感器,第二章，第24节 目录,第二节 测温热电阻传感器,本节介绍金属热电阻、热敏电阻、湿敏电阻传感器的原理、结构、分类、测量转换电路及应用等，介绍了三线制测量电路。,测温热电阻传感器的分类,一、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
2、只 100W/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,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等特点。,（ ）,
3、金属热电阻材料的主要技术性能,热电阻的阻值Rt与温度t的关系表达式,R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4),式中 R t 热电阻在t时的电阻值； R0热电阻在0时的电阻值； A、B、C、D温度系数,热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。在规定的测温范围内，根据国际电工委员会（IEC）颁布的分度表数值，列出每隔1的Rt电阻值，这种表格称为热电阻分度表，见附录C。 在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以利用温度系数来近似计算热电阻的阻值Rt。即： R t =R0(1+t）。,装配式铂热电阻,0时的电阻为100,接线盒,2019/4/23,11,薄膜式铂热电阻,Pt1
4、000薄膜热电阻在0时的电阻为1k， 最大工作电流小于0.3mA。,在真空清洁室中，将铂金属喷射在陶瓷体上，然后用激光进行光刻和阻值的微调,再焊接两根引线。在铂金上涂上一层特殊的绝缘玻璃层。薄膜热电阻的响应时间只需几秒。,2019/4/23,12,薄膜式铂热电阻工艺过程示意图,小型铂热电阻,防爆式铂热电阻,坚实的外壳起“隔爆”作用， 工作电流控制在安全范围。,铠装式铂热电阻,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,2019/4/23,16,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,学习查“铂热电阻
5、分度表”,如何判断铂热电阻是否线性,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,金属热电阻的测量转换电路,方案一：二线制电桥测量电路,R1为铂热电阻，R2、R3、R4为锰铜精密电阻(固定电阻)。电桥的调零在0的情况下进行。热电阻Rt被安装在测温点上,然后用连接导线连接到电桥的接线端子上。引线电阻r1a、r1b及其随长度和温度的变化将引起测量误差。,方案二：四线制恒流测量电路,恒流源Ii的恒定激励电流流过Rt，在R t上产生降压Uo=Ii R t。输出电压Uo的变化量Uo与被
6、测温度变化引起的电阻变化量R成正比。,由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化的Uo相对较小，降低了系统的分辨力。,方案三：三线制电桥测量电路,1连接电缆 2屏蔽层 3恒流源 4法兰盘安装孔 RP1调零电位器 RP2调满度电位器,三线制电桥特点,采用三线制单臂电桥可以消除和减小引线电阻的影响。热电阻R t用三根导线、引至测温电桥。,其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，(R1+r1)/R2=(R4+r4)/R3。引线的长度变化不影响电桥
7、的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。,放大器4个主要电阻阻值的确定,若希望t100时，放大器的输出电压Uo21.00V,则K=10.82倍。Rf的取值不能太小，一般应大于10k。若考虑到非理想运放的输入失调电流和失调电压以及输入偏置电流均不为零，所以Rf不应超过1M。 为了增大桥路的负载电阻,可以取R11=R12为整数值100k,则R13=Rf的理论值约为1082k,取标称值1M。,若选用Pt100标准热电阻，当t100时，查Pt100分度表，得到R100=134.71。设桥路激励源电压Uac=1.25V，选取R3、R4为100精密锰铜线绕电阻，流过热电阻的电流不能超
8、过10mA。若忽略r1、r2、RP1、RP2、R7的影响，由分压比公式可得桥路的输出电压为,利用热丝（铂热电阻）测量气体流速（流量）,内置铂金热丝,利用热丝测量气体流速（流量）,内置铂金丝 被加热到200,铂丝接入单臂电桥,t,v,二、热敏电阻传感器（简称热敏电阻）,热敏电阻分类：负温度系数 （NTC，Negative Temperature Coefficient ）、 正温度系数 （PTC，Positive Temperature Coefficient ）之分。 NTC又可分为两大类： 第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，因此可用于测量温度：,第二类为突变型（CTR）。当温度上升
9、到某临界点时，其电阻值突然下降 ，可用于控制温度或抑制浪涌电流 。,NTC热敏电阻的 材料与特性,以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料, 采用陶瓷工艺制造而成。在低温时,这些氧化物材料的载流子(电子和空穴)数目少,所以其电阻值较高。随着温度的升高,载流子数目增加,所以电阻值降低。电阻率和温度系数随材料成分比例、烧结温度和结构状态不同而变化。,现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系列NTC热敏电阻材料。,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片形 b）柱形 c）珠形 d）铠装型 e）厚膜型 f）贴片式 g）图形符号 1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4纯铜外壳 5传热安装孔,PT
10、C热敏电阻,在钛酸钡里掺杂其它的多晶陶瓷材料,压制成圆片等形状, 烧结而成PTC热敏电阻，属于临界温度型(CTR)。当温度上升到某临界点时,其电阻值突然上升,可用于电路的限流、过载保护。大功率PTC还可用作暖风机中的加热元件。,恒温加热用PTC热敏电阻,下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？,例：热敏电阻的特性曲线如下图曲线2， R01M, t025,B=4000, 求:100 时的电阻值,解：T=273+100=373K（开氏）,结论：NTC在100 时的阻值大约只有25 时的(1/15) 。,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 N
11、TC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型热敏电阻,各种非标热敏电阻,非标热敏电阻（续）,非标热敏电阻（续）,热敏电阻式温度面板表,热敏电阻,LCD显示器,热敏电阻电子体温表,热敏电阻电子体温表的调试、标定方法,调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？ 使用分隔刻度为0.1的高准确度温度计,校验本设计刻度中其他各点是否准确,并用单片机进行线性化显示.,a）桥式电路 b）调频式电路 c）数字式体温表
12、1热敏电阻 2指针式显示器 3调零电位器 4调满度电位器,热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器,多谐振荡器又称为矩形波发生器。,去计算机的计数器,例：热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器如下图所示，C=0.001F，被测温度从0增加到100时，Rt从1M减小到67k， 求：多谐振荡器的频率变化范围。,解：f 01/(2R 0 C) = 1/(211060.00110-6)=500Hz f 1001/(2R 0 C)= 1/(2670.001) 7.5kHz,t,热敏电阻用于CPU的温度测量,.,热敏电阻用于电热水器的温度控制,热敏电阻用于继电器控制,在电动机的定子绕组中嵌入负温度突变型热敏电阻
13、，并与继电器串联。当电动机过载时定子电流增大，引起发热。当温度大于突变点时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，因此继电器动作，触发电动机保护电路，从而实现过热保护。,由以上分析可知，必须使用负温度系数的突变型热敏电阻与继电器串联。温度突变点应略高于电动机最高工作壳温。KA为续流二极管。,热敏电阻用于自恢复熔断器,高分子聚合物正温度热敏电阻是由聚合物与导电晶粒等所构成。导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过（或元件处于正常环境温度）时，自复熔断器呈低阻状态。,当电路中有异常过电流,或环境温度超过额定值时, 热量使聚合物迅速膨胀,切断导电粒子所构成的导电通路,自恢复熔断
14、器呈高阻状态；当电路中过电流(或超温状态)消失后,聚合物冷却,体积恢复正常,PTC中的导电粒子又重新构成导电通路。,第三节 气敏电阻传感器,气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。,气敏电阻可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。,一、还原性气体传感器,在化学反应中，还原性气体给出电子。 还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料烧结而成的半导体器件。,MQN型气敏电阻结构及测量电路,1电极引脚 2塑料底座 3烧结
15、体 4不锈钢网罩 5加热电极 6工作电极 7加热回路电源 8测量回路电源,MQN型气敏半导体器件的烧结体中，有两组铂丝。一组铂丝为测量电极，另一组（上图中的左边铂丝）为加热电极兼测量电极。 气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。,MQN型气敏电阻结构（续）,气敏电阻外形,在不同工作温度时,气敏电阻对不同的气体灵敏度不同.,各种可燃性气体传感器,气敏半导体的灵敏度特性曲线,气敏电阻在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化，而当被测气体浓度较大时，其电阻率的变化逐渐趋缓，有较大的非线性。这种特性较适用于气体的微量检漏、浓
16、度检测或超限报警。,燃料电池式酒精测试仪,酒精蒸汽含量检测设备有五种基本类型： 燃料电池型（电化学）、金属氧化物型 、光学型（红外线型 、气体色谱分析型、比色型）。,一次性呼气管,燃料电池酒精传感器采用铂丝作为电极，在催化剂作用下，能使进入燃烧室内的酒精产生无焰燃烧，两电极间的输出电压与进入燃烧室内的酒精浓度成正比。,酒后驾车测试仪,酒后驾车易出事故，请上网查阅有关的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪 ,家庭用煤气报警器,家庭用液化气报警器,一氧化碳传感器,有毒气体传感器,NH3传感器,煤矿瓦斯报警器,有毒气体传感器的使用,二、 二氧化钛氧浓度传感器,半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的
