热敏电阻传感器在火灾报警上的应用

传感器原理及工程应用（论文） 热敏电阻传感器 在火灾报警上的应用 学生姓名学生姓名： 指导教师指导教师： 所在学院所在学院： 专专 业业： 学学 号号： 年 月 摘要 I 摘要摘要 本文介绍了热敏电阻式传感器的特性、工作原理等方面的知识并简略地阐述 了热敏电阻传感器在火灾报警中的应用。 本文介绍了两种热敏温度传感器的特点，并给出了热敏电阻式温度传感报警 器装置的具体原理图。 关键词：关键词：热敏电阻传感器 火灾 报警应用 II 目录目录 摘要.I 前言.III 1.热敏电阻.1 2.热敏电阻式传感器分类.5 2.1 正温度系数 PTC 热敏电阻器.5 2.2 负温度系数 NTC 热敏电阻器.5 3.本应用的具体内容.6 4.具体应用过程.7 结论.7 参考文献.9 前言 III 前言 21 世纪人类社会已全面进入信息时代。随着社会的发展和科学的进步，人类 探知工程信息的领域和空间不断拓展，要求信息传递的速度加快和信息处理的能 力增强，因而就形成信息时代四大核心技术：信息采集技术-传感技术，信 息传递技术-通信技术，信息处理技术-计算机技术，信息控制技术- -自动控制技术。显然传感与检测技术位于工程信息系统的最前端，它将成为 21 世纪人们在信息工程技术领域争夺的一个制高点。在现代测量与控制技术中， 非电量测量与探测占有重要地位，这就要用到各种类型的传感器，将各种不同的 信号转换成电量。随着现代社会的进步，在各领域的安全问题显得尤为重要。然 而每个人在安全问题上总是避免不了对安全的疏忽，此时，各种各样的传感器在 号的采集与处理方面优势凸现出来。 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度 传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大 大超过了 其他的传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。 它的主要特点是测 量精度 高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于 工 业测温，而且被制成标准的基准仪。21 世纪人类社会已全面进入信息时代。 随着社会的发展和科学的进步，人类探知工程信息的领域和空间不断拓展，要求 信息传递的速度加快和信息处理的能力增强，因而就形成信息时代四大核心技术： 信息采集技术-传感技术，信息传递技术-通信技术，信息处理技术- -计算机技术，信息控制技术-自动控制技术。显然传感与检测技术位于工 程信息系统的最前端，它将成为 21 世纪人们在信息工程技术领域争夺的一个制高 点。在现代测量与控制技术中，非电量测量与探测占有重要地位，这就要用到各 种类型的传感器，将各种不同的信号转换成电量。随着现代社会的进步，在各领 域的安全问题显得尤为重要。然而每个人在安全问题上总是避免不了对安全的疏 忽，此时，各种各样的传感器在号的采集与处理方面优势凸现出来。 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度 传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大 大超过了 其他的传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。 它的主要特点是测 量精度 高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于 工 业测温，而且被制成标准的基准仪。 传感器论文 - 1 - 1.热敏电阻 热敏电阻是一种电阻元件，即电阻值随温度变化的电阻，一般分为两种基本 类型：负温度系数 热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC） 。NTC 热敏电 阻表现为随温度的上升,其电阻值下降；而 PTC 热敏电阻正好相反。这两种热敏 电阻均具有特定的特点和优点，以应用于不同的领域。NTC 热敏电阻体一般由两 种以上过渡金属氧化物按特定比例混合成型后，经高温烧结形成，属于一种电子 陶瓷材料。可以按照电学参数（电阻值、材料常数 B） 、测温精度、封装形式和应 用领域 等标准分类。 零功率电阻是指在某一温度下测量 PTC 热敏电阻值时，加在 PTC 热敏电阻上 的功耗极低，低到因其功耗引起的 PTC 热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。额定 零功率电阻指环境温度 25条 件下测得的零功率电阻值。居里温度 Tc 对于 PTC 热敏电阻的应用来说，电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其 定义 为居里温度。居里温度对应的 PTC 热敏电阻的电阻 RTc = 2*Rmin。温度系数 PTC 热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。温度系数越 大，PTC 热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。=(lgR2-lgR1)/lge(T2-T1)额定电 压 VN 额定电压是在最大工作电压 Vmax 以下的供电电压。通常 Vmax = VN+15%击 穿电压 VD 击穿电压是指 PTC 热敏电阻最高的电压承受能力。PTC 热敏电阻在击穿 电压以上时将会击穿失效。表面温度 Tsurf 表面温度 Tsurf 是指当 PTC 热敏电阻 在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状 态已达较长时间时，PTC 热敏电 阻表面的温度。动作电流 Ik 流过 PTC 热敏电阻的电流，足以使 PTC 热敏电阻自热 温升超过居里温度这样的电流 称为动作电流。动作电流的最小值称为最小动作电 流。不动作电流 IN 流过 PTC 热敏电阻的电流，不足以使 PTC 热敏电阻自热温升 超过居里温度，这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动 作电流. PTC 热敏电阻器主要参数详解 在 25的静止空气中,指加在热敏电阻器引出端的电压与达到热平衡的稳态 条件下的电流之间的关系 （如图 1) 图 1 伏-安特性 传感器论文 - 2 - 绝缘热敏电阻:达到规定的绝缘阻值及电压验证测试的热敏电阻。非绝缘热敏 电阻:不要求绝缘电压和绝缘阻值测试的热敏电阻。起始电流(Iin):在电路开关启 动到闭合瞬间所出现的电流,即 Iin。峰值电流(Iinp-p): 起始电流(Iin)的峰-峰 值。时间特性指热敏电阻器在施加电压过程中电流随时间的变化特性。(如图 2) 图 2 电流-时间特性 阻温特性：在规定电压下，PTC 热敏电阻器的零功率电阻值与电阻本体温度 之间的关系。 （如图 3） 图 3 阻温特性 额定零功率电阻值(R25 或 Rn)：指的是在 25条件下的零功率电阻，除非 客户特别说明另一温度。 最小阻值（最小阻值（Rmin）：是指从常温 25开始，温度曲线系列所对应 的最小电阻值时，Rmin 所对应的温度为 Tmin。 开关温度(Tc)：当阻值开始呈现阶跃性增加时的温度为开关温度，即当阻值 升至 2 倍开关温度最小电阻值（Rmin）时所对应的温度，也称居里温度。 传感器论文 - 3 - 最大工作电压(Vmax)：在最高允许环境温度下，PTC 热敏电阻器能持续承受 的最大工作电压。 最大电流（最大电流（Imax）：指在最大工作电压下，允许通过 PTC 热敏电 阻器的最大电流。 ） 不动作电流(Int)：不动作电流即额定电流或保持电流，指在规定的时间和温 度条件下，不动作电流不导致 PTC 热敏电阻器呈现高阻态的最大电流。 动作电流(It)：指在规定的时间和温度条件下，使 PTC 热敏电阻器阻值呈阶 跃型增加动作电流时的最小电流。 最大电压下的温度范围：PTC 热敏电阻器在最大电压下仍能连续工作的环境 温度范围。 最大电压下的温度范围耗散系数（耗散系数（）：PTC 热敏电阻器中功率 耗散的变化量与元件相应温度变化量之比，称为耗散系数(mw/)。=P/（T- Tr） 耐压值：指在规定的时间和温度条件下，PTC 热敏电阻器能承受的最大电压， 超过这耐压值个电压，PTC 热敏电阻器将击穿。热时间常数（ 热时间常数（）： 在静止的空气中，PTC 热敏电阻器从自身温度变化到与环境温度之差的 63.2%时所 需的时间。 残余电流(Ir)：指在最大工作电压下，PTC 热敏电阻器阻值跃变后，热平衡 状态下的残余电流电流。 温度系数：一般指 R1、R2 所对应的温度即是 T1、T2，分别比居里温度高 10和 25。最小阻值时的温度（最小阻值时的温度（TRmin）：最小阻值 Rmin 出现时所对应的温度。 ） 上限温度（UCT）：热敏电阻可继续工作时的最大环境温度。 下限温度（LCT）：热敏电阻可继续工作时的最小环境温度。 热敏电阻器(thermistor)型号 MZ、MF：热敏电阻器是一种对温度反应较 敏感、阻值会随着温度的变化而变化的非线性电阻器，通常由单晶、多晶半导体 材料制成。 文字符号：“RT”或“R” 热敏电阻器的种类： A按结构及形状分类圆片形（片状） 、圆柱形（柱形） 、圆圈形（垫圈形） 等多种热敏电阻器。 B按温度变化的灵敏度分类高灵敏度型（突变型） 、低灵敏度型（缓变 型）热敏电阻 器。 C按受热方式分类直热式热敏电阻器、旁热式热敏电阻器。 D按温变（温度变化）特性分类正温度系数（PTC） 、负正温度系数 （NTC）热敏电阻器。 热敏电阻器的主要参数： 热敏电阻器的主要参数：除标称阻值、额定功率和允许偏差等基本指标外， 传感器论文 - 4 - 还有如下指标： 测量功率： 1）指在规定的环境温度下，电阻体受测量电源加热而引起阻值变化不超过 0.1时所消耗的功率。 2）材料常数：是反应热敏电阻器热灵敏度的指标。通常，该值越大，热敏电 阻器的灵 敏度和电阻率越高。 3）电阻温度系数：表示热敏电阻器在零功率条件下，其温度每变化 1所引 起电阻值 的相对变化量。 4）热时间常数：指热敏电阻器的热惰性。即在无功功率状态下，当环境温度 突变时，电阻体温度由初值变化到最终温度之差的 63.2所需的时间。 5）耗散系数：指热敏电阻器的温度每增加 1所耗散的功率。 6）开关温度：指热敏电阻器的零功率电阻值为最低电阻值两倍时所对应的温 度。 7）最高工作温度：指热敏电阻器在规定的标准条件下，长期连续工作时所允 许承受的 最高温度。 8） 标称电压：指稳压用热敏电阻器在规定的温度下，与标称工作电流所对 应的电压值。 9）工作电流：指稳压用热敏电阻器在在正常工作状态下的规定电流值。 10）稳压范围：指稳压用热敏电阻器在规定的环境温度范围内稳定电压的范 围值。 11）最大电压：指在规定的环境温度下，热敏电阻器正常工作时所允许连续 施加的最高电压值。 12）绝缘电阻：指在规定的环境条件下，热敏电阻器的电阻体与绝缘外壳之 间的电阻 值。 正温度系数热敏电阻器（PTCpositive temperature coefficient thermistor）结构用钛酸钡（BaTiO3） 、锶（Sr） 、锆（Zr）等材料制成的。 属直热式热敏电阻器。特性电阻值与温度变化成正比关系，即当温度升高时 电阻值随之增大。在常温下，其电 阻值较小，仅有几欧姆几十欧姆；当流经它 的电流超过额定值时，其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆数千欧姆以 上。作用与应用广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及 过热或过电流保 护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫、暖器等小家 电中。 负温度系数热敏电阻器（NTCnegative temperature coefficient thermistor） 结构用锰（Mn） 、钴（Co） 、镍（Ni） 、铜（Cu） 、铝（Al）等金 属氧化物（具有半导 体性质）或碳化硅（SiC）等材料采用陶瓷工艺制成的。特 性电阻值与温度变化成反比关系，即当温度升高时，电阻值随之减小。作用 与应用广泛应用于电冰箱、空调器、微波炉、电烤箱、复印机、打印机等家 电及办 公产品中，作温度检测、温度补偿、温度控制、微波功率测量及稳压控制 传感器论文 - 5 - 用。 传感器论文 - 6 - 2.热敏电阻式传感器分类 2.1 正温度系数 PTC 热敏电阻器 PTC 的意思是正的温度系数的缩写，泛指正温度系数很大的半导体材料或元 器件。热敏电阻 PTC 是一种半导体发热陶瓷，当外界温度降低，PTC 的电阻值随 之减小，发热量反而会相应增加。PTC 的工作原理 PTC 热敏电阻(正温度系数热敏 电阻)是一种具温度敏感性的半导体电阻,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.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. 陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体,而陶瓷 PTC 热敏电阻是以钛酸钡为基,掺 杂其它的多晶陶瓷材料制造的,具有较低的电阻及半导特性.通过有目的的掺杂一 种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的:在晶格中钡离子或钛酸盐离子的 一部分被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的自由电子.对于 PTC 热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因,在于材料组织是由许多小的微 晶构成的,在晶粒的界面上,即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒,阻碍电子越界进 入到相邻区域中去,因此而产生高的电阻.这种效应在温度低时被抵消:在晶界上高 的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流 动.而这种效应在高温时,介电常数和极化强度大幅度地降低,导致势垒及电阻大幅 度地增高,呈现出强烈的 PTC 效应。其电阻温度特性曲线如下图所示： 图 4 电阻-温度特性 2.2 负温度系数 NTC 热敏电阻器 NTC 的意思是负的温度系数，繁殖负温度系数很大的半导体材料或元器件。 NTC 热敏电阻器是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，她的电阻值随着温度 的升高呈阶跃性的减少。所谓 NTC 热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器.它是 传感器论文 - 7 - 以锰,钴,镍和铜等金属氧化物为主要材料,采用陶瓷工艺制造而成的.这些金属氧 化物材料都具有半导体性质,因为在导电方式上完全类似锗, 硅等半导体材料.温 度低时,这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少,所以其电阻值较高;随着温 度的升高,载流子数目增加,所以电阻值降低。其电阻温度特性曲线如图 5 所示： 图 5 电阻温度特性 3.本应用的具体内容 本设计通过对可燃物表面温度的测量，利用温度的变化会引起热敏电阻 传感器阻值变化的原理控制电路工作状态，实现自动报警的功能。电路的主 要组成有热敏电阻、电阻、可调电阻、涤纶电容、发光二极管、施密特集成 电路、压电蜂鸣器、电池等器件。如图 5 所示： 图 6 报警电路图 本电路分两部分，由 A、B 及 R4、C1 组成上限报警功能。而以 C、D 及 R5、C2 构成下限报警功能，电路见图 1。 传感器论文 - 8 - 工作原理：平时 RP1、RP2 分别设置上限和下限两个报警点，使 A 和 C 输入端都为 高电平，输出都为低电平而使振荡器都停振。当温度过高时，热敏电阻 R1 阻值减 小，使 A 输出高电平，B 起振，压电陶瓷片 YD 发出高音调的蜂鸣声。同时，发光 二极管 LED1 亮，显示温度过高。温度过低时，热敏电阻 R2 阻值增大使 C 输出高 电平，D 起振，压电片 YD 发出低音调的蜂鸣声。发光二极管 LED2 亮，显示温度 过低。 施密特触发器是一种脉冲信号的整形电路，它与一般触发器一样，有两个稳 定的工作状态，但不同于前述的各类触发器，其特点如下： （1）施密特触发器属于电平触发，缓慢变化的信号也可作为触发输入信号， 当输入信号达到某一特定的值时，输出电平会发生突变，即施密特触发器会从一 个稳态翻转到另一个稳态。 （2）输入信号从低电平上升时的转换电平与输入信号从高电平下降时的转换 电平不同，即传输特性形成滞环。 4.具体应用过程 图 7 热敏电阻传感器 将热敏电阻传感器与易燃物品或所监测物品放置在一起，当所监测物品温度 过高时，如图一原理图，热敏电阻 R1 阻值减小，使 A 输出高电平，B 起振，压电 陶瓷片 YD 发出高音调的蜂鸣声，物主听到蜂鸣声即可知道该物品温度过高，对物 品进行降温或通风处理即可避免火灾的发生，从而实现了自动报警功能。 结论 - 8 - 结论 本文主要设计实现了一种热敏电阻测温系统，具体地阐述了热敏电阻温度测 量系统的设计方法，主要完成了以下几个方面的工作： 1.回顾和总结了热敏电阻温度测量的原理及其应用，对热敏电阻温度测温系 统的可行性进行了分析，设计了热敏电阻温度测量系统的实现方案。 2.