机械工程测试技术-第三章

第三章：

热电阻式传感器石河子大学机械(jīxiè)电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气(diànqì)工程学院干燥技术与装备实验室《机械工程测试技术》精品资料第三章 热电阻式传感器内容提示(tíshì)：3.1温标及测温方法3.2金属热电阻传感器3.3半导体热敏电阻传感器3.4集成式温度传感器精品资料3.1温标(wēnbiāo)及测温方法3.1.1温度的基本概念温度是反映物体冷热状态的物理参数(cānshù)，它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。表示衡量温度高低的标准，这个标准尺度称温标。精品资料3.1温标(wēnbiāo)及测温方法3.1.2温标温标的概念：用来衡量温度高低的标准尺度(chǐdù)常用温标经验温标摄氏温标华氏温标列式温标三者间的转换热力学温标国际实用温标精品资料3.1温标(wēnbiāo)及测温方法3.1.3温度检测的主要方法及分类温度检测方法一般(yībān)可分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。 其中，接触测量法是测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分的热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的。 由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。精品资料3.1温标(wēnbiāo)及测温方法非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到测量目的。 其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体(wùtǐ)上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。精品资料3.1温标(wēnbiāo)及测温方法3.1.4各温度段所使用的标准(biāozhǔn)仪器低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）铂电阻温度计（273.15K—903.89K）铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）光测温度计（1337.58K以上）精品资料3.2金属(jīnshǔ)热电阻传感器金属热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的原理进行温度测量，这种温度传感器在常温和低温区具有非常(fēicháng)高的灵敏度，其阻值与被测温度具有极佳的线性关系（温度升高，阻值增加）。精品资料3.2金属(jīnshǔ)热电阻传感器3.2.1热电阻的类型理论上讲，任何金属都可作为热电阻传感器，但实际应用时存在以下要求：温度系数值要大，热电阻的灵敏度就越高在测量范围内，其材料的物理、化学性质应稳定，以保持电阻基值的稳定性在测量范围内，电阻温度系数要保持常数，以确保输入——输出线性，提高测量精度具有较高的电阻率,采用较高电阻率的感温材料，可以减少(jiǎnshǎo)热电阻体积和热惯性材料容易提纯，确保较好的复制性。目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜和镍。精品资料3.2金属(jīnshǔ)热电阻传感器精品资料3.2.1热电阻的类型(lèixíng)铂电阻在-200℃～0℃范围内，铂电阻的电阻值Rt与温度t的关系为：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t2]在0℃～850℃范围内，Rt与温度t的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2)其中Rt——温度为t℃时铂电阻的电阻值； R0——0℃时铂电阻的电阻值；A、B、C分别为常数(chángshù)，其数值为：A=3.90802×10-3B=-5.802×10-7C=4.27350×10-12精品资料3.2.1热电阻的类型(lèixíng)铜电阻铜热电阻在-50℃～150℃的使用范围内其电阻值与温度的关系(guānxì)几乎是线性的，可表示为：式中，Rt——温度为t时的阻值 R0——温度为0℃时的阻值α——铜电阻的电阻温度系数精品资料3.2.1热电阻的类型(lèixíng)镍电阻镍电阻的使用范围(fànwéi)为：-60℃～250℃，与铂电阻和铜电阻相比，在使用范围(fànwéi)内其电阻值与温度的线性关系稍差。精品资料3.2.1热电阻的类型(lèixíng)分度值Pt100、Pt1000、Cu50、Ni100等精品资料3.2.1热电阻的类型(lèixíng)精品资料3.2.2热电阻的结构(jiégòu)绕组式——将铂丝绕组密封在瓷棒的空腔内的一种结构(jiégòu)空腔内松散填充氧化铝或氧化镁粉末，在不影响铂丝延展性的前提下，保护铂丝并改善导热性能瓷棒的两端以玻璃材料进行密封整个传感器的直径最小可达到0.9mm，长度最短为7mm这种封装结构(jiégòu)可以保证铂丝在瓷棒内的延展性，但热响应速度较慢可在-200℃~+800℃范围内使用30μm100μm精品资料3.2.2热电阻的结构(jiégòu)绕线式——将铂丝缠绕（双层）在玻璃棒上，并以玻璃材料进行外部封装的一种结构。由于(yóuyú)铂丝完全被玻璃材料围绕，因此传感器抗冲击和震动的性能较好整个传感器的直径最小可达到0.9mm，长度最短为7mm外部不需要额外进行封装，热响应速度快可在-200℃~+400℃范围内使用精品资料3.2.2热电阻的结构(jiégòu)箔片式——箔片式是将铂丝粘接在两层聚酰胺(俗称尼龙)薄膜间的一种结构。厚度仅为0.17mm，具有极佳的柔韧性，可粘敷在管道表面或者嵌入绕组中进行温度(wēndù)测量可在-80℃~+230℃范围内使用精品资料3.2.2热电阻的结构(jiégòu)薄片(báopiàn)式——薄片(báopiàn)式是将一薄层的铂沉积（厚度仅为1μm）在陶瓷基底上，并利用玻璃或环氧树脂进行密封、绝缘的一种结构。热响应速度要优于绕线式价格低廉热响应速度快，且热容小可在-50℃~+400℃范围内使用精品资料3.2.2热电阻的结构(jiégòu)精品资料3.2.3热电阻的测量(cèliáng)电路两线制精品资料3.2.3热电阻的测量(cèliáng)电路四线制精品资料3.2.3热电阻的测量(cèliáng)电路自热现象铂电阻传感器属于电阻型器件，在实际工作中，需要有激励电流流过铂电阻方可获得端电压。但这个激励电流在使铂电阻处于工作状态的同时，也会引起铂电阻的自热现象，这会引入误差。因此，在满足测量(cèliáng)需要的前提下，应尽量减小激励电流，或者仅在需要测量(cèliáng)时再施加激励电流。精品资料3.2.3热电阻的测量(cèliáng)电路温度(wēndù)变送器精品资料3.2.3热电阻的测量(cèliáng)电路电流(diànliú)输出式（4～20mA）温度变送器接法精品资料3.2.3热电阻的测量(cèliáng)电路电压(diànyā)输出型温度变送器接法精品资料关于(guānyú)金属热电阻传感器1871年，WilliamSiemens发现了铂电阻的阻值与温度(wēndù)的变化之间的线性关系。1823-1883精品资料1887年，英国科学家HughCallendar推出了一款具有相当精度的铂电阻传感器，并发表了一篇关于如何(rúhé)应用铂电阻传感器进行温度测量的文章。1863-1930精品资料3.3半导体热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)传感器热敏电阻是利用一些金属氧化物（半导体）按一定的比例混合压制和烧结而成的固态感温器件，利用其电阻率随温度变化而变化的特性(tèxìng)来测量温度。精品资料3.3.1热敏电阻的类型(lèixíng)及特性温度(wēndù)特性 热敏电阻按照其温度(wēndù)系数可分为负温度(wēndù)系数热敏电阻（NTC）、正温度(wēndù)系数热敏电阻（PTC）和临界温度(wēndù)系数热敏电阻（CTR）。精品资料3.3.1热敏电阻的类型(lèixíng)及特性NTC热敏电阻在测温范围内，NTC的阻值随温度的升高而降低。NTC热敏电阻的温度-阻值关系：利用温度-阻值表和Steinhart-Hart公式1/TT=a+bln(RT)+c[ln(RT)]3其中TT为被测开氏温度、RT为NTC热敏电阻的当前阻值、a、b、c为常数，可通过厂商给出的温度-阻值表求出。Steinhart-Hart公式在NTC热敏电阻的工作温度范围内非常准确(zhǔnquè)，在-30～125℃范围内，该公式所引入的拟合误差不超过0.1℃。精品资料3.3.1热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的类型及特性利用温度-阻值特性公式 RT=R25exp(β/TT-β/T25)，某些厂商未给出温度-阻值表，但给出了在25℃下该NTC热敏电阻的阻值R25（又被称为(chēnɡwéi)额定零功率电阻），以及热敏电阻温度常数β，利用这些常数，通过上式便可求出在指定温度（开氏温度）下的阻值。精品资料3.3.1热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的类型及特性PTC热敏电阻在测温范围内，PTC的阻值(zǔzhí)随温度的升高而增加。TC为居里温度精品资料3.3.1热敏电阻的类型(lèixíng)及特性CTR热敏电阻在临界温度附近电阻值随温度的增加而急剧下降。由于(yóuyú)后两者在温度达到居里温度后，其阻值后陡然增加，因此很少被用于温度测量，而多被用于过流保护等场合。精品资料3.3.1热敏电阻的类型(lèixíng)及特性伏安特性静态(jìngtài)情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。精品资料3.3.2热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的主要参数标称电阻(diànzǔ)值耗散系数电阻(diànzǔ)温度系数热容量时间常数精品资料3.3.3热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的特点灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大，这就意味着引线失衡所引起的误差可以忽略不计，因此可用于远距离测量，并可大大降低对仪表的要求体积小、热惯性小、结构简单，可根据应用场合制成各种形状化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，寿命长复现(fùxiàn)性和互换性差，非线性严重，测温范围窄，目前只能达到-50～+300℃精品资料3.3.4热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的应用温度测量(cèliáng)温度补偿温度控制过热保护精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的形式非标式精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的形式精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的形式PTC保护(bǎohù)用热敏电阻的外观精品资料热敏电阻(rèmǐndiànzǔ)的形式加热(jiārè)用PTC热敏电阻精品资料关于(guānyú)热敏电阻实际上，Steinhart-Hart模式已经是一种进行热敏电阻标定的工业(gōngyè)标准。但考虑到利用该模型进行标定时至少需要三个温度点，因此，当要求精度不高，成本敏感或者应用温度范围较窄时，通常会考虑其他的模型。精品资料关于(guānyú)热敏电阻高精度、快速(kuàisù)响应的封装形式精品资料3.4集成式温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿(bǔcháng)电路等部分集成化，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它的体积小、反应快、线性化、抗干扰能力强，但测温范围主要集中在-50～150℃。精品资料3.4.1集成温度传感器的工作原理(yuánlǐ)及分类工作原理(yuánlǐ)

式中，n——VT1和VT2的发射结面积比 K——波尔兹曼常数 q——电子电量精品资料3.4.1集成(jíchén