第二章传感器输入换能器-检测装置

第二章传感器（输入换能器）－检测装置inputtransducers－measuringdevices前言：所有的工业控制都要正确迅速地检测被控变量，最好的方法是将被控变量转换成电气讯号，再用电气检测装置检测。电气信号比起机械信号，有如下优点：1电气信号易于传送；2电气信号易于放大和过滤（amplifyfilter）；3电气信号易于处理，如时间积分，极限检查等传感器常检测的物理量：位置、速率、加速度、力、压力、流速、温度、光强度、湿度。敏感元件（sensor）：也称检测元件，是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化的元件。传感器（transducer）：能直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。变送器（transmitter）：一种特殊的传感器，使用统一的动力源，输出是一种标准信号。一个检测系统能正确传递信息，进行信号转换，实现参数的检测，是利用了自然规律中的各种定律、法则、效应，这些自然规律是参数检测的基础，可归纳为4个方面，守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则。1守恒定律，是自然界最基本的定律，包括质量、能量、动量、电荷量等守恒定律。2场的定律，物质作用的定律，如运动场的运动定律，电磁场的感应定律，光的电磁场的干涉现象等。3物质定律，是关于各种物质本身内在性质的定律、法则、规律，通常以物质所固有的物理量加以描述，与物质的材料密切相关。4统计法则，利用统计方法把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。参数的检测以自然规律为基础，利用敏感元件特有的物理、化学和生物等效应，把被测量的变化转换为敏感元件某一物理（化学）量的变化，根据敏感元件的不同，参数检测一般有几种方法：光学法、力学法、热学法、电学法、声学法、磁学法、射线法等。一般有：1机械式检测元件：将被测量转换为机械量信号（位移、振动频率、转角等），可用于压力、力、加速度、温度等检测，常用有弹性式和振动式检测元件。2电阻式检测元件：将被测量转换成电阻值的变化，常用电阻材料有导体、半导体等，用于位移、形变、加速度、压力及温度等检测，常见的，电阻应变元件、热电阻、湿敏电阻、气敏电阻等。3电容式检测元件：将某些物理量的变化转换为电容量的变化，用于位移、振动、角位移、加速度、压力、差压、物位等检测。4热电式检测元件：将温度变化转换为电量的变化，热电偶。5压电式检测元件：利用压电材料作为敏感元件，以其受外力的作用时在晶体表面产生电荷的压电效应为基础来实现参数测量的，可以把力、压力、加速度和扭矩等物理量转换成电信号输出。（石英晶体、压电陶瓷）。6光电式检测元件：将光信号转换为电信号的元件，物理基础是光电效应，一般由光源、光学元件、光电变换器3部分组成。光源发射出一定光强的光线，光学元件形成光路照射到光电变换器上，被测量的变化转换成光信号的变化，从而引起电信号的相应变化。光电效应是指光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）发生变化的现象，分为外光电效应和内光电效应。外光电效应：在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象，也称光电发射效应，基于此的有光电管、光电倍增管。服从以下规律：入射光频谱成分不变时，光电流的大小与入射光的强度成正比。光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，与入射光的强度无关。光电子能否产生取决于是否大于红限频率（每种物体的光频阈值）。光电管即使没有阳极电压，由于光电子有初始动能，也会有光电流产生。内光电效应：物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但不逸出物体表面，仍留在内部，导致物体的电阻率发生变化或产生电动势。使电阻率发生变化的称光电导效应，有光敏电阻；产生电动势的现象称光生伏特效应，有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。7磁电式检测元件：通过电磁原理将被测量转换成电信号，有称电磁感应式或电动力式传感器，主要包括磁电感应式和霍尔检测元件。8磁弹性式检测元件：也称压磁式，简称压磁元件，新型。基于铁磁材料的磁弹性效应，即在受到机械力作用后，内部产生机械应力，引起磁阻或磁导率变化，主要用于测力、称重、温度测量及应力无损检测等。9核辐射式检测元件：利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用工作，可用于检测厚度、物位、密度、成分、金属探伤等，主要由放射源、检测器、转换电路组成。温度检测：热电偶、热电阻、辐射测温（光电高温计）、光纤温度传感器压力检测：重力平衡法、机械力平衡法、弹性力平衡法、物性测量法；弹性压力计（弹性模片、波纹管、弹簧管）。压力传感器：应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式、光电式、光纤式、超声式等。物位检测：液位、料位、界位直读式、静压式、浮力式、机械接触式、电气式、光学式、射线式、光纤式等。流量检测：体积流量计容积式（椭圆齿轮、腰轮、皮膜式）、差压式（节流式、均速管、弯管、靶式、浮子）、速度式（涡轮、涡街、电磁、超声波）质量流量计推导式（体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量）、直接式（科里奥利、热式、冲量式）气体成分检测：电化学式、热学式、磁学式、射线式、光学式、电子光学式、离子光学式、色谱式、物性测量仪表、其他（晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感仪）机械量检测：包括长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动等。位移（电容式、电感式、差动变压器、光纤、光栅标尺、容栅标尺、磁栅标尺）、转速（离心力、光电码盘、空间滤波器）、力（金属应变、半导体应变、压敏导电橡胶）、加速度与振动（动电型振动检测、微机械加速度传感元件）湿度检测：空气（或气体）中水汽含量。露点法、毛发膨胀法、干湿球温度测量法。电解质系湿敏传感器、陶瓷湿敏传感器、高分子聚合物湿敏传感器。基本概念（基本性能指标）1测量范围、上下限、量程：2零点/量程迁移：3灵敏度/分辨率；误差；精确度：4输入-输出特性（滞环、死区、回差）：5重复性、再现性：6可靠性；线形度；稳定性：学习目标：1解释电位计（potentionmeter）的线性和分辨率（linearityandresolution）2可变线性差分变压器（LVDT，linearity）/线性可调差额变压器3波东管（Bourdontube）；压力检测设备（波纹管bellow）4热电偶（thermocouple）；电阻性温度检测器（RTD，resistivetemperaturedetector）；热电阻（thermistor）；固态温度转换器（solid-statetemperaturetransducer）5光高温检测计（opticalpyrometer）；光电池和光导电池（photovoltaic/photoconductivecell）；光转轴位置编码器（opticalshaft-positionencoder）；光位置编码器（opticalpositionencoder）；光电池检测器（photocelldetector）；LED；光电晶体（phototrasistor/photodiode）；光耦合器/光隔离器（opticalcoupler/isolator）；光纤（opticalfiber）6超声波（ultrasonicwave）7应变规（straingage）；应变规加速计（accelerometer）8转速计（tachometer）9霍尔效应（halleffect）近似检测器（proximitydetector）、功率转换器（powertransducer）、流量计（flowmeter）10阻性湿度计/湿度计（resistivehygrometer/psychrometer）2-1电位计（Potentionmeter）最普通的一种电气换能器，将机械运动转换成电气变动。带滑动接头的电阻器，滑动接头可以在电阻器上任意滑动或停留。两种简图，实际形状成圆弧形，滑动接头的位置可借中间转轴的旋转加以改变（手或螺丝刀）。图2-1电位计简图，a）圆弧形画法，比较接近实际形状，b）直线画法2-1-1电位计的直线性（PotentionmeterLinearity）图2-2电位计电阻和转轴角度关系，a）真正线性电位计，b）实际电位计，和直线有偏差，c）步进式或非连续电阻变动。线性：不论滑动接头在什么地方，滑动接头移动相同距离，就改变相同的电阻大小。即电阻器是均匀分布的。绝大多数电位计是线性的。百分线性。理想线性图。真正，偏离理想直线，偏差最严重的地方决定电位计的百分线性，偏差的百分比（占全部电阻的）即线性。如，偏差10％，即线性10％。2-1-2电位计解析度（PotentionmeterResolution）实际电位计多用导线绕成，在一个圆柱绝缘物上缠绕多圈而成，电位计调整时，滑动接头由一圈移向另一圈，结果是所得的电阻值并非完全平滑变动，而是以步进（step）方式改变，示意如图2-2c）（夸大后）。电位计解析度：最小可能电阻变化量，也可以全部电阻的百分率表示。（一般，解析度约高则线性约差，反之亦然。若二者皆好，价格也贵（20倍以上）。）电位计两端加电压，则将电阻转换成电压输出。在电桥上常用到电位计。图2-3用于检测线路的电位计，a）电位计用作简单的分压器，b）电位计构成一边的电桥，c）电位计只是电桥的一只脚。2-2可变线性差分变压器（LVDT，LinearVariableDifferentialTransformer）（线性可调差额变压器）将物体位移用交流电压表示出来。[电磁相关知识补充]Magneticfield（简易定义：能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。）电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的相对论效应。与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反。

磁场方向：规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。

磁感线：在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极，在磁体内部磁力线从S极到N极。\o"返回页首"电磁场electromagneticfield，有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。\o"返回页首"磁场类型恒定磁场，磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场，如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。交变磁场，磁场强度和方向在规律变化的磁场，如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。脉动磁场，磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场，如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。脉冲磁场用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。

恒磁场又称为静磁场，而交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场，否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远，磁场越弱，磁场强度呈梯度变化。电磁感应electromagneticinduction，因磁通量变化产生感应电动势的现象（闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应）。1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍滞后。电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，当时未能予以说明。1831年8月，M.法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为5类：变化的电流，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。后来，给出了确定感应电流方向的楞次定律以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种，前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为：式中n为线圈匝数，Δ为磁通量变化量，单位Wb，Δt为发生变化所用时间，单位为s.ε为产生的感应电动势，单位为V。1.感应电动势的大小计算公式1)E＝nΔΦ/Δt（普适公式）｛法拉第电磁感应定律，E：感应电动势(V)，n：感应线圈匝数，ΔΦ/Δt:磁通量的变化率｝2)E＝BLVsinA(切割磁感线运动)E=BLV中的v和L不可以和磁感线平行，但可以不和磁感线垂直，其中sinA为v或L与磁感线的夹角。

｛L:有效长度(m)｝3)Em＝nBSω（交流发电机最大的感应电动势）｛Em:感应电动势峰值｝4)E＝BL2ω/2（导体一端固定以ω旋转切割）

｛ω:角速度(rad/s)，V:速度(m/s)｝2.磁通量Φ＝BS

{Φ:磁通量(Wb),B:匀强磁场的磁感应强度(T),S:正对面积(m2)}3.感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定｛电源内部的电流方向：由负极流向正极｝

*4.自感电动势E自＝nΔΦ/Δt＝LΔI/Δt｛L:自感系数(H)(线圈L有铁芯比无铁芯时要大)，ΔI:变化电流，∆t:所用时间，ΔI/Δt:自感电流变化率(变化的快慢)｝感应电流产生的条件(如果缺少一个条件,就不会有感应电流产生)电路是闭合且通的穿过闭合电路的磁通量发生变化。[补充结束]典型的如图，由1个初级线圈和2个二级线圈组成，都绕在同一个架子上。架子本身中空，内有磁性铁心，铁心可左右移动。当铁心在正中间时，2个二级线圈内的磁通相同，因此感应电压也相同，当铁心左右移动时，2个二级线圈的磁通不再相同，产生的感应电压也有差别，二者之差即可体现铁心的位移，即LVDT将铁心的位移转换成2个二级线圈的电压差（与位移成比例）。实际应用时，2个二级线圈反向串联连接，若铁心在中央，二级线圈电压相同，输出电压为0，若铁心移动，则输出电压的大小表示铁心偏离中心点的距离，相位（phase）则表示偏离的方向。多数的LVDT，位移范围在1英寸多数LVDT的输入电压小于交流10V，全额输出电压差不多大小（从交流0.5V到10V不等）。LVDT位移传感器的特点结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好最高精度可达0.05％，绝对误差1um重复性0.1um灵敏度高,每毫米位移量输出信号电压可高达几百mV到几伏分辨率高,一般为0.1um,最高可达0.0001um测量范围广+/-0.1mm到+/-500mm时间常数小,频带宽,可达200HZ(5ms)甚至更高图2-4a）LVDT的结构，b）LVDT示意图，c）LVDT的铁心在正中央，Vout为0，d）铁心上移，Vout和Vin通相，e）铁心下移，Vout和Vin反相。\o"评分0"LVDT位移传感器在工业和科学中的应用LVDT用于汽车悬挂系统用于注塑机控制位置用于伺服阀门数控机床控制典型的如：LVDT位移传感器（1000TD2000TD3000TD4000TD5000TD6000TDLVDT）（线性差动变压器式位移传感器）主要适用于：汽轮机主汽门油动机行程阀门开度，高压缸、中压缸、低压缸油动机行程的测量，用于测量如位移、距离、伸长、移动、厚度、膨胀、液位、应变、压缩、重量等各种物理量。广泛应用于航天、航空、电力、石油化工、机械、军工、纺织、汽车、煤炭、地震监测、高等院校及科研院所等领域，既可以与仪表使用，也可单独使用。外壳为不锈钢，静态线性良好、结构简单、工作可靠、频带宽、灵敏度高、时间常数小。技术参数：1.线性量程：±10～±800mm内任何规格2.精度：0.25%3.灵敏度：2.8～230mV/V/mm4.初级激励电压：1～20VAC5.激励频率：正弦波或方波400HZ～10KHZ6.环境温度：-50℃～+280℃7.灵敏度漂移：0.025%/℃8.负载阻抗：2-3压力传感器（PressureTransducer）工业上测量压力的方式很多，2种最普遍的压力检测装置：波东管和波纹管，将测得的气压转换成机械位移，再经电位计或LVDT转换成电气信号。2-3-1波东管（BourdonTube）具有椭圆截面的弯曲金属管，一端封死，一端开口，具有伸缩性，待测量的压力流体经开口端充塞整个金属管，开口端用夹具固定，这样管子依流体压力伸缩，再被转换成电气信号。图2-5波东管，a）C型波东管，最普遍，b）螺丝状波东管，c）螺旋状波东管，d）扭转波东管，e）和电位计合并的C型波东管，f）和LVDT合并的C型波东管。2-3-2波纹管/压力箱（Bellow）实际由多片金属薄片接合而成，受到流体压力时，金属薄片由于弹性而变形（distort），数片金属薄片串联接在总变形相当可观。A图压力入口端固定，压力上升时，波纹管向右膨胀，输出端向右顶，反之，萎缩，输出端向左收，收缩的力量可由金属片本身的弹性提供，也可附加辅助弹簧助其收缩。B图压力引到箱子内部，对抗弹簧拉力将箱子撑开，箱子膨胀时，所附运动机构带动电位计滑动接头而获得电气输出信号。C图压力加到箱子外面，箱子受力收缩，压挤弹簧，借运动机构拉动LVDT的铁心，产生输出电气信号。一般可由调整回归弹簧的张力或压力归零，（调整钮）图2-6a）压力箱的基本构造，b）输入压力送到箱子内部的压力箱应用法，c）输入压力送到箱子外面的压力箱应用法2-4热电偶（Thermocouple）热电式检测元件利用敏感元件将温度变化转换为电量的变化，进行温度测量。将2种不同的导体连接成闭合回路，2个结点分别至于温度不同的热源中，则在该回路中会产生热电动势，此现象称为热电效应（又称塞贝克效应，Seebeckeffect），2种材料的组合称为热电偶。热电偶回路中的电动势由2部分组成，一为两种导体的接触电势（帕尔贴电势），一为单一导体的温差电势（汤姆逊电势）。接触电势：两种导体接触时，由于不同材料电子密度不同，在接触面上会发生电子扩散，速率与电子密度有关，（并与接触区的温度成正比）因此接触面上形成一个静电场，阻碍扩散运动，动态平衡时，形成一个稳定的电位差，即接触电势。接触电势的大小取决于导体的性质和接触点的温度。设导体A，B的电子密度为Na，Nb，且有Na>Nb，则在接触面上由A扩散到B的电子必然地比由B扩散到A的电子多，因此在接触面上失去电子的A侧带正电，获得电子的B侧带负电，在A，B接触面上形成一个从A到B的静电场，阻碍电子的继续扩散，当达到动态平衡时，接触面上形成一股稳定的电位差，即接触电势，可表示为：，其中，T：温度，k：波耳兹曼常数，e：电子电荷量。推论：易见，，温差电势：单一导体中，若两端温度不同，导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因此向低温端扩散，结果高温端因失去电子带正电，低温端负电，形成一个静电场，阻碍扩散运动，动态平衡时，形成一个稳定的电位差，即温差电势。不同的导体温差电势不同，可表示为：，其中，为汤姆逊（Thomson）系数。表示一导体两端温度为1ºC时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关。综合两种电势，闭合回路中产生的总热电势为：＝={可表示为：}SAB称为塞贝克系数，其值随热电极材料和接点温度而定。由上式易知：（对于热电偶回路电势）1．若2个电极是同种导体，则为0；2．若2接点温度相同，则为0；3．热电势大小只与电极材料及两端温度有关，与电极的几何尺寸无关；4．电极材料确定后，热电势大小只与温度有关，（若保持T0一定）回路总电势可看成温度T的单值函数。基本定律：1．均质导体定律一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度及各处温度如何，电势为02．中间导体定律在回路中接入第三种导体，只要中间导体两端温度相同，那么中间导体对回路总电势无影响，据此性质可在回路中引入各种测量仪表，连线等而不影响回路电势的测量由，易知==3．中间温度定律具有传递性，首尾标号可以连起来，据此只要列出热电势在冷端温度为0的分度表，即可得到其他温度时的热电势实际应用中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的电势可表示为：=图2-7a）基本热电偶，b）环路中插有电压计的热电偶，c）金属AB并没有直接接合的冷接合点，d）可补偿冷接合点温度变动的热电偶。参比端温度的处理：一般不能保持在0℃1补偿导线法一对与热电偶配用的导线，在工作范围内与被补偿的热电偶具有相同的电势-温度关系，与热电偶相连，使参比端远离热源，使之温度稳定，分为延长型和补偿型，延长型化学成分与热电偶相同，补偿型不同。使用中注意型号、极性（不能接反），相连接点温度要相同。2参比端温度测量计算法E（T，0）＝E（T，T0）＋E（T0，0）3参比端恒温法4补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，补偿参比端温度变化引起的热电势变化。图2-8E、J、K和R型热电偶的电压与温度关系图2-5热敏电阻和测温电阻（ThermistorsandResistiveTemperatureDetector，RTD）物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热电阻效应，利用热电阻效应制成的检测元件称为热电阻。（电阻）温度系数：简称温度系数，是电阻变动值对温度变动值的比例。温度系数为正，表示温度上升时，电阻变大，若相当固定表示电阻差和温度差之间的比例是一个常数，因此电阻和温度的关系将是一条直线。电阻因数（resistancefactor）：实际电阻相对于0度时电阻的比值。测量温度可以利用材料电阻随温度变化的特性，常用有纯金属和金属氧化物及半导体。因此，热电阻式检测元件分为2大类：金属热电阻和（半导体）热敏电阻。纯金属大都具有相当固定的正值电阻温度系数。一般温度每升高1ºC，电阻约增加0.4%-0.6%。纯金属用以测量温度时，即称测温电阻（RTD）。金属氧化物用以测量温度，常做成小泡状或小电容形状，称热敏电阻（Thermistors）。热敏电阻温度系数大都为负值（温度上升，电阻下降），且很大（即单位温度内电阻的改变量比纯金属大），不固定（表示在不同温度时，单位温度变化引起的电阻变化不相等）。一般温度每升高1ºC，电阻约增加2%-6%。热敏电阻的温度特性曲线图2-9a）纯金属RTD电阻对温度关系图，b）典型热敏电阻的电阻对温度关系曲线图示，纵坐标为对数值，因为温度变化范围大。虽然大多数金属的电阻值与温度有关，但作为温度敏感元件的金属材料应满足以下条件：电阻温度系数大，温度增加时，其电阻值明显增大；工作范围内，物理和化学性能稳定，不易被介质腐蚀；有较高的电阻率，以便制成小尺寸元件，减小热惯性；电阻随温度变化保持单值函数，最好是线性关系；易于得到高纯物质，复现性好，价格较便宜。目前使用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。应用最广泛的是铂、铜材料。1．铂电阻：物理化学性能非常稳定，耐氧化率强，电阻率较高，复现性好，可用作基准电阻和标准热电阻。但温度系数较小，在还原性介质中工作易于氧化变脆，且是贵金属，价格较高，测量范围-200～850ºC，高温下，适合氧化气氛。电阻值与温度是一个典型的非线性函数，一般工业用以下式表示：（0～850ºC）（-200～0ºC）A=3.9083*/ºC，B=-5.775*/，C=-4.183*/，R0为0度时电阻值。2．铜电阻：温度系数大，易加工提纯，线性较好，价格便宜等优点，当温度超过100ºC时易被氧化，电阻率较小，体积较大，热惯性较大，测量范围一般为-50～150ºC，电阻值表达式为：A=4.28899*/ºC，B=-2.133*/，C=1.2333*/热电阻的类型

1）普通型热电阻从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。2）铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2--φ8mm，最小可达φmm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。3）端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。4）隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla--B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件。一般测温范围为-100～300ºC。主要有负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（PTC）热敏电阻和临界温度（CTR）热敏电阻3种。1．NTC热敏电阻（主要由Mn、Cn、Ni、Fe等金属氧化物烧结而成，通过不同的材质组合，得到不同的温度特性（负温度系数），灵敏度高、稳定性好、响应快、热惰性小、寿命长、价格便宜等优点。电阻值与温度关系近似表示为：，，分别为温度为T和T0时热敏电阻的电阻值，B为热敏电阻的材料常数（越大，灵敏度越高，一般为1500-6000K）。温度系数是温度T的非线性函数，低温段比高温段更灵敏。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60～300℃）、中温（300～600℃）、高温（>600℃热敏电阻可根据需要制成不同的结构形式，珠形、片形、杆形、薄膜形等，其直径或厚度约1mm，长度不到3mm，在-50～300ºC范围内，珠状和杆状的金属氧化物热敏电阻的稳定性较好，可作为温度检测和补偿元件。2．PTC热敏电阻（用BaTiO3掺入稀土元素使之半导体化而制成的，呈现正温度系数特性。一旦超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高。正温度系数的热敏电阻工作范围较窄，在温度较低时灵敏度低，温度高时灵敏度迅速增加，在工作范围内，电阻与温度的特性近似表示为：，其中Bp为热敏电阻材料常数。该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料．PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得，也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得。电阻-温度特性见下图：

纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点’一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加，产生PTC效应。钛酸钡半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒模型、丹尼尔斯等人的钡缺位模型和叠加势垒模型，它们分别从不同方面对PTC因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3～440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。

PTC热敏电阻于1950年出现，随后1954年出现了以钛酸钡为主要材料的PTC热敏电阻。PTC热敏电阻在工业上可用作温度