温传感器的作用及分类.pptx

一、温度的基本概念一、温度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。程度。温标表示温度大小的尺度，是温度的标尺，简称温标。表示温度大小的尺度，是温度的标尺，简称温标。温度数值的表示方法叫做温度数值的表示方法叫做“温标温标”。为了定量地确定温。为了定量地确定温度，对物体或系统温度给以具体的数量标志，各种各样温度度，对物体或系统温度给以具体的数量标志，各种各样温度计的数值都是由温标决定的。计的数值都是由温标决定的。温标是为量度物体或系统温度的高低对温度的零点和分温标是为量度物体或系统温度的高低对温度的零点和分度法所做的一种规定，是温度的单位制。度法所做的一种规定，是温度的单位制。第1页/共93页u热力学温标热力学温标u国际实用温标国际实用温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标目前，国际上用得最多的温标有：目前，国际上用得最多的温标有：1热力学温标 1848 1848年威廉年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因为是开立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因为是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K K表示。表示。在国际单位制中，它是七个基本单位之一，名叫热力学温在国际单位制中，它是七个基本单位之一，名叫热力学温度。度。第2页/共93页 19541954年年，国国际际计计量量会会议议选选定定水水的的三三相相点点为为273.16273.16，并并以以它它的的1/273.161/273.16定定为为一一度度，这这样样热热力力学学温温标标就就完完全全确确定定了了，即即T T=273.16=273.16(Q(Q1 1/Q/Q2 2)。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔间隔1K=11K=1。T T0 0是在标准大气压下冰的融化温度，是在标准大气压下冰的融化温度，T T0 0=273.15 K273.15 K。水的三相点温度比冰点高出。水的三相点温度比冰点高出0.01 K0.01 K。1K 1K定义为水三相点热力学温度的定义为水三相点热力学温度的1/273.161/273.16，水的三相点是，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三相平衡时的温度，热力学温标规指纯水在固态、液态及气态三相平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为定三相点温度为273.16 K273.16 K，这是，这是建立温标的惟一基准点建立温标的惟一基准点。第3页/共93页 热力学温标是热力学温标是不依赖任何具体测温物质及其测温属性不依赖任何具体测温物质及其测温属性的温标，当然是最理想的温标。但是，我们无法制造出可的温标，当然是最理想的温标。但是，我们无法制造出可逆热机，因而无法测出可逆热机从高温热源吸收的热量与逆热机，因而无法测出可逆热机从高温热源吸收的热量与向低温热源放出热量之比。向低温热源放出热量之比。同时，摄氏温标与华氏温标的各种温度计，在玻璃管同时，摄氏温标与华氏温标的各种温度计，在玻璃管中根据不同的用途，装有不同的液体（如煤油、酒精或水中根据不同的用途，装有不同的液体（如煤油、酒精或水银），由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，银），由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，而且不同的液体和温度的非线性关系彼此也不一样，由于而且不同的液体和温度的非线性关系彼此也不一样，由于测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废弃之列。弃之列。2国际实用温标第4页/共93页 为为了了解解决决国国际际上上温温度度标标准准的的实实用用问问题题，国国际际上上协协商商决决定定，建建立立一一种种既既能能体体现现热热力力学学温温度度（即即能能保保证证一一定定的的准准确确度度），又又使使用用方方便便、容容易易实实现现的的温温标标，即即国国际际实实用用温温标标International International Practical Practical Temperature Temperature Scale Scale of of 19681968(简称简称IPTS-68)IPTS-68)，又称国际温标。，又称国际温标。它是一种国际间的协议性温标，是世界上温度数值的它是一种国际间的协议性温标，是世界上温度数值的统一标准。一切温度计的示值和温度测量的结果都应该表统一标准。一切温度计的示值和温度测量的结果都应该表示成国际实用温标温度，它的温度数值可以表示成开尔文示成国际实用温标温度，它的温度数值可以表示成开尔文温度或摄氏温度的数值。温度或摄氏温度的数值。第5页/共93页从国际温标的定义方法来看，它仍然是一种经验温标。从国际温标的定义方法来看，它仍然是一种经验温标。但它是以热力学温度为标准而制定的，是热力学温度的一但它是以热力学温度为标准而制定的，是热力学温度的一种近似，这是它与历史上各种经验温标的根本区别。种近似，这是它与历史上各种经验温标的根本区别。国际实用温标的基本思想是：将温度范围分成几个区国际实用温标的基本思想是：将温度范围分成几个区域，每个区域采用操作起来较为简便的温度计。但它们的域，每个区域采用操作起来较为简便的温度计。但它们的刻度均以热力学温标逼近，即在不同的温区有不同的标准刻度均以热力学温标逼近，即在不同的温区有不同的标准公式。这样，在温度计上的刻度不一定是均匀的，但测出公式。这样，在温度计上的刻度不一定是均匀的，但测出的温度却尽可能接近热力学温度。的温度却尽可能接近热力学温度。协议性温标随科学技术水平的提高不断改进，以便缩协议性温标随科学技术水平的提高不断改进，以便缩小国际实用温标与热力学温标之间的差距。例如更精确地小国际实用温标与热力学温标之间的差距。例如更精确地测定标准温度点的温度；修正内插公式；改进基准温度计测定标准温度点的温度；修正内插公式；改进基准温度计等。等。第6页/共93页 温标的要点是温标的要点是：（1 1）19681968年国际实用温标规定年国际实用温标规定热力学温度是基本温度热力学温度是基本温度，用用T T表示，其单位是开尔文，符号为表示，其单位是开尔文，符号为K K。目前，国际通用的国际实用温标是国际权度委员会目前，国际通用的国际实用温标是国际权度委员会根据第十三届国际权度委员会大会决议制定的。各国从根据第十三届国际权度委员会大会决议制定的。各国从19691969年开始采用，我国从年开始采用，我国从19731973年起在全国范围内推行。年起在全国范围内推行。（2 2）国际实用温标是以）国际实用温标是以1111个可复现的平衡态个可复现的平衡态(定义固定点定义固定点)的温度指定值，以及在这些固定点上分度的标准内插仪的温度指定值，以及在这些固定点上分度的标准内插仪器作为基础的。固定点之间的温度器作为基础的。固定点之间的温度,由内插公式确定。由内插公式确定。1111个可以复现的固定点是一定种类的纯物质的某种相平衡点个可以复现的固定点是一定种类的纯物质的某种相平衡点（包括不同物质的凝固点、沸点、三相点）（包括不同物质的凝固点、沸点、三相点）。19681968年国年国际实用温标（际实用温标（19751975年修订版）所采用的定义固定点及其温年修订版）所采用的定义固定点及其温度指定值列在附表中。度指定值列在附表中。第7页/共93页氢氢氧氧三相点三相点沸点沸点54.36154.36190.18890.188-218.798-218.798-182.962-182.962水水三相点三相点沸点沸点273.16273.16373.15373.150.010.01100.0100.0锌锌凝固点凝固点692.73692.73419.58419.58银银凝固点凝固点1235.081235.08961.93961.93金金凝固点凝固点1337.581337.581064.431064.43物质物质三相点三相点平衡状态平衡状态温度温度T68/KT68/KT68/T68/13.8113.817.0427.04220.820.827.10227.102-259.31-259.31-256.108-256.108-252.87-252.87-246.048-246.048沸点沸点25/76atm25/76atm沸点沸点沸点沸点国际实用温标（国际实用温标（IPTS-68IPTS-68）的固定点）的固定点第8页/共93页（3 3）将将温温度度分分为为四四个个温温度度段段，分分别别规规定定各各温温度度段段所所使使用用的的标标准准仪器：仪器：低温铂电阻温度计（低温铂电阻温度计（13.81K273.15K13.81K273.15K）；）；铂电阻温度计（铂电阻温度计（273.15K903.89K273.15K903.89K）；）；铂铑铂铑-铂热电偶温度计（铂热电偶温度计（903.89K1337.58K903.89K1337.58K）；）；光测温度计（光测温度计（1337.58K1337.58K以上）。以上）。（4 4）国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号）国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68T68和和t68t68来区别（一般简写为来区别（一般简写为T T与与t t）。）。3摄氏温标 摄氏温度是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气摄氏温度是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压压(即即101325Pa)101325Pa)下将水的沸点定为下将水的沸点定为100100度，水的结冰点定为零度，度，水的结冰点定为零度，并将中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度并将中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，摄氏度，)，一般用小写字母一般用小写字母t t表示。与热力学温标单位开尔文并用。表示。与热力学温标单位开尔文并用。第9页/共93页摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4华氏温标 华氏温度是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用华氏温度是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用这种温标。它规定在标准大气压下冰的融点为这种温标。它规定在标准大气压下冰的融点为3232华氏度，水的华氏度，水的沸点为沸点为212212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180180份，每一等份称为华氏一度，份，每一等份称为华氏一度，符号用符号用，它和摄氏温度的关系如下：，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32n=5/9(m-32)m m和和n n分别表示华氏和摄氏温度值。分别表示华氏和摄氏温度值。第10页/共93页 二、温度传感器的特点与分类u随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u蒸气压的温度变化；u电极的温度变化u热电偶产生的电动势；u光电效应u热电效应u介电常数、导磁率的温度变化；u物质的变色、融解；u强性振动温度变化；u热放射；u热噪声。1 温度传感器的物理原理(11)第11页/共93页l特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；且随温度呈线性变化；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。2.温度传感器应满足的条件第12页/共93页3.温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器接触式温度传感器l 非接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：（1）基于热平衡原理；测温元件必须与被测介质接触，在足够长的时间里，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度。（2）优点：简单、可靠、测量精度高，且技术成熟，种类多，选择余地大。（3）缺点：A.由于测温元件需要与被测介质接触后进行充分的热交换才能达到热平衡，因而产生滞后现象。B.受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。第13页/共93页非接触式温度传感器的特点：（1）基于热辐射原理：是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度。（2）优点：A.由于测温元件不与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度，可测量极高温。B.测温速度也较快；C.可对运动体进行测量。（3）缺点：由于它受被测对象到仪表间的距离、烟尘和水气等其它介质的影响，一般测温误差大。第14页/共93页物理现象体积热膨胀电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色PN结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金第15页/共93页 此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。第16页/共93页公元公元16001600年，伽里略研制出气体温度计。年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随随着着现现代代工工业业技技术术发发展展的的需需要要，相相继继研研制制出出金金属属丝丝电电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。19501950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最最近近，随随着着原原材材料料、加加工工技技术术的的飞飞速速发发展展、又又陆陆续续研研制出各种类型的温度传感器。制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况第17页/共93页第18页/共93页利用感温材料，把测量温度转化为测量电阻的测利用感温材料，把测量温度转化为测量电阻的测温系统。温系统。第一节 电阻型温度传感器金属热电阻金属热电阻（简称热电阻）（简称热电阻）半导体热敏电阻半导体热敏电阻（简称热敏电阻）（简称热敏电阻）正温度系数热电阻正温度系数热电阻其阻值随温度的升高而增加。其阻值随温度的升高而增加。负温度系数热电阻负温度系数热电阻其阻值随温度的升高而减少。其阻值随温度的升高而减少。一、金属热电阻的特性1.1.自然界中，大多数纯金属导体的电阻具有随温度变化的特性，自然界中，大多数纯金属导体的电阻具有随温度变化的特性，其特性方程如下：其特性方程如下：第19页/共93页式中式中R Rt t任意绝对温度任意绝对温度t t时金属的电阻值时金属的电阻值;R R0 0基准状态基准状态t t0 0时的电阻值；时的电阻值；a a 热电阻的温度系数。热电阻的温度系数。而而则则a a越大，越大，S S越高。越高。第20页/共93页注意：注意：对于绝大多数金属导体，对于绝大多数金属导体，a a并不是一个常熟，而是有关温度的并不是一个常熟，而是有关温度的函数。函数。但在一定温度范围内，可近似地看作一个常数。但在一定温度范围内，可近似地看作一个常数。不同地金属导体，不同地金属导体，a a保持常数所对应地温度范围不同。保持常数所对应地温度范围不同。绝大多数金属具有正的电阻温度系数绝大多数金属具有正的电阻温度系数a a。1.1.作为测量用的热电阻材料必须满足以下要求：作为测量用的热电阻材料必须满足以下要求：电阻温度系数电阻温度系数a a要高。要高。a Sa S一般纯金属一般纯金属aa合金合金a a在测温范围内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准在测温范围内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准确性。确性。第21页/共93页具有良好的输出特性。具有良好的输出特性。具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量。具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量。具有良好的可加工性，且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、具有良好的可加工性，且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、镍等。镍等。二、常用热电阻 1.铂热电阻（Pt）（1 1）铂的优点：）铂的优点：在氧化性介质中，甚至在高温下，铂的物理、化学性质均很稳在氧化性介质中，甚至在高温下，铂的物理、化学性质均很稳定。定。铂材料的输入输出特性近于线性，测量精度非常高。铂材料的输入输出特性近于线性，测量精度非常高。第22页/共93页（2 2）铂的缺点：）铂的缺点：铂是贵金属，价格昂贵。铂是贵金属，价格昂贵。（3 3）铂的应用范围：）铂的应用范围：铂电阻一般用于高精度测量，广泛应用于温度的基准，长时间铂电阻一般用于高精度测量，广泛应用于温度的基准，长时间稳定的重现性使它成为目前测温重现性最好的温度计。稳定的重现性使它成为目前测温重现性最好的温度计。在一般测量精度和测温范围较小时采用铜电阻。在一般测量精度和测温范围较小时采用铜电阻。2.铜热电阻（Cu）（1 1）铜的优点：）铜的优点：铜丝在铜丝在-50-50100100范围内性能很稳定，且电阻与温度的关系范围内性能很稳定，且电阻与温度的关系接近于线性。接近于线性。温度系数大，灵敏度高。温度系数大，灵敏度高。第23页/共93页容易加工和提纯。容易加工和提纯。价格便宜。价格便宜。（2 2）铜的缺点：）铜的缺点：铜丝在铜丝在t100t100时，易被氧化。时，易被氧化。电阻率小。电阻率小。（3 3）铜的应用范围：）铜的应用范围：铜热电阻一般用于铜热电阻一般用于150150以下、无水分和无侵蚀性的低温环境以下、无水分和无侵蚀性的低温环境中。中。第24页/共93页3、热电阻测温电桥 在生产和科学研究中常用各种电桥来测量电路元件的电阻、在生产和科学研究中常用各种电桥来测量电路元件的电阻、电容、电感，在非电量的电测技术中也常用到电桥，电桥是一电容、电感，在非电量的电测技术中也常用到电桥，电桥是一种比较式仪表，它的准确度和灵敏度都很高。种比较式仪表，它的准确度和灵敏度都很高。R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3E E惠登斯电桥惠登斯电桥R Rg gA AC CD DI Ig gB B当当R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3时，时，I Ig g=0=0，U Ug g=0=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若如图所示的电桥中，若如图所示的电桥中，R R2 2、R R3 3、R R4 4不是热电阻，即其阻值不是热电阻，即其阻值不随温度变化而变化。在实际不随温度变化而变化。在实际测量时，先调电桥平衡。测量时，先调电桥平衡。第25页/共93页 R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3E E惠登斯电桥惠登斯电桥R Rg gA AC CD DI Ig gB B 当外界环境温度由当外界环境温度由TT+TTT+T，R R1 1RR1 1+R+R1 1，电桥的平衡将会，电桥的平衡将会被打破。被打破。检流计中流过电流，检流计中流过电流，这个电流与这个电流与RR1 1有一定的函数关有一定的函数关系。系。这个电流与这个电流与TT有一定的有一定的关系关系第26页/共93页 R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3E E惠登斯电桥惠登斯电桥R Rg gA AC CD DI Ig gB B当当TRTR1 1时时M=RRM=RRG G(R(R3 3+R+R4 4)+R)+R2 2(R(R3 3+R+R4 4)+R)+R3 3R R4 4 实验证明，实验证明，R R很小时，很小时，M M也很小也很小可以认为可以认为I Ig g的分母不变。的分母不变。则此时的不平衡电流为：则此时的不平衡电流为：即可测出被测温度的变化。即可测出被测温度的变化。第27页/共93页 热热电电阻阻测测温温电电桥桥分分为为二二线线制制接接法法、三三线线制制接接法法、四四线线制制接接法法。其其中中三三线线制制接接法法和和四四线线制制接接法法是是为为了了消消除除连连接接导导线线随环境温度变化而造成的测量误差。随环境温度变化而造成的测量误差。（一）、二线制接法1.1.结构结构 热电阻通过两根导线引入电桥的热电阻通过两根导线引入电桥的一个桥臂中。一个桥臂中。2.2.二线制存在的问题二线制存在的问题A.A.热电阻中流过电流具有加热效应。热电阻中流过电流具有加热效应。B.B.工业用热电阻安装在生产现场，与其工业用热电阻安装在生产现场，与其安装在控制室的指示仪表之间的引线很安装在控制室的指示仪表之间的引线很长，引线阻值随外界温度变化而变化不长，引线阻值随外界温度变化而变化不能忽略，势必造成较大的测量误差。能忽略，势必造成较大的测量误差。第28页/共93页3.3.解决方法解决方法A.A.在设计电桥时，尽量使流过热电阻的在设计电桥时，尽量使流过热电阻的电流降低，一般应小于电流降低，一般应小于10mA10mA。B.B.采用三线制和四线制的接法。采用三线制和四线制的接法。（二）、三线制接法1.1.结构结构 热电阻通过三根导线引入电桥中。热电阻通过三根导线引入电桥中。其中两根导线分别接到热电阻所在的其中两根导线分别接到热电阻所在的桥臂与其相邻的桥臂上，另外一根导桥臂与其相邻的桥臂上，另外一根导线接到电桥的电源端。线接到电桥的电源端。第29页/共93页2.2.测量原理测量原理 当电桥平衡时，有：当电桥平衡时，有：(R(Rt t+r)R+r)R1 1=R=R2 2(R(R3 3+r)+r)若若R R1 1=R=R2 2：则：则R Rt tR R3 3，在这种情况下，连接线电阻，在这种情况下，连接线电阻r r的变化对示数毫无影响。的变化对示数毫无影响。局限性：局限性：当当R Rt t随温度变化较大时，该方法不能完全消除随温度变化较大时，该方法不能完全消除r r变化对示数的影响。变化对示数的影响。3.3.解决方法解决方法 四线制接法四线制接法（二）、三线制接法第30页/共93页1.1.结构结构 热电阻通过四根导线引入电路热电阻通过四根导线引入电路中。其中两根导线接到电位差计，中。其中两根导线接到电位差计，另外两根导线接到电源端。另外两根导线接到电源端。2.2.测量原理测量原理 由恒流源供给已知电流由恒流源供给已知电流I I流过热电阻流过热电阻RtRt，用电位差计测出其两，用电位差计测出其两端电压端电压U U，再利用欧姆定律，得：，再利用欧姆定律，得：其中：其中：由于：由于：则：则：（三）、四线制接法第31页/共93页 因为电位差计不取电流，所以因为电位差计不取电流，所以四根导线的电阻四根导线的电阻r r对测量均无影响。对测量均无影响。与电位差计配合的四线制测量热电阻是比较完善的方法，与电位差计配合的四线制测量热电阻是比较完善的方法，它不受任何条件的约束，总能消除连接导线电阻对测量的影它不受任何条件的约束，总能消除连接导线电阻对测量的影响。响。这里恒流源是关键，必须保证电流这里恒流源是关键，必须保证电流I I的稳定不变，而且其的稳定不变，而且其值的精确度应该和值的精确度应该和RtRt的测量精度相适应。的测量精度相适应。（三）、四线制接法第32页/共93页三、热敏电阻 热敏电阻是一种利用半导体材料制成的敏感元件，其电阻对热敏电阻是一种利用半导体材料制成的敏感元件，其电阻对温度变化很明显，电阻温度系数比金属大很多。温度变化很明显，电阻温度系数比金属大很多。在温度传感器中应用最多的有在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻热电偶、热电阻（如铂、铜电（如铂、铜电阻温度计等）和阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40-40350350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。1.热敏电阻的结构 热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末（热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末（NiONiO、MnOMnO、CuOCuO、TiOTiO等）为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的。等）为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的。通过不同材质的混合，能得到热敏电阻不同的电阻值通过不同材质的混合，能得到热敏电阻不同的电阻值R R0 0及及不同的温度特性。不同的温度特性。第33页/共93页热敏电阻发展历史热敏电阻发展历史（1 1）18371837年，人们就发现年，人们就发现AgAg2 2S S的电导率随温度的改变而的电导率随温度的改变而变化这一现象。变化这一现象。（2 2）最早用来制造热敏电偶的材料是）最早用来制造热敏电偶的材料是VOVO2 2。（3 3）美国贝尔实验室早在）美国贝尔实验室早在19401940年左右利用年左右利用MnMn、CoCo、NiNi、CuCu等金属氧化物研制出工艺简单、性能良好的热敏电阻器。等金属氧化物研制出工艺简单、性能良好的热敏电阻器。第34页/共93页 热敏电阻主要由热敏电阻主要由热敏探头热敏探头1 1、引线、引线2 2、壳体、壳体3 3构成。构成。1 13 32 2R Rt t结构结构热敏电阻符号热敏电阻符号1 1热敏探头，热敏探头，2 2引线，引线，3 3壳体壳体2.热敏电阻的特性参数（1 1）标称电阻标称电阻R R2525（冷阻）（冷阻）标标称称电电阻阻值值是是热热敏敏电电阻阻在在2525时时的的零零功功率率状状态态下下的的阻阻值值。其其大大小取决于热敏电阻的材料和它的几何尺寸。小取决于热敏电阻的材料和它的几何尺寸。第35页/共93页 如如果果环环境境温温度度不不是是2525，而而是是在在25252727之之间间，则则按按下下式式计计算：算：2.电阻温度系数T（%/）用于描述温度的变化引起电阻变化率变化的参数。用于描述温度的变化引起电阻变化率变化的参数。指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的相对值。用下式表示相对值。用下式表示 mm决定了热敏电阻器在全部工作温度范围内的温度灵敏度。决定了热敏电阻器在全部工作温度范围内的温度灵敏度。第36页/共93页3.时间常数 时间常数就是表征热敏电阻值热惯性大小的参数。其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63时所需的时间。4.额定功率PE 指热敏电阻器在标准压力（指热敏电阻器在标准压力（750133.322Pa750133.322Pa）和规定的最）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续工作所允许的最大消耗功率。高环境温度下，热敏电阻长期连续工作所允许的最大消耗功率。在实际使用中，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。在实际使用中，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。第37页/共93页 半半导导体体热热敏敏电电阻阻按按半半导导体体电电阻阻随随温温度度变变化化的的典典型型分分为为三种三种类型：类型：1正温度系数热敏电阻（PTC）电电阻阻值值随随温温度度升升高高而而增增大大的的电电阻阻器器，简简称称PTCPTC热热敏敏阻阻器器。它的主要材料是掺杂的它的主要材料是掺杂的BaTiOBaTiO3 3半导体陶瓷。半导体陶瓷。2负温度系数热敏电阻（NTC）电电阻阻值值随随温温度度升升高高而而下下降降的的热热敏敏电电阻阻器器简简称称NTCNTC热热敏敏电电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3临界温度系数热敏电阻（CTR）该该类类电电阻阻器器的的电电阻阻值值在在某某特特定定温温度度范范围围内内随随温温度度升升高高而而降降低低3 34 4个个数数量量级级，即即具具有有很很大大负负温温度度系系数数。其其主主要要材材料料是是VOVO2 2并添加一些金属氧化物。并添加一些金属氧化物。3.热敏电阻的分类 第38页/共93页热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性（R RT TT T）1 12 23 34 4铂丝铂丝404060601201201601600 010100 010101 110102 210103 310104 410105 510106 6R RT T/温度温度T/T/CC热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1 1-NTCNTC；2 2-CTRCTR；3 3-4PTC4PTC T TT T与与R RT TT T特性特性曲线一致。曲线一致。4.热敏电阻的特性 第39页/共93页1临界温度系数热敏电阻（CTR）1 12 23 34 4铂丝铂丝404060601201201601600 010100 010101 110102 210103 310104 410105 510106 6R RT T/温度温度T/T/CC热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1 1-NTCNTC；2 2-CTRCTR；3 3-4PTC4PTC 临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻（CTRCTR）是指在）是指在某一温度附某一温度附近电阻值发生突变近电阻值发生突变，且于几，且于几度的狭小温区内随温度的增度的狭小温区内随温度的增加降低加降低3 34 4个数量级的一类个数量级的一类热敏元件。右图中的热敏元件。右图中的2 2曲线即曲线即为一典型的为一典型的CTRCTR热敏电阻温热敏电阻温度特性曲线。度特性曲线。阻值的突变点称为阻值的突变点称为临界温临界温度点度点。第40页/共93页1 12 23 34 4铂丝铂丝404060601201201601600 010100 010101 110102 210103 310104 410105 510106 6R RT T/温度温度T/T/CC热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1 1-NTCNTC；2 2-CTRCTR；3 3-4PTC4PTC（1）原因 此类半导体陶瓷材料此类半导体陶瓷材料在临在临界温度点发生半导体向金属界温度点发生半导体向金属的相变的相变，引起半导体电阻值，引起半导体电阻值的极大变化。的极大变化。典型的典型的CTRCTR电阻材料为电阻材料为V V2 2OO3 3，其相变点可通过添加其相变点可通过添加GeGe、NiNi、WW、MnMn等元素来调整。等元素来调整。（2）应掌握的概念开关电阻开关电阻R Rc c：标称电阻值标称电阻值 规定系数（如规定系数（如8080）第41页/共93页1 12 23 34 4铂丝铂丝404060601201201601600 010100 010101 110102 210103 310104 410105 510106 6R RT T/温度温度T/T/CC热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1 1-NTCNTC；2 2-CTRCTR；3 3-4PTC4PTC宏观开关温度：宏观开关温度：电阻值下降到开关电阻时所电阻值下降到开关电阻时所对应的温度。对应的温度。（3）CTR的用途 控温、报警、无触点开关等。控温、报警、无触点开关等。第42页/共93页式中：式中：BNTCBNTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。R R0 0TT时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值；2.负电阻温度系数(NTC)NTCNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：对上式两边取对数得：对上式两边取对数得：由上式可以看出，由上式可以看出，为直线如右图所示。为直线如右图所示。(1)NTC(1)NTC的的R-TR-T特性（温度特性）特性（温度特性）第43页/共93页则则NTCNTC的电阻温度系数为：的电阻温度系数为：直线的斜率为：直线的斜率为：(2)NTC(2)NTC的温度系数的温度系数 t t第44页/共93页显然显然 T T并非常数，其值是随并非常数，其值是随温度升高而逐渐减小的温度升高而逐渐减小的也即是也即是NTCNTC的低温段比高温段更灵敏。的低温段比高温段更灵敏。(3)NTC(3)NTC的静态伏安特性曲线的静态伏安特性曲线 a ab bc cd dU Um mU U0 0I I0 0I Im mU U/V/VI I/mA/mANTCNTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性 右右图图为为典典型型的的NTCNTC静静态态伏伏安安特特性性曲曲线线。温温度度为为T T0 0时时给给NTCNTC上上通通有有电电流流I I，则则电电阻阻两两端的电压端的电压V VT T为：为：第45页/共93页 a ab bc cd dU Um mU U0 0I I0 0I Im mU U/V/VI I/mA/mANTCNTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性由图可知，它可分为三段：由图可知，它可分为三段：oaoa段：当流过段：当流过NTCNTC的电流较的电流较小时，电流不足以引起热敏小时，电流不足以引起热敏电阻发热电阻发热此时热敏电阻相此时热敏电阻相当于一个固定电阻当于一个固定电阻其伏安其伏安特性服从欧姆定律特性服从欧姆定律曲线在曲线在该段呈线型。该段呈线型。abab段：电流段：电流INTCINTC自身温度明显自身温度明显NTCNTC耗散功率耗散功率 NTCNTC阻值阻值此时此时RR的速度的速度 流过流过NTCNTC电流电流II的速度的速度 由由U=RIU=RI知：此时知：此时U U随电流随电流I I的增加而降低，即曲线斜率的增加而降低，即曲线斜率由正变负。由正变负。当电流超过某一值时，热敏电阻将被烧坏。当电流超过某一值时，热敏电阻将被烧坏。第47页/共93页2.正电阻温度系数(PTC)PTC PTC热敏电阻是正温度系数热敏电阻，即其阻值随着温热敏电阻是正温度系数热敏电阻，即其阻值随着温度的升高而增大。度的升高而增大。(1)(1)开关型开关型PTCPTC的的R-TR-T特性（温度特性）特性（温度特性）右图为右图为PTCPTC热敏电阻的电热敏电阻的电阻值随温度变化的特性曲线。阻值随温度变化的特性曲线。曲线曲线中电阻值随温度变中电阻值随温度变化很快，曲线很陡，称为化很快，曲线很陡，称为突突变型（开关型）变型（开关型）PTCPTC热敏电热敏电阻。阻。第48页/共93页 曲线曲线中出现一个电阻最中出现一个电阻最小值小值R Rminmin，可以看出，当温度，可以看出，当温度高于高于T Tb b后，阻值才开始随温后，阻值才开始随温度很快地变化。度很快地变化。则把则把T Tb b称为称为开关温度开关温度，对应，对应的阻值为的阻值为开关电阻（开关电阻（R Rb b）。在开关温度以上，温度为在开关温度以上，温度为T T时的阻值时的阻值R RT T与温度与温度T T的关系近的关系近似为：似为：式中：式中：AA开关型开关型PTCPTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。R R0 0常温下热敏电阻器的电阻值；常温下热敏电阻器的电阻值；第49页/共93页 则开关型则开关型PTCPTC的电阻温度的电阻温度系数为：系数为：(2)(2)开关型开关型PTCPTC的温度系数的温度系数 t t第50页/共93页 上式说明开关型上式说明开关型PTCPTC的温度系数的温度系数 t t与温度无关。与温度无关。(3)(3)缓变型缓变型PTCPTC的的R-TR-T特性（温度特性）特性（温度特性）曲线曲线中电阻值随温度变中电阻值随温度变化缓慢，这种电阻被称为化缓慢，这种电阻被称为缓缓变型（渐变型）变型（渐变型）PTCPTC热敏电热敏电阻。阻。其阻值其阻值RTRT与温度与温度T T的关系的关系近