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1、传感器与检测技术第6章（2）Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v金金属属热热电电阻阻是是利利用用导导体体材材料料的的电电阻阻随随温温度度变变化而变化的特性来实现对温度的测量的。化而变化的特性来实现对温度的测量的。v其其测测温温机机理理是是在在金金属属导导体体两两端端加加电电压压后后，使使其其内内部部杂杂乱乱无无章章运运动动的的自自由由电电子子形形成成有有规规律律的的定定向向运运动动，而而使使导导体体导导电电。当当温温度
2、度升升高高时时，由由于于自自由由电电子子获获得得较较多多能能量量，能能从从定定向向运运动动中中挣挣脱脱出出来来，从从而而定定向向运运动动被被削削弱弱，导导电电率率降低，降低，电阻率增大电阻率增大。2一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v对对于于大大多多数数金金属属导导体体其其电电阻阻随随温温度度变变化化的的关关系为系为 Rt=R0(1+ 1t+ 2t2+ ntn) vRt温度为温度为t时的电阻值时的电阻值vR0温度为温度为0时的电阻值时的电阻值v 1， 2， n由由材材料料和和制制造造工工艺艺所所决定的系数。决定的系数。3一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v金
3、金属属导导体体的的电电阻阻随随温温度度的的升升高高而而增增大大，可可通通过测量电阻值的大小得到所测温度值。过测量电阻值的大小得到所测温度值。v金金属属热热电电阻阻是是中中低低温温区区最最常常用用的的一一种种温温度度检检测器。测器。v它的主要特点是它的主要特点是测量精度高测量精度高，性能稳定性能稳定。v其其中中铂铂热热电电阻阻的的测测量量精精确确度度是是最最高高的的，它它不不仅仅广广泛泛应应用用于于工工业业测测温温，而而且且被被制制成成标标准准的的基准仪。基准仪。 4一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v铂铂电电阻阻物物理理化化学学性性能能稳稳定定，抗抗氧氧化化能能力力强强，测温
4、精度高测温精度高v在在(-2000)范围内的阻温特性是范围内的阻温特性是 v在在(0850)范围内的阻温特性是范围内的阻温特性是 R0=100或或R0=50 13.9710-3/, 2 -5.8510-7/2, 3 -4.2210-12/4 Rt=R01+ 1t+ 2t2+ 3(t-100)t3 Rt=R0(1+ 1t+ 2t2) 5一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v-50150范范围围内内，铜铜电电阻阻化化学学、物物理理性性能稳定，阻温特性接近线性，价格低廉能稳定，阻温特性接近线性，价格低廉 14.2910-3/, 2 -2.1310-7/2, 3 -1.2310-9/4
5、 Rt=R0(1+ 1t+ 2t2 + 3t3) v由由于于铜铜的的电电阻阻率率比比铂铂小小，且且在在空空气气中中容容易易被被氧化，故不适宜在高温和腐蚀性介质下工作氧化，故不适宜在高温和腐蚀性介质下工作 6一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v铟电阻铟电阻是一种高精度是一种高精度低温低温热电阻；热电阻；v铟铟电电阻阻用用99.999%高高纯纯度度的的铟铟丝丝绕绕成成电电阻阻，适适宜宜在在-269-258温温度度范范围围内内使使用用。实实验验证证明明，在在4.2K15K范范围围内内，铟铟电电阻阻灵灵敏敏度比铂电阻高度比铂电阻高10倍。倍。7一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻
6、式温度传感器v锰锰电电阻阻阻阻值值随随温温度度变变化化大大，可可在在(275336)温度范围内使用，但质脆易损坏；温度范围内使用，但质脆易损坏；v镍电阻镍电阻灵敏度较高，但热稳定性较差。灵敏度较高，但热稳定性较差。8一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v热电阻的结构热电阻的结构v热热电电阻阻的的结结构构主主要要由由不不同同材材料料的的电电阻阻丝丝绕绕制制而而成成，为为了了避避免免通通过过交交流流电电时时产产生生感感抗抗，或或有有交交变变磁磁场场时时产产生生感感应应电电动动势势，在在绕绕制制时时要要采用采用双线无感绕制法双线无感绕制法。v由由于于通通过过这这两两股股导导线线的的电
7、电流流方方向向相相反反，从从而而使其产生的磁通相互抵消。使其产生的磁通相互抵消。9一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v热电阻的结构热电阻的结构v铜热电阻结构图铜热电阻结构图v采采用用与与铜铜热热电电阻阻线线串串联联的的补补偿偿线线阻阻是是为为了了保保证铜电阻的电阻温度系数与理论值相等。证铜电阻的电阻温度系数与理论值相等。10一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v热电阻的结构热电阻的结构v铂热电阻结构图铂热电阻结构图v为为了了改改善善热热传传导导，将将铜铜制制薄薄片片与与两两侧侧云云母母片片和盖片铆在一起，并用银丝做成引出线和盖片铆在一起，并用银丝做成引出线11
8、一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式温度传感器v热电阻测量线路热电阻测量线路R R1 1R R2 2R R3 3R Rt tr r1 1r r3 3r r2 2E EA AB BMM三线式电桥连接法三线式电桥连接法Rt为热电阻为热电阻,r1、r2、r3为引线电阻为引线电阻R1、R2为两桥臂电阻为两桥臂电阻R1=R2 R3为调整电桥平衡的精密电阻。为调整电桥平衡的精密电阻。M表表内内阻阻很很大大，故故电电流流近近似似为为零零。当当UA=UB时时电电桥桥平平衡衡。若若使使r1=r2,则则R3=Rt,就就可可消消除除引引线线电阻的影响。电阻的影响。12一、金属热电阻式温度传感器一、金属热电阻式
9、温度传感器v热电阻测量线路热电阻测量线路四线式电阻测量电路四线式电阻测量电路r r1 1r r2 2r r3 3r r4 4R Rt tI IV VI IMME EMM电压表电压表电压表电压表恒流源恒流源恒流源恒流源因因IVIM，IV 0,又又EM=E+IV（r2+r3）由上式知引线电阻由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压将不引起测量误差。电压表的值表的值EM可认为是热电阻可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计上的压降，据此可计算出微小温度变化。算出微小温度变化。13二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v这这种种传传感感器器的的感感温温元元件件是是对对温温度度非非常常敏敏
10、感感的的热热敏敏电电阻阻，所所用用材材料料是是陶陶瓷瓷半半导导体体，其其导导电电性取决于电子性取决于电子-空穴的浓度。空穴的浓度。v它它的的测测温温机机理理是是：在在低低温温下下，电电子子-空空穴穴浓浓度度很很低低，故故电电阻阻率率很很大大，随随着着温温度度的的升升高高，电电子子-空空穴穴的的浓浓度度按按指指数数规规律律增增加加，电电阻阻率率迅速减小。迅速减小。14二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v阻温特性为阻温特性为 :vR0温度为温度为20时的电阻值时的电阻值( )vRT温度为温度为T时的电阻值时的电阻值( )vT热力学温度热力学温度(K)vB热热敏敏电电阻阻常常数数(与与
11、热热敏敏电电阻阻材材料料及及工艺有关工艺有关)15二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v按照不同的物理特性，热敏电阻可分为按照不同的物理特性，热敏电阻可分为:v正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻v临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻v负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻16二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v正正温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻:在在测测量量温温度度范范围围内内，其其阻阻值值随随温温度度增增加加而而增增加加，最最高高温温度度通通常常不不超过超过140v临临界界温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻:在在临临界界温温度度附附近近电电阻阻有有急急剧剧变变化
12、化，因因此此不不适适于于较较宽宽温温度度范范围围内内的测量；的测量；v负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻:其其阻阻值值随随温温度度增增加加而而呈呈下下降降趋趋势势，一一般般用用于于(-50300)之之间间的温度测量。的温度测量。17二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器10108 810102 210104 410106 60 0三类热敏电阻的温度特性三类热敏电阻的温度特性三类热敏电阻的温度特性三类热敏电阻的温度特性温度（温度（温度（温度（）电阻（电阻（电阻（电阻（）NTCNTCCTRCTRPTCPTC4040808012012016016018018018二、热敏电阻式温度传感器
13、二、热敏电阻式温度传感器v由由于于热热敏敏电电阻阻与与温温度度的的关关系系呈呈较较强强的的非非线线性性，使得它的测温范围和精度受到一定限制。使得它的测温范围和精度受到一定限制。v为为了了解解决决这这两两方方面面问问题题，常常利利用用温温度度系系数数很很小小的的金金属属电电阻阻与与热热敏敏电电阻阻串串联联或或并并联联，使使热热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。19图中热敏电阻图中热敏电阻Rt与补偿电阻与补偿电阻Rx 串联串联,串联串联后的等效电阻后的等效电阻R= Rt +Rx ，只要，只要Rx 的阻值的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻选择适当，可使温度在
14、某一范围内与电阻的倒数成线性关系的倒数成线性关系E ER Rx xR Rt t串联补偿电路串联补偿电路R Rx xR Rt t+ +R Rx xR Rt t温度温度温度温度电阻电阻电阻电阻电流电流I与温度与温度T成线性关系。成线性关系。20R Rt t/ /R Rx xR Rx xR Rt t电阻电阻电阻电阻温度温度温度温度并联补偿电路并联补偿电路R Rx xR Rt t图中热敏电阻图中热敏电阻Rt与补偿电阻与补偿电阻Rx并联，其等效并联，其等效电阻电阻R R= = Rt / / Rx 。由图可知，。由图可知，R R与温度的关与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一系曲线便显得比较平坦。
15、因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。温度范围内得到线性的输出特性。21二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v热热 敏敏 电电 阻阻 是是 由由 一一 些些 金金 属属 氧氧 化化 物物 ， 如如 钴钴（Co）、锰锰（Mn）、镍镍（Ni）等等的的氧氧化化物物采用不同比例配方，采用不同比例配方，高温烧结高温烧结而成。而成。v形状有形状有柱形、珠状、片状、杆状、垫圈状柱形、珠状、片状、杆状、垫圈状等等22二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v近近年年来来研研制制的的热热敏敏电电阻阻具具有有较较好好的的耐耐热热性性和和可靠性。可靠性。v硅硅热热敏敏电电阻阻可可具具有有正
16、正温温度度系系数数或或负负温温度度系系数数，尽尽管管阻阻温温特特性性是是非非线线性性，但但是是采采用用线线性性化化措措施施之之后后，可可在在(-30150)范范围围内内实实现现近近似线性化。似线性化。 v锗热敏电阻锗热敏电阻广泛用于低温测量。广泛用于低温测量。v硼硼热热敏敏电电阻阻在在700高高温温时时仍仍能能满满足足灵灵敏敏度度、稳稳定定性性的的要要求求，可可用用于于测测量量液液体体的的流流速速、压压力等。力等。 23二、热敏电阻式温度传感器二、热敏电阻式温度传感器v热热敏敏电电阻阻的的温温度度系系数数比比金金属属热热电电阻阻大大，而而且且体体积积小小、重重量量轻轻，很很适适用用于于小小空空
17、间间温温度度测测量量，又又由由于于它它的的热热惯惯性性小小、反反应应速速度度快快，故故适适于于测量快速变化的温度。测量快速变化的温度。24习题习题1. 下下图图给给出出了了一一种种测测温温电电路路，其其中中Rt=2R0(1+0.01t) (k ) 为为感感温温热热电电阻阻，RB为为可可调调电电阻阻，U为为工工作作电电压压。（图中（图中G为检流计）为检流计）（1）基基于于该该测测温温电电路路的的工工作作机机理理，请请给给出出调调节节电电阻阻RB随温度变化的关系。随温度变化的关系。（2）若若测测温温范范围围为为2040，R0=10 k ，试试计计算算RB的变化范围。的变化范围。251.解：解：（1
18、）电桥平衡满足条件：）电桥平衡满足条件：2R0RtR0RB习题习题（2）RBmin410（1+0.0120）48 (k ) RBmax410（1+0.0140）56 (k ) RB的变化范围：的变化范围：48 k 56 k 26习题习题2.一一种种测测温温电电路路的的测测温温范范围围为为0200，其其电电路路图图如如图图所所示示。图图中中Rt=10(1+0.005t) (k ) 为为感感温温热热电电阻阻，R0=10 k ，工工作作电电压压E=10V，M、N两两点点的的电电位位差差为为输出电压输出电压UMN。（1）写出）写出UMN的数学表达式。的数学表达式。（2）求）求0到到100时测量电路的灵敏度。时测量电路的灵敏度。27习题习题2.解：解：（1）（2）灵敏度：）灵敏度：kUMN/t=0.0125 V/28
