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1、7.3 熱電阻式傳感器,7.3.1 金屬熱電阻 7.3.2 半導(dǎo)體熱敏電阻 7.3.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)用,基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性。 優(yōu)點(diǎn)：信號可以遠(yuǎn)傳、靈敏度高、無參比溫度。 金屬熱電阻穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高，可作為基準(zhǔn)儀表。 缺點(diǎn)：電源激勵、自熱現(xiàn)象，影響精度。,7.3.1 金屬熱電阻,作為熱電阻的材料要求： 電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度； 電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸； 熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度； 在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能； 電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性； 應(yīng)有良好的可加工性，且價格便宜。,熱電阻電阻體（最主要部分）絕緣套管

2、接線盒,使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅,1. 常用熱電阻,鉑熱電阻 主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。 銅熱電阻 測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為50150。, 鉑熱電阻 目前最好材料,長時間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 K ，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。,鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān),百度電阻比,W（100）越高，表示鉑絲純度越高， 國際實用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）1.3925 目前技術(shù)水平已達(dá)到W（100）1.3930，相當(dāng)于99.9995% 工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.3871.390。,鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即

3、特性方程如下:,當(dāng)溫度 t 在0 t 650時：,國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）1.391， R0分為10和100兩種，分度號分別為Pt10和Pt100， 并給出其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）,當(dāng)溫度t 在200 t 0時：, 銅熱電阻,應(yīng)用：測量精度要求不高且溫度較低的場合 測量范圍：50150 優(yōu)點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價格便宜，復(fù)制性能好。 缺點(diǎn)：易于氧化，一般只用于150以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。,銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為,工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國

4、內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計取50和100兩種，分度號分別為Cu50和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。,A、B、C為常數(shù)，常取A(4.254.28)10-3/.,銅熱電阻,2. 熱電阻的結(jié)構(gòu),普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器,熱電阻的結(jié)構(gòu),電阻絲采用無感繞法（兩線圈電流流向相反，電感互相抵消）繞在絕緣支架上，圖b所示。,1電阻體；2瓷絕緣套管；3不銹鋼套管；4安裝固定件；5引線口； 6接線盒；7芯柱；8電阻絲；9保護(hù)膜；10引線端,熱電阻結(jié)構(gòu),小型鉑熱電阻,汽車用水溫傳感器及水溫表,銅熱電阻,7.3.2 半導(dǎo)體熱敏電阻,利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成 由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié) 優(yōu)

5、 點(diǎn)： 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍） 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點(diǎn)溫、表面溫度及快速變化的溫度。 結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好。 缺點(diǎn)：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。,1. 熱敏電阻特點(diǎn)與類型,正溫度系數(shù)(PTC) 負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 臨界溫度系數(shù)(CTR),熱敏電阻典型特性,PTC熱敏電阻正溫度系數(shù) 鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成 用途： 各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)， 發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。 CTR熱敏電阻臨界溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成。在某個溫度上電阻值急劇變化,具有開關(guān)特性。 用途：溫度開關(guān),熱敏電阻分類,熱敏電阻分類,N

6、TC熱敏電阻很高的負(fù)電阻溫度系數(shù) 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物 混合燒結(jié)而成，改變混合物的成分和配比就可以獲得測溫范圍、阻值及溫度系數(shù)不同的NTC熱敏電阻。 應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場等測量 自動控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路,2. 熱敏電阻的結(jié)構(gòu),構(gòu)成：熱敏探頭、引線、殼體 二端和三端器件： 為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電路獲得功率； 四端器件：旁熱式 體積達(dá)到小型化與超小型化。,熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式,熱敏電阻外形,MF12型 NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻,玻璃封裝NTC 熱敏電阻,MF58 型熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻,帶安裝孔的熱敏

7、電阻,大功率PTC熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻,貼片式NTC熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻,MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,MF5A-3型熱敏電阻,非標(biāo)熱敏電阻,3. 熱敏電阻的主要特性, 溫度特性,NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，電阻-溫度特性,式中 RT , R0熱敏電阻在絕對溫度T，T0時的阻值( )； T0, T 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（K）； t0 , t 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（）； B 熱敏電阻材料常數(shù)，一般為20006000K， 其大小取決于熱敏電阻的材料。,若已知兩個電阻值以及相應(yīng)的溫度值，就可求得B值。 一般取20和100時的電阻R20 和R100計算B

8、值， 即將T=373K，T0=293K代入上式，則,將B值及R0=R20 代入式就確定了熱敏電阻的溫度特性:,B和值是表征熱敏電阻材料性能的兩個重要參數(shù)，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬絲的電阻溫度系數(shù)高很多，所以它的靈敏度很高。,熱敏電阻的電阻溫度系數(shù),熱敏電阻在其本身溫度變化1時，電阻值的相對變化量, 伏安特性,在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關(guān)系。 當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時:不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用來測溫。 當(dāng)電流增大到一定值時：流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電

9、壓反而下降。其所能升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質(zhì)溫度及散熱條件)有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇頊y量流體速度和介質(zhì)密度。,4. 熱敏電阻的主要參數(shù), 標(biāo)稱電阻值RH : 在環(huán)境溫度為250.2時測得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。 材料常數(shù)B(K)：描述材料特性的一個常數(shù)，取決于熱敏電阻材料的激活能力，值大，靈敏度高。 (3)電阻溫度系數(shù)：指溫度升高1時，電阻值的相對變化量。電阻率越高，溫度系數(shù)也越大。 (4)耗散系數(shù)H 指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1時熱敏電阻所耗散的功率，單位為mW /；

10、(5) 熱容量C 熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為J；,(6) 能量靈敏度G （W） 使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。 (7) 時間常數(shù) 溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T 的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量T= 0.63 (TT0) 時所需的時間。 (8) 額定功率PE 在標(biāo)準(zhǔn)壓力（750mmHg）和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為W。在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率。,5. 熱敏電阻的線性化,NTC的幾種組合電路及其熱電特性,熱敏電阻的電阻-溫度特性呈指數(shù)關(guān)系，有較大非線性，一般處理方法是與溫度系數(shù)小的電阻進(jìn)行串并聯(lián)，使

11、其等效電阻在一定溫度范圍內(nèi)是線性的。,7.3.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)用,1 金屬熱電阻傳感器 200+500范圍的溫度測量 特點(diǎn)：精度高、適于測低溫。 2 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面用作測溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測量、液面指示等。,1. 金屬熱電阻傳感器,工業(yè)廣泛使用，200+500范圍溫度測量。在特殊情況下，測量的低溫端可達(dá)3.4K，甚至更低，1K左右。高溫端可測到1000。 溫度測量的特點(diǎn)：精度高、適于測低溫。 傳感器的測量電路：經(jīng)常使用電橋，精度較高的是自動電橋。 為消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線制和四線制

12、連接法。,兩線制,這種引線方式簡單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。 兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。,2r/R10-3時， 誤差才可忽略,三線制,熱電阻測溫電橋的三線制接法,工業(yè)用熱電阻一般采用三線制，消除引線電阻影響，提高測量精度,G檢流計，R1 ，R2 ，R3固定電阻， R a零位調(diào)節(jié)電阻， R t 熱電阻,四線制接法,熱電阻測溫電橋的四線制接法,精密測量中，采用四線制接法 ，有效消除線路寄生電勢。,調(diào)零電位器,四線制,實驗室用，高精度測量 四根導(dǎo)線引到現(xiàn)場溫度計。 當(dāng)壓表測量電流很小時，可完全消除引線電阻影響。,恒流源供電,鉑測溫電阻傳感器,鉑測溫電阻

13、缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢、容易破損、 難于測定狹窄位置的溫度。 現(xiàn)逐漸使用能大幅度改善上述缺點(diǎn)的極細(xì)型鎧裝鉑測溫電阻，因而使應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 主要應(yīng)用：鋼鐵、石油化工的各種工藝過程；纖維等工業(yè)的熱處理工藝；食品工業(yè)的各種自動裝置；空調(diào)、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設(shè)備及恒溫槽 。,金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應(yīng)用,1連通玻璃管 2流通玻璃管 3鉑絲,（a）真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感， 實際應(yīng)用中有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置?？蓽y到133.32210-5Pa。 （b）可檢測管內(nèi)氣體介質(zhì)成分比例變化、熱風(fēng)流速變化,2. 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器, 溫度測量 溫度控制 溫度補(bǔ)償 流量測量, 溫度測量,開

14、關(guān)S旋到1處接通校正電路，調(diào)節(jié)R6使顯示儀表的指針轉(zhuǎn)至測量上限，用以消除由于電源E電壓變化產(chǎn)生的誤差。 當(dāng)熱敏電阻感溫元件插入被測介質(zhì)后，再將切換開關(guān)旋到2處，接通測量電路，這時顯示儀表的示值即為被測介質(zhì)的溫度值。,熱敏電阻點(diǎn)溫計, 溫度控制,簡易溫度控制器,由VR設(shè)定動作溫度。如下：實際溫度低時， R t 大，VT1的be之間電壓大于導(dǎo)通電壓，VT1導(dǎo)通，相繼VT2也導(dǎo)通，繼電器吸合，電熱絲加熱。 當(dāng)實際溫度達(dá)到要求控制的溫度時，由于R t（NTC型）的阻值降低，使VTl的be電壓過低 ( 0.6V) , VTl截止，相繼VT2截止，繼電器斷開，電熱絲斷電而停止加熱。這樣便達(dá)到控制溫度的目的

15、。,加熱指示燈, 溫度補(bǔ)償,儀表中的電阻溫度補(bǔ)償電路,金屬一般具有正的溫度系數(shù)， 采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償， 可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差,改善溫度系數(shù)非線性,(4) 流量測量,熱式質(zhì)量流量計 原理：流體中熱傳遞與熱轉(zhuǎn)移與流體質(zhì)量的關(guān)系。 利用外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動造成的溫度場變化，從而測得流體的質(zhì)量流量。 流量方程式： 采用恒定功率法，測量溫差T可以求出質(zhì)量流量。若采用恒定溫差法，求出輸入功率P就可求出質(zhì)量流量。,非接觸式對稱結(jié)構(gòu)的熱式流量計示意,1鎳管；(導(dǎo)熱性能好) 2加熱線圈； 3測溫線圈（電阻）； 4調(diào)零電阻； 5電表,原理：加熱器、測溫電阻安裝在小口徑金屬

16、管壁外，兩個測溫電阻接電橋輸出。管內(nèi)流體靜止時，調(diào)節(jié)電橋平衡。當(dāng)有流體流過時形成變化溫度場，測溫電阻變化，電橋不平衡電壓輸出，正比于溫差T，由此測出質(zhì)量。 應(yīng)用：熱式流量計適用于微小流量測量。需測大流量時，要作分流。結(jié)構(gòu)簡單，壓力損失小，非接觸測量。缺點(diǎn)靈敏度低，需溫度補(bǔ)償。,恒定功率法,液體流向,流量測量,利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以測量流量、流速、風(fēng)速等。,熱敏電阻流量計,R t1和R t2分別置于管道中央和不受介質(zhì)流速影響的小室中，介質(zhì)靜止時，電橋平衡；當(dāng)介質(zhì)流動時，將Rt1的熱量帶走，阻值變化，橋路相應(yīng)輸出。介質(zhì)從R t1上帶走的熱量大小與介質(zhì)流量有關(guān)，所以可以用它測流

17、量。,插入式熱式（氣體）質(zhì)量流量計,原理：由兩個基準(zhǔn)級熱電阻(鉑RTD)組成。一個是質(zhì)量速度傳感器T1，一個是測量氣體溫度變化的溫度傳感器T2。當(dāng)這兩個RTD置于被測氣體中時，其中傳感器T1被加熱到氣體溫度以上的一個恒定的溫差，另一個傳感器T2用于感應(yīng)被測氣體溫度。隨著氣體質(zhì)量流速的增加，氣流帶走更多熱量,傳感器T1的溫度下降，要維持T1、T2恒定的溫度差，T1的加熱功率就要增大。,熱敏電阻溫度面板表,熱敏電阻,LCD,熱敏電阻體溫表,有保持功能,熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制,IC溫度傳感器的測溫原理,以溫敏晶體管為感溫元件，將其與外圍電路集成在一塊芯片上制成，基于半導(dǎo)體PN結(jié)電壓溫度特性。

18、 感溫電路用兩個溫敏晶體管差分構(gòu)成，使PN結(jié)溫度與輸出電壓或電流成線性關(guān)系，稱PTAT（Proportional to Absolute Temperature）核心電路 。 具有體積小、反應(yīng)快、線性較好與廉價的優(yōu)點(diǎn)，測量范圍-50150 ，適用于常溫測量，不在主傳感器系列，工業(yè)上用于溫度補(bǔ)償。 主要輸出類型可分為電壓型、電流型與數(shù)字型3種。,型號：LM135、LM235、 LM335系列 工作溫度： -55+150， -405+125， -10+100 由PATA核心電路與放大電路組成，外部3個端子。,電壓輸出型集成溫度傳感器,第三端，外部調(diào)節(jié) 25 時，調(diào)節(jié)10k電位器，使輸出電壓=2.9

19、82V，提高精度。,電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590（美國AD公司生產(chǎn)），國內(nèi)同類產(chǎn)品SG590 器件電源電壓430V，測溫范圍-50+150。,電流輸出型集成溫度傳感器,AD590 引腳和符號表示,AD590伏安特性 工作電壓：4V30V，I 為一恒流值輸出，ITk，即 KT標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1A/K,I = KT TK,4V,30V,0,I/A,U/V,AD590伏安特性曲線,-55,+25,+150,218,298,423,其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項式之和，省略非線性項后則有: Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見，當(dāng)溫度為0時，輸出電流為273.2

20、A。在常溫25時，標(biāo)定輸出電流為298.2A。,I=KTTc273.2,AD590溫度特性曲線,AD590典型應(yīng)用,輸出電流是以絕對溫度零度（-273.2）為基準(zhǔn)，每增加1，它會增加1A輸出電流，因此在室溫25時，其輸出電流 Iout=（273.2+25）=298.2A,電流回路串接1個10k電阻， Vo的值為Io乘上10K，以室溫25而言，輸出值為10K298.2A=2.982V,AD590的測量電路,AD590在溫度25（298.2K）時，理想輸出為298.2A，實際存在誤差，可通過電位器調(diào)整，使輸出電壓滿足1mV/K 的關(guān)系。,AD590 典型應(yīng)用,本章作業(yè),思考題 2，12，13，16，17 練習(xí)題 4，5，9,