第二章附热电阻式传感器课件

7.3热电阻式传感器7.3.1金属热电阻7.3.2半导体热敏电阻7.3.3热电阻式传感器的应用基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。优点：信号可以远传、灵敏度高、无参比温度。金属热电阻稳定性好、准确度高，可作为基准仪表。缺点：电源激励、自热现象，影响精度。7.3热电阻式传感器7.3.1金属热电阻基于导体或半7.3.1金属热电阻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；在测量范围内，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；应有良好的可加工性，且价格便宜。热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒使用最广泛的热电阻材料是铂和铜7.3.1金属热电阻作为热电阻的材料要求：热电阻＝电阻体1.常用热电阻铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为―50～150℃。1.常用热电阻铂热电阻⑴铂热电阻目前最好材料长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温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

百度电阻比W（100）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，W（100）≥1.3925目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，相当于99.9995%工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。⑴铂热电阻目前最好材料长时间稳定的复现性可达10-4K

铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下:当温度t在0℃≤t≤650℃时：

国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391，R0分为10Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt10和Pt100，并给出其分度表（给出阻值和温度的关系）当温度t在－200℃≤t≤0℃时：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下:当温度⑵铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：―50～150℃优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点：易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水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。⑵铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合铜电阻的阻值与温度之间的关系为工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。A、B、C为常数，常取A＝(4.25～4.28)×10-3/℃….铜热电阻铜电阻的阻值与温度之间的关系为工业上使用的标准化铜热电阻的R2.热电阻的结构普通工业用热电阻式温度传感器2.热电阻的结构普通工业用热电阻式温度传感器热电阻的结构电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相抵消）绕在绝缘支架上，图b所示。1—电阻体；2—瓷绝缘套管；3—不锈钢套管；4—安装固定件；5—引线口；6—接线盒；7—芯柱；8—电阻丝；9—保护膜；10—引线端热电阻的结构电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相热电阻结构热电阻结构小型铂热电阻小型铂热电阻汽车用水温传感器及水温表铜热电阻汽车用水温传感器及水温表铜热电阻7.3.2半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结优点：热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。7.3.2半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化1.热敏电阻特点与类型正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性1.热敏电阻特点与类型正温度系数(PTC)热敏电阻典型特性

PTC热敏电阻－正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。

CTR热敏电阻－临界温度系数 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。在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。用途：温度开关

热敏电阻分类PTC热敏电阻－正温度系数热敏电阻分类热敏电阻分类NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数

主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成，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NTC热敏电阻。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热敏电阻分类NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数2.热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式体积达到小型化与超小型化。2.热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体热敏电阻的结构形式

热敏电阻的结构形式热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻其他形式的热敏电阻玻璃封装NTCMF58型热敏电阻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热敏电阻其他形式的热敏电阻

贴片式NTC热敏电阻其他形式的热敏电阻贴片式NTC热敏电阻其他形式的热敏电阻

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻其他形式的热敏电阻MF58型（珠形）高精度负温度系数非标热敏电阻非标热敏电阻3.热敏电阻的主要特性

⑴温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性式中RT,R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值(Ω)；

T0,T——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（℃）；

B——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K，其大小取决于热敏电阻的材料。3.热敏电阻的主要特性⑴温度特性NTC型热敏电阻，在较若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。一般取20℃和100℃时的电阻R20

和R100计算B值，即将T=373K，T0=293K代入上式，则将B值及R0=R20

代入式就确定了热敏电阻的温度特性:若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。将B值及R0

B和α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

热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量B和α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⑵伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系。当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。⑵伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压4.热敏电阻的主要参数⑴标称电阻值RH:在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。⑵材料常数B(K)：描述材料特性的一个常数，取决于热敏电阻材料的激活能力，值大，灵敏度高。(3)电阻温度系数α：指温度升高1℃时，电阻值的相对变化量。电阻率越高，温度系数也越大。(4)耗散系数H

指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW/℃；(5)热容量C

热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的热量，单位为J／℃；4.热敏电阻的主要参数⑴标称电阻值RH:在环境温度为(6)能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化1％所需耗散的功率。(7)时间常数τ

温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量ΔT=0.63(T－T0)时所需的时间。

(8)额定功率PE

在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。(6)能量灵敏度G（W）5.热敏电阻的线性化

NTC的几种组合电路及其热电特性

热敏电阻的电阻-温度特性呈指数关系，有较大非线性，一般处理方法是与温度系数小的电阻进行串并联，使其等效电阻在一定温度范围内是线性的。5.热敏电阻的线性化NTC的几种组合电路及其热电特性7.3.3热电阻式传感器的应用1金属热电阻传感器

－200～+500℃范围的温度测量特点：精度高、适于测低温。2半导体热敏电阻传感器

应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。7.3.3热电阻式传感器的应用1金属热电阻传感器1.金属热电阻传感器工业广泛使用，－200～+500℃范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000℃。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥，精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。1.金属热电阻传感器工业广泛使用，－200～+500℃范两线制这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。2r/R≤10-3时，误差才可忽略两线制这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变三线制

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，消除引线电阻影响，提高测量精度G——检流计，R1，R2，R3——固定电阻，Ra——零位调节电阻，Rt——热电阻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，有效消除线路寄生电势。调零电位器四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法精密测量中，采用四线四线制实验室用，高精度测量四根导线引到现场温度计。当压表测量电流很小时，可完全消除引线电阻影响。恒流源供电四线制实验室用，高精度测量恒流源供电铂测温电阻传感器

铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、难于测定狭窄位置的温度。现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽。铂测温电阻传感器铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、金属丝热电阻作为气体传感器的应用

1—连通玻璃管2—流通玻璃管3—铂丝（a）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133.322×10-5Pa。（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化金属丝热电阻作为气体传感器的应用1—连通玻璃管2—流2.半导体热敏电阻传感器⑴温度测量⑵温度控制⑶温度补偿⑷流量测量2.半导体热敏电阻传感器⑴温度测量⑴温度测量

开关S旋到1处接通校正电路，调节R6使显示仪表的指针转至测量上限，用以消除由于电源E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，再将切换开关旋到2处，接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。

热敏电阻点温计⑴温度测量开关S旋到1处接通校正电路，调节R6使显示仪表⑵温度控制简易温度控制器由VR设定动作温度。如下：实际温度低时，Rt大，VT1的be之间电压大于导通电压，VT1导通，相继VT2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，由于Rt（NTC型）的阻值降低，使VTl的be电压过低(<0.6V),VTl截止，相继VT2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。加热指示灯⑵温度控制简易温度控制器由VR设定动作温度。如下：实际温⑶温度补偿仪表中的电阻温度补偿电路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，可以抵消由于温度变化所产生的误差改善温度系数非线性⑶温度补偿仪表中的电阻温度补偿电路金属一般具有正的温度系(4)流量测量热式质量流量计原理：流体中热传递与热转移与流体质量的关系。利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。流量方程式：采用恒定功率法，测量温差△T可以求出质量流量。若采用恒定温差法，求出输入功率P就可求出质量流量。(4)流量测量热式质量流量计非接触式对称结构的热式流量计示意1—镍管；(导热性能好)2—加热线圈；3—测温线圈（电阻）；4—调零电阻；5—电表原理：加热器、测温电阻安装在小口径金属管壁外，两个测温电阻接电桥输出。管内流体静止时，调节电桥平衡。当有流体流过时形成变化温度场，测温电阻变化，电桥不平衡电压输出，正比于温差△T，由此测出质量。应用：热式流量计适用于微小流量测量。需测大流量时，要作分流。结构简单，压力损失小，非接触测量。缺点灵敏度低，需温度补偿。恒定功率法液体流向非接触式对称结构的热式流量计示意1—镍管；(导热性能好)原理流量测量

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。

热敏电阻流量计R

t1和Rt2分别置于管道中央和不受介质流速影响的小室中，介质静止时，电桥平衡；当介质流动时，将Rt1的热量带走，阻值变化，桥路相应输出。介质从Rt1上带走的热量大小与介质流量有关，所以可以用它测流量。

流量测量 利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速插入式热式（气体）质量流量计原理：由两个基准级热电阻(铂RTD)组成。一个是质量速度传感器T1，一个是测量气体温度变化的温度传感器T2。当这两个RTD置于被测气体中时，其中传感器T1被加热到气体温度以上的一个恒定的温差，另一个传感器T2用于感应被测气体温度。随着气体质量流速的增加，气流带走更多热量,传感器T1的温度下降，要维持T1、T2恒定的温度差，T1的加热功率就要增大。插入式热式（气体）质量流量计原理：由两个基准级热电阻(铂RT热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD热敏电阻体温表

有保持功能热敏电阻体温表有保持功能热敏电阻用于电热水器的温度控制

热敏电阻用于电热水器的温度控制IC温度传感器的测温原理以温敏晶体管为感温元件，将其与外围电路集成在一块芯片上制成，基于半导体PN结电压温度特性。感温电路用两个温敏晶体管差分构成，使PN结温度与输出电压或电流成线性关系，称PTAT（ProportionaltoAbsoluteTemperature）核心电路。具有体积小、反应快、线性较好与廉价的优点，测量范围---50~150℃，适用于常温测量，不在主传感器系列，工业上用于温度补偿。主要输出类型可分为电压型、电流型与数字型3种。IC温度传感器的测温原理以温敏晶体管为感温元件，将其与外围电型号：LM135、LM235、LM335系列工作温度：-55℃～+150℃，-405℃～+125℃，-10℃～+100℃由PATA核心电路与放大电路组成，外部3个端子。电压输出型集成温度传感器第三端，外部调节25℃时，调节10k电位器，使输出电压=2.982V，提高精度。型号：LM135、LM235、LM335系列电压输出型集电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590器件电源电压4～30V，测温范围-50～+150℃。电流输出型集成温度传感器AD590引脚和符号表示电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产）

AD590伏安特性工作电压：4V～30V，I为一恒流值输出，I∝Tk，即KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/K

I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲线-55℃+25℃+150℃218298423AD590伏安特性I