N热电阻式传感器

第六章热电式传感器热电传感器热能电能测量：温度和与温度有关的参量

温度

电势

电阻

——热电偶

金属

半导体

热电阻

热敏电阻

——

PN结型温度传感器当前1页，总共68页。6.2热电阻式传感器6.2.1

金属热电阻6.2.2半导体热敏电阻6.2.3热电阻式传感器的应用当前2页，总共68页。热电阻效应：电阻率随本身温度的变化而变化。根据电阻和温度之间的函数关系，将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。热电阻材料可分为金属热电阻(热电阻)和半导体热电阻(热敏电阻)。当前3页，总共68页。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。当前4页，总共68页。一、金属热电阻

基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。当温度升高时，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，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。当前5页，总共68页。取一只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

。

当前6页，总共68页。1、热电阻材料的特点高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。当前7页，总共68页。易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

当前8页，总共68页。铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。当前9页，总共68页。热电阻的主要技术性能

当前10页，总共68页。在各类工业测温的场合中，热电阻是中低温区最常用的一种温度传感器:铂热电阻：一般为-200-800摄氏度。铜热电阻：一般为-40--140摄氏度。其中的铂热电阻以其精度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点，成为工业测控系统中广泛使用的一种温度传感器。当前11页，总共68页。（1）铂热电阻0~660℃

-190℃~0℃

其中，Rt、R0——温度为

t℃

和

0℃

时的电阻；

A、B、C为常数：

A=3.940×10-2/℃

B=-5.84×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输入输出特性接近线性，测量精度高，常用作工业测温元件和作为温度标准。2、常用热电阻当前12页，总共68页。缺点：在还原性介质中，特别在高温下，易被玷污而变脆，稍有振动就会断裂。当前13页，总共68页。目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为50Ω和l00Ω，电阻值与温度t的关系统一列成表格称其为铂电阻的分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。分度表制表方法为：当在—200℃≤t≤0℃时，用式1；而当0℃≤t≤650℃时，用式2，每隔1℃求取一个相应的值，即可制成铂热电阻分度表。使用标准分度表时，只要知道热电阻阻值，即可从分度表中取与对应的温度值。当前14页，总共68页。铂电阻分度表当前15页，总共68页。当前16页，总共68页。上表为PT100在0℃---199℃范围内的分度表：可以看出铂热电阻在0℃---200℃的温度范围内，具有良好的温度-电阻特性，近似线性关系，因此通常计算时可采用近似公式。当前17页，总共68页。铂热电阻结构:电阻体,引线,保护套管当前18页，总共68页。（2）铜热电阻其中，A、B、C为常数：A=4.28899×10-3/℃

B=-2.133×10-7/℃2C=1.233×10-9/℃3

-50℃~150℃

模型1：精确计算时模型2：简便计算，常用二项式计算其中，Rt、R0——温度为

t℃

和

t0℃时的电阻；

——温度为

t0℃

时的温度系数。当前19页，总共68页。我国工业用铜热电阻有两种初始电阻值和，分度号分别为Ｃu50和Ｃu100。根据式2可制成铜热电阻的标准化分度表，当前20页，总共68页。（3）其它热电阻——低温、超低温

当前21页，总共68页。3、热电阻的结构和类型热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒（1）普通型热电阻当前22页，总共68页。当前23页，总共68页。铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，具有良好的机械性能，耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于安装在结构复杂的设备上进行测温，使用寿命较长。(2)铠装热电阻当前24页，总共68页。薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度适用于平面物体的表面温度和动态温度的测量。(3)薄膜热电阻当前25页，总共68页。4、热电阻的测量电路

利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作状态下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，整个测温系统主要由热电阻传感器、测量电桥、显示仪表及连接导线组成。由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆范围)，热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制。

当前26页，总共68页。两线制

控制室生产现场指示仪表r

r

Rt

采用三线制或四线制测量电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差。注意：为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些,一般要求小于10mA。当前27页，总共68页。（1）三线式电桥连接法uAr：电桥电源；2r：相邻臂平衡：导线电阻

r对测量无影响

当前28页，总共68页。r1r2r3r4RtIVIMEM电压表恒流源（2）四线式电阻测量电路因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3

）电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。不受其它条件约束；恒流源I稳定。当前29页，总共68页。5、热电阻的应用

铂电阻温度显示、变送器当前30页，总共68页。当前31页，总共68页。二、热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，适于在-100℃～300℃之间测温。热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。

当前32页，总共68页。1、热敏电阻的结构和特点

金属氧化物：钴Co、锰Mn、镍Ni等的氧化物采用不同比例配方、高温烧结而成。（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。优点：当前33页，总共68页。当前34页，总共68页。NTC二极管封装环氧封装、小型化高精度；响应时间快；稳定性好根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽；高稳定性、高可靠性；为客户提供多种便捷服务家用冰箱、空调器；电热水器、整体浴室；冰柜、豆浆机环氧封装、小型化、精度高；可靠性高、响应时间快；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好当前35页，总共68页。热敏电阻的主要参数当前36页，总共68页。2、热敏电阻的温度特性

负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏电阻：PTC

临界温度系数热敏电阻：CTR04080120160200106104102100温度℃电阻CTR

NTC

PTC

可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。当前37页，总共68页。（1）NTC的

R-T特性

T

R试验求A、B：——0℃

（273.15K）——0℃

时的阻值当前38页，总共68页。NTC的伏安特性

I

U

电流较小：线性，欧姆定律

电流增加：阻值减小、非线性

电流较大：阻值减小超过电流增加

NTC的温度系数

低温段比高温段灵敏

灵敏度比金属热电阻高（10倍）

当前39页，总共68页。40

NTC输出特性的线性化处理

电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联1、串联法AT

RT

R2、并联法当前40页，总共68页。NTC热敏电阻生产最早、最成熟、使用范围也广，它特别适用于-100℃～300℃之间的温度测量，目前己广泛应用于点温、表面温度、温差、温度场等测量中，同时也应用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。当前41页，总共68页。（2）（PTC）热敏电阻器的电阻—温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC热敏电阻器的电阻—温度曲线T/ºC电阻/ΩTp1Tp2Tc=175ºC当前42页，总共68页。PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数αtp

。PTC热敏电阻主要用于彩电消磁、各种电器设备的过载保护、发热源的定温控制，可作限流元件使用。当前43页，总共68页。热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻3、热敏电阻的应用当前44页，总共68页。其他形式的热敏电阻

玻璃封装

NTC热敏电阻MF58型热敏电阻当前45页，总共68页。其他形式的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻当前46页，总共68页。贴片式NTC热敏电阻当前47页，总共68页。

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻当前48页，总共68页。非标热敏电阻当前49页，总共68页。非标热敏电阻当前50页，总共68页。热敏电阻温度面板表

热敏电阻LCD当前51页，总共68页。热敏电阻体温表当前52页，总共68页。当前53页，总共68页。热敏电阻用于CPU的温度测量当前54页，总共68页。热敏电阻用于电热水器的温度控制当前55页，总共68页。A——热敏电阻——平衡电阻电桥平衡电桥失衡测流速

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、风速等当前56页，总共68页。热电阻式流量计热电阻流量计的电原理图两个铂电阻探头Rt1、Rt2，Rt1放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响Rt2放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小的室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示。当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化电桥失去平衡而有输出，电流计指示直接反映了流量大小。当前57页，总共68页。JT正常：Rt较大、BG不导通、

J不吸合T升高：Rt减小、BG导通、

J吸合应用：电机过热保护热电式继电器当前58页，总共68页。三线制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G——检流计，R1，R2，R3——固定电阻，Ra——零位调节电阻，Rt——热电阻当前59页，总共68页。四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法精密测量中，采用四线制接法当前60页，总共68页。已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是

，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是

。CU50镍铬

利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择（）型热敏电阻。NTC突变

当前61页，总共68页。热电阻主要是利用电阻随温度升高而

这一特性来测量温度的。增大

在动圈式表头中的动圈回路中串入由NTC组成的电阻补偿网络，其目的是为了

。温度补偿

当前62页，总共68页。热电阻测量转换电路采用三线制是为了（）

A、提高测量灵敏度B、减小非线性误差C、提高