热电阻式传感器2.ppt

《热电阻式传感器2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热电阻式传感器2.ppt（45页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、7.3 热电阻式传感器l7.3.1 金属热电阻金属热电阻l7.3.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻l7.3.3 热电阻式传感器的应用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：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；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；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；在测量范围内

2、，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；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。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使用最广泛的热电阻材料是铂和铜上一页下一页返 回1.1.常用热电阻常用热电阻l 铂热电阻铂热电阻主主要要作作为为标标准准电电阻阻温温度度计计，广广泛泛应应用用于于温温度度基准、标准的传递。基准、标准的传递。l 铜热电阻铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为范围一般为50150。上一页下一页返 回 铂热电阻 目前最好材料 长长时时间间稳稳定定的的复复现现性

3、性可可达达10-4 K，是是目目前前测测温温复现性最好的一种温度计。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铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 百度电阻比百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高，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，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目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W（100）为为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：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度当温度t

4、在在200 t 0时：时：当温度当温度 t 在在0 t 650时：时：国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）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应应 用：用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：测量范围：50150l优优 点：点：温温度度范范围围内内线线性性关关系系好好，灵灵敏敏度度比比铂铂电电阻阻高高，容容易易提提纯、加工，价格便宜，复制性能好。纯、加工，价格便宜

5、，复制性能好。l缺缺 点：点：易易于于氧氧化化，一一般般只只用用于于150以以下下的的低低温温测测量量和和没没有有水水分及无侵蚀性介质的温度测量。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。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为铜电阻的阻值与温度之间的关系是线性的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工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设按国内统一设计取计取50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Cu50和和Cu100，相应的分度表可查

6、阅相关资料。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/。2.2.热电阻的结构热电阻的结构上一页下一页返 回普普通通工工业业用用热热电电阻阻式式温温度度传传感感器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利用半导体的电阻值随温度显著变化电阻值随温度显著变化的特性制成的特性制成由由金属氧化物金属氧化物和和化合物化合物按不同的配方比例按不同的配方比例烧结烧结优优 点：点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍）(2)电电阻阻率率大大，体体积积小小，热热惯惯性性小

7、小，适适于于测测量量点点温温、表面温度及快速变化的温度。表面温度及快速变化的温度。(3)结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。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：正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC)临界温度系数临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 上一页下一页返 回 PTC热敏电阻热敏电阻正温度系数正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成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，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，限流元件发热源的

8、定温控制，限流元件。CTR热敏电阻热敏电阻临界温度系数临界温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧以三氧化二钒与钡、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电阻值急剧变化,具有开关特性。具有开关特性。用途：温度开关用途：温度开关 上一页下一页返 回NTC热敏电阻热敏电阻很高的负电阻温度系数很高的负电阻温度系数 主要由主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧等过渡金属氧化物化物 混合烧结而成，改变混合物的成分和配比混合烧结而成，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就可以获

9、得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻。热敏电阻。应用：点温、表面温度、温差、温场等测量应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路自动控制及电子线路的热补偿线路NTC热敏电阻热敏电阻1.1.热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性2.2.热敏电阻的结构热敏电阻的结构3.3.热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数4.4.热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化上一页下一页返 回1.1.热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 伏安特性伏安特性上一页下一页返 回 温度特性温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度

10、特性温度特性 式中式中 RT,R0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值时的阻值()；T0,T 介质的起始温度和变化温度（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（介质的起始温度和变化温度（）；）；B 热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为20006000K，其大小取决于热敏电阻的材料。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，就可求得若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。值。一般取一般取20和和100时的电阻时的电阻R20 和和R100计算计算B值，值，即将即将T=373K，T0=293K代

11、入上式，则代入上式，则将将B值及值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性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和和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要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。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的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量时，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在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I

12、与其两端与其两端的电压的电压U之间的关系，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当流过热敏电阻的电流很小时:不不足足以以使使之之加加热热。电电阻阻值值只只决决定定于于环环境境温温度度，伏伏安安特特性性是是直线，遵循欧姆定律。主要用来直线，遵循欧姆定律。主要用来测温测温。当电流增大到一定值时：当电流增大到一定值时：流流过过热热敏敏电电阻阻的的电电流流使使之之加加热热，本本身身温温度度升升高高，出出现现负负阻阻特特性性。因因电电阻阻减减小小，即即使使电电流流增增大大，端端电电压压反反而而下下降降。其其所所能能升升高高的的温温度度与与环环境境条条件件(周周围围介介质质温温度

13、度及及散散热热条条件件)有有关关。当当电电流流和和周周围围介介质质温温度度一一定定时时，热热敏敏电电阻阻的的电电阻阻值值取取决决于于介介质质的的流流速速、流流量量、密密度度等等散散热热条条件件。可可用用它它来来测测量量流体速度和介质密度流体速度和介质密度。上一页下一页返 回2.2.热敏电阻的结构热敏电阻的结构构成：构成：热敏探头、引线、壳体热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：二端和三端器件：为为直直热热式式，即即热热敏敏电电阻阻直直接接由由连连接接的的电电路路获得功率；获得功率；四端器件：四端器件：旁热式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 标标

14、称称电电阻阻值值RH 在在环环境境温温度度为为250.2时时测测得得的的电电阻阻值值，又又称称冷冷电电阻阻。其其大大小小取取决决于于热热敏敏电电阻的材料和几何尺寸。阻的材料和几何尺寸。耗耗散散系系数数H 指指热热敏敏电电阻阻的的温温度度与与周周围围介介质质的的温温度度相相差差1时时热热敏敏电电阻阻所所耗耗散散的的功功率率，单单位位为为mW/；热热容容量量C 热热敏敏电电阻阻的的温温度度变变化化1所所需需吸吸收收或或释放的热量，单位为释放的热量，单位为J；上一页下一页返 回 能量灵敏度能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。时时间间常常数数 温

15、温度度为为T0的的热热敏敏电电阻阻突突然然置置于于温温度度为为T 的的介介质质中中，热热敏敏电电阻阻的的温温度度增增量量T=0.63(TT0)时所需的时间。时所需的时间。额额定定功功率率PE 在在标标准准压压力力（750mmHg）和和规规定定的的最最高高环环境境温温度度下下，热热敏敏电电阻阻长长期期连连续续使使用用所所允允许许的的耗耗散散功功率率，单单位位为为W。在在实实际际使使用用时时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率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

16、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，式中，为为NTCNTC热敏电阻的电阻温度系数。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 1、金属热电阻传感器金属热电阻传感器 200200+500+500范围的温度测量范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。特点：精度高、适于测低温。2 2、半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器应应用用范范围围很很广广，可可在在宇宇宙宙航航船船、医医学学、工工业业及及家家用用电电器器等等方方面面用用作作测测温温、控控温温、温温度度补

17、补偿偿、流流速速测测量量、液液面指示等。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，工业广泛使用，200+500范围温度测量。范围温度测量。在在特特殊殊情情况况下下，测测量量的的低低温温端端可可达达3.4K，甚甚至至更更低，低，1K左右。高温端可测到左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：温度测量的特点：精度高、适于测低温。精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用传感器的测量电路：经常使用电桥电桥 精度较高的是自动电桥。精度较高的是自动电桥。为为消消除除由由于于连连接接导导线线电电阻阻随随环环境境温温度度变变化化而而造造成成的测量误差，常采用的测量误差，常采用三线制

18、三线制和和四线制四线制连接法。连接法。上一页下一页返 回三线制三线制 热电阻测温电桥的三线制接法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工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，检流计，R1，R2，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻，R t 热电阻热电阻上一页下一页返 回四线制接法四线制接法 热电阻测温电桥的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调零的调零的Ra电位器的接触电阻和检流电位器的接触电阻和检流计串联，这样，接触电阻的不稳定计串联，这样，接触电阻的不稳定不会破坏电桥

19、的平衡和正常工作状不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。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消除测量线路中寄生电势引起的测量误差。量误差。铂测温电阻传感器铂测温电阻传感器 l铂测温电阻缺点铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、：响应速度慢、容易破损、难于测定狭窄位置的温度。难于测定狭窄位置的温度。l现现逐逐渐渐使使用用能能大大幅幅度度改改善善上上述述缺缺点点的的极极细细型型铠铠装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大

20、。l主要应用：主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；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、动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽物化设备及恒温槽 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连通玻璃管连通玻璃管 2流通玻璃管流通玻璃管 3铂丝铂丝（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，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

21、分比例变化、热风流速变化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。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，的热量

22、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的能力降低（热气体分子间碰撞进行热量传递的能力降低（热导率变小），铂丝的平衡温度及其电阻值随即导率变小），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。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

23、行测行检测，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变化。但是，必须使其它非被测量保持不变，以减少误差。不变，以减少误差。2、半导体热敏电阻传感器 温度测量温度测量 温度控制温度控制 温度补偿温度补偿 流量测量流量测量上一页下一页返 回 温度测量温度测量 上一页下一页返 回热敏电阻点温计热敏电阻点温计 l使用时先将切换开关使用时先将切换开关S旋到旋到1处接通处接通校正电路，调节校正电路，调节R6使显示仪表的指使显示仪表的指针转至测量上限，用

24、以消除由于电针转至测量上限，用以消除由于电源源E电压变化产生的误差。当热敏电电压变化产生的误差。当热敏电阻感温元件插入被测介质后，再将阻感温元件插入被测介质后，再将切换开关旋到切换开关旋到2处，接通测量电路，处，接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。的温度值。温度控制温度控制上一页下一页返 回简简易易温温度度控控制制器器 l由由VR设定动作温度。其工作原理如下：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，当要控制的温度比实际温度高时，BG1的的be之间电压大于导通电压，之间电压大于导通电压，BG1导通，导通，相继相继BG2也导通，继

25、电器吸合，电热丝也导通，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，加热。当实际温度达到要求控制的温度时，由于由于R t（NTC型）的阻值降低，使型）的阻值降低，使BGl的的be电压过低电压过低(0.6V),BGl截止，相继截止，相继BG2截止，继电器断开，电热丝断电而截止，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。停止加热。这样便达到控制温度的目的。温度补偿温度补偿上一页下一页返 回仪仪表表中中的的电电阻阻温温度度补补偿偿电电路路 金属一般具有正的温度系数，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，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于

26、温度变化所产生的误差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、风速等可以测量流量、流速、风速等 上一页返 回热热敏敏电电阻阻流流量量计计 l热敏电阻热敏电阻R t1和和R t2分别置于管道中央和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，桥路输出为于静止态时，使电桥平衡，桥路输出为零；当介质流动时，将零；当介质流动时，将Rt1的热量带走，的热量带走，致使致使Rt1阻值变化，桥路就有相应的输阻值变化，桥路就有相应的输出量。介质从出量。介质从R t1上带走的热量大小与上带走的热量大小与介质流量有关，所以可以用它测流量。介质流量有关，所以可以用它测流量。