热电阻式传感器.ppt

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。,7.3.1 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,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50150。, 铂热电阻 目前最好材料,长时间稳定的复现性可达10-4 K ，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1.3871.390。,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10和100两种，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：, 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：50150 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。,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50和100两种，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(4.254.28)10-3/.,铜热电阻,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,热电阻结构,小型铂热电阻,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（49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。,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,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,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,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。,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,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,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,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,非标热敏电阻,3. 热敏电阻的主要特性, 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( )； 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20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。,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:,B和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, 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。,4. 热敏电阻的主要参数, 标称电阻值RH : 在环境温度为250.2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。 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：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；,(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 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T= 0.63 (TT0) 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。,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。,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。,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。,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/R10-3时， 误差才可忽略,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， R a零位调节电阻， R t 热电阻,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,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,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 。,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133.32210-5Pa。 （b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化,2. 半导体热敏电阻传感器, 温度测量 温度控制 温度补偿 流量测量, 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, 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， R t 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R t（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, 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,(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。,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,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R t2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R t1上带走的热量大小与介质流量有关，所以可以用它测流量。,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。,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（Proportional to Absolute Temperature）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-50150 ，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。,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。,电流输