第4章热电式传感技术1

1、第4章热电式传感技术 热电式传感器是用途最广的一种传热电式传感器是用途最广的一种传感器，凡是需要测温、调温、控温的场感器，凡是需要测温、调温、控温的场合，都需要此种传感器。合，都需要此种传感器。4.1热敏电阻热敏电阻是用一种半导体材料制成的热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化。显著变化。可测温范围可测温范围-50-50350350体积小、寿命长、价格低廉体积小、寿命长、价格低廉一、结构形式一、结构形式热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等，采用不同比例高温烧结而成。锰、镍等，采用不同比

2、例高温烧结而成。负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻NTCNTC最常用最常用正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻PTCPTC较少用较少用临界温度热敏电阻临界温度热敏电阻CTRCTR作温控开关用作温控开关用二、温度特性二、温度特性(NTC)(NTC)R RT T、R R0 0分别为对应分别为对应T T（K K）和）和T0T0（K K）时）时的阻值的阻值B B热敏电阻的材料热敏电阻的材料常数，约为常数，约为2000K2000K6000K6000KT T热力学温度热力学温度T T0 0通常指通常指00或室温或室温)11(00TTBTeRR定义温度系数定义温度系数 当当B=4000KB=4000K，T

3、=293.15K(20)T=293.15K(20)时时 =4.7%/ =4.7%/ ，为铂电阻的，为铂电阻的1212倍倍三、热敏电阻输出特性的线性化处理三、热敏电阻输出特性的线性化处理 热敏电阻非线性严重，有时需要作线性热敏电阻非线性严重，有时需要作线性化处理化处理 1.1.线性化网络线性化网络 用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联串联或并联22)11(0)1(110TBTBeRRdTdRRTTBTTTT串联补偿串联补偿选择合适的选择合适的 rc ，可使温度在一定范围内，可使温度在一定范围内，与电阻的倒数成线性关系，这样电流与电阻的倒数成线性关系，这样

4、电流 I I 与温与温度度 T T 成线性关系。成线性关系。并联补偿并联补偿E曲线的两端趋于阻值较低的电阻曲线的两端趋于阻值较低的电阻在一定范围内获得近似的线性关系在一定范围内获得近似的线性关系电桥测温电路电桥测温电路电桥平衡电桥平衡U=0U=0，对应某一温度，对应某一温度T T0 0，温度变化，温度变化，R RT T改变，改变，U0U0，U U的大小对应温度的变化的大小对应温度的变化2.2.计算修正法计算修正法软件修正法软件修正法3.3.利用温度利用温度频率转频率转换电路改善非线性换电路改善非线性利用利用RCRC电路充放电过程的指数函数和热敏电阻的电路充放电过程的指数函数和热敏电阻的指数函数

5、相比较的方法来改善热敏电阻的非线性。指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性。)1 ()1 ()1 ()1 ()11(0)11(000RCtcTTBfTTBfTfeEUeRREeRRERREU01TBRCTBRCt令Rf=R0 ，到达t1时刻，U+=Uc，可得：方波周期：Tm=t1+td1+td2TBRCTBRCttBRCTBRCTttTTBRCTttTBRCTBRCTfddddddm0212102101)(111 0 ?021TBRCttddBRCTf 令td1td2，可调整td1使=0，则得至此，可以得出频率至此，可以得出频率f f与温度与温度T T成正比例的线性关系。成正比例的线性关系

6、。四、热敏电阻的应用四、热敏电阻的应用 1.1.热敏电阻用作检测元件热敏电阻用作检测元件热敏电阻在温度计、温度差计、温度补偿、热敏电阻在温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、液位检测等等领域。分子量测定、液位检测等等领域。2.热敏电阻用作电路元件热敏电阻在偏置线圈的温度补偿、仪表热敏电阻在偏置线圈的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿、恒压电路、延迟电路、保护电路、自动偿、恒压电路、延迟电路、保护电路、自动增益电路、增益电路、RCRC振荡电路、振幅稳

7、定电路等电振荡电路、振幅稳定电路等电路中用作电路元件。路中用作电路元件。3.应用举例流量测量电路流量测量电路敏感元件：敏感元件：NTCNTC消磁电路右图应为延时电路右图应为延时电路（R RT T为为PTCPTC）控温电路控温电路彩色电视机消磁电路彩色电视机消磁电路4.2热电开关热电开关常有双金属片式和陶铁磁体式热电开关常有双金属片式和陶铁磁体式两种，广泛用于电饭锅、电熨斗、电炉、电两种，广泛用于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器的恒温控制器。热水器的恒温控制器。一、双金属片式热电开关一、双金属片式热电开关双金属片式热电开关（温控开关）的双双金属片式热电开关（温控开关）的双金属片是由两种膨胀系数不同

8、的金属片轧制金属片是由两种膨胀系数不同的金属片轧制或锻压在一起。双金属片在常温下是平直的，或锻压在一起。双金属片在常温下是平直的，但受热后，膨胀系数大的金属片伸长较多，但受热后，膨胀系数大的金属片伸长较多，而膨胀系数小的金属片伸长较少，因此双金而膨胀系数小的金属片伸长较少，因此双金属片向膨胀系数小的一面弯曲变形。属片向膨胀系数小的一面弯曲变形。双金属片热电开关的类型：常开式、常闭式双金属片热电开关的类型：常开式、常闭式二、陶铁磁体式1.结构原理 主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、银触点、操作按键组成。拉杆、杠杆、银触点、操作按键组成。硬磁：

9、主要由碳酸锶（主要由碳酸锶（SrCOSrCO3 3）14%14%和三氧化二和三氧化二铁（铁（FeFe2 2O O3 3）86%86%组成，居里点高，组成，居里点高，450450以上以上软磁：氧化镍（氧化镍（NiONiO）11%11%、氧化锌（、氧化锌（ZnOZnO）22%22%、三氧化二铁（三氧化二铁（FeFe2 2O O3 3）67%67%，居里点，居里点130130150150动作原理：米饭煮熟时，内锅底温度为米饭煮熟时，内锅底温度为103 103 左右，这时软磁的温度要稍微高些，正好达左右，这时软磁的温度要稍微高些，正好达其居里点。此时，软磁失去磁性，硬磁不能其居里点。此时，软磁失去磁性

10、，硬磁不能再吸引软磁体，因此便被动作弹簧弹开，拉再吸引软磁体，因此便被动作弹簧弹开，拉杆向下移动，压下杠杆，使两触点彼此脱离，杆向下移动，压下杠杆，使两触点彼此脱离，切断电源。切断电源。2.2.特点：特点：动作灵活，不需要经常调整机件，动作灵活，不需要经常调整机件，出厂后不能调整动作温度，经久耐用，出厂后不能调整动作温度，经久耐用，安全可靠，广泛用于电饭锅中。安全可靠，广泛用于电饭锅中。三、热电开关的应用由保温由保温曲线可知，曲线可知，电饭锅的恒电饭锅的恒温点应在温点应在6060至至8080单按键电饭锅电路K1K1双金属恒温器，动作温度双金属恒温器，动作温度70 70 K2K2陶铁热电开关动作

11、温度（锅内）陶铁热电开关动作温度（锅内）103 103 可调整功率的磁钢控温电路可调整功率的磁钢控温电路4.3铂电阻 铂电阻是铂热电阻的简称铂电阻是铂热电阻的简称 铂电阻温度系数稳定、电阻率高、线性度铂电阻温度系数稳定、电阻率高、线性度好，测量范围宽（好，测量范围宽（-200-200600600），铂电阻），铂电阻温度计被作为国际基准。温度计被作为国际基准。一、铂电阻与温度的关系一、铂电阻与温度的关系00630.74 R630.74 Rt t=R=R0 0（1+At+Bt1+At+Bt2 2）-190-1900 R0 Rt t=R=R0 01+At+Bt1+At+Bt2 2+C+C（t-100

12、t-100）t t3 3 R R0 0温度为温度为0 0 时的电阻时的电阻A A、B B、C C分度系数分度系数二、结构由由0.030.030.07mm0.07mm纯铂丝制成，银导线作纯铂丝制成，银导线作引出线引出线三、分度特性表4.4铜电阻成本低，在成本低，在-50 -50 150 150 温度范围温度范围内呈线性，用于测量准确度要求不高，内呈线性，用于测量准确度要求不高，测温范围不大的场合。测温范围不大的场合。一、铜电阻与温度的关系R Rt t=R=R0 0（1+t1+t）R R0 0温度为温度为0 0 时的电阻值时的电阻值铜电阻温度系数，铜电阻温度系数，=4.25=4.251010-3-

13、3 4.284.281010-3-3/ 0 / 0 二、铜电阻的缺点电阻率低、体积大、热惯性也大，电阻率低、体积大、热惯性也大，100 100 以上易氧化，只能用于低温及无侵蚀性的介以上易氧化，只能用于低温及无侵蚀性的介质中。质中。4.5热电偶热电偶是将温度转换为电势的热电式热电偶是将温度转换为电势的热电式传感器，可测范围传感器，可测范围-180 -180 2800 2800 ，甚至更大范围。甚至更大范围。一、热电偶的基本原理热电效应：热电效应：两种不同的金属所组成的闭合回路中，两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触点温度不同时，回路中就会产当两接触点温度不同时，回路中就会产生热电势。生热

14、电势。热端：热端：测测量端，量端，一般焊一般焊接在一接在一起起冷端冷端：参参考端，考端，与测量与测量仪器的仪器的输入端输入端相连接相连接E Et t=e=eABAB(T)-e(T)-eABAB(T(T0 0) )E Et t热电偶的热电势热电偶的热电势e eABAB(T(T) )温度为温度为T T时的热电势时的热电势e eABAB(T(T0 0) )温度为温度为T T0 0时的热电势时的热电势当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电偶材料的成分和热、冷两端的温差有关。偶材料的成分和热、冷两端的温

15、差有关。二、热电偶的基本定律1.中间导体定律 在热电偶回在热电偶回路中插入第三种路中插入第三种导体，只要插入导体，只要插入导体两端温度相导体两端温度相等，就不会影响等，就不会影响原来热电偶的热原来热电偶的热电势的大小。电势的大小。2.标准电极定律 EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-ECB(T，T0)3.中间温度定律EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)三、热电偶的结构普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶四、热电偶冷端的温度补偿由于热电偶是以冷端温度为由于热电偶是以冷端温度为00时分度时分度的，实际使用时冷端靠近被测对象，受环的，实际使用时冷端靠近被测对象，受环境温度影响冷端温度并不为境温度影响冷端温度并不为0 0 ，故必须，故必须进行修正或补偿。进行修正或补偿。1.冷端温度修正法对于冷端温度不等于对于冷端温度不等于0 0 ，但能保持恒，但能保持恒定不变时