N-6.2 热电阻式传感器

1、第六章第六章 热电式传感器热电式传感器 6.2 6.2 热电阻式传感器热电阻式传感器6.2.1 6.2.1 金属热电阻金属热电阻6.2.2 6.2.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻6.2.3 6.2.3 热电阻式传感器的应用热电阻式传感器的应用 热电阻效应：电阻率随本身温度的变化热电阻效应：电阻率随本身温度的变化 而变化。根据而变化。根据电阻和温度电阻和温度之间的函数关系，之间的函数关系，将温度变化量转换为相应的电参量，从而将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻。温度敏感元件称为热电阻。热电阻材料可分为

2、金属热电阻热电阻材料可分为金属热电阻( (热电阻热电阻) )和半导体热电阻和半导体热电阻( (热敏电阻热敏电阻) )。热电阻测温的热电阻测温的优点优点是信号是信号灵敏度高、易灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高可以用作基准仪表。高可以用作基准仪表。热电阻主要热电阻主要缺点缺点是需要是需要电源激励电源激励、有、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。度不能太高。一、金属热电阻一、金属热电阻 基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导基

3、于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。变化转换为电信号，从而达到测温的目的。当温度升高时，金属内部原子晶格的振动加当温度升高时，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。阻值与温度的变化趋势相同。 取一只取一只 100W/220V 100W/220V

4、灯泡，用万用表测量其电灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为计算得到的额定热态电阻值应为484484 。 1 1、热电阻材料的特点、热电阻材料的特点高温度系数、高电阻率。高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。量。化学、物理性能稳定。化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。围内热电阻的测量准确性。良好的输出特性。良好的输出特性。即必须有线性的或者接近即必须有线性的或者

5、接近线性的输出。线性的输出。良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。适宜制作热电阻的适宜制作热电阻的材料材料有有铂铂、铜铜、镍镍、铁铁等。等。易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。缺点，因而用得不多。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学

6、、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。入特性接近线性，测量精度高。 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 在各类工业测温的场合中，热电阻是中低在各类工业测温的场合中，热电阻是中低温区最常用的一种温度传感器温区最常用的一种温度传感器: : 铂热电阻：一般为铂热电阻：一般为-200-800-200-800摄氏度。摄氏度。 铜热电阻：一般为铜热电阻：一般为-40-140-40-140摄氏度。摄氏度。其中的铂热电阻以其精度高、性能稳定、其中的铂热电阻以其精度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点，成互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点，

7、成为工业测控系统中广泛使用的一种温度传为工业测控系统中广泛使用的一种温度传感器。感器。（1 1）铂热电阻）铂热电阻)1 (20BtAtRRt)100(1 320ttCBtAtRRt2 2、常用热电阻、常用热电阻缺点：在还原性介质中，特别在高温下，缺点：在还原性介质中，特别在高温下，易被玷污而变脆，稍有振动就会断裂。易被玷污而变脆，稍有振动就会断裂。目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为5050和和l00l00，电阻值与温度，电阻值与温度t t的关系统一列成表格的关系统一列成表格称其为铂电阻的称其为铂电阻的分度表分度表，分度号分别为，分度号分别为Pt100Pt1

8、00和和Pt50Pt50。分度表制表方法为：当在分度表制表方法为：当在200t0200t0时，时，用式用式1 1；而当；而当0t6500t650时，用式时，用式2 2，每隔，每隔11求取一个相应的值，即可制成铂热电阻分度求取一个相应的值，即可制成铂热电阻分度表。表。使用标准分度表时，只要知道热电阻阻值，即使用标准分度表时，只要知道热电阻阻值，即可从分度表中取与对应的温度值。可从分度表中取与对应的温度值。铂电阻分度表铂电阻分度表 上表为上表为PT100PT100在在0 - 199 0 - 199 范围内范围内的分度表：可以看出铂热电阻在的分度表：可以看出铂热电阻在0 -0 - 200 - 200

9、 的温度范围内，具有良好的温的温度范围内，具有良好的温度度- -电阻特性，近似线性关系，因此通常电阻特性，近似线性关系，因此通常计算时可采用近似公式。计算时可采用近似公式。铂热电阻结构铂热电阻结构: :电阻电阻体体, ,引线引线, ,保护套管保护套管（2 2）铜热电阻）铜热电阻)1 (320CtBtAtRRt-50 150 )(1000ttRRt0 优优 点点 （ 1） 易易 提提 纯纯 ； （ 2） 物物 理理 、 化化 学学 特特 性性 稳稳 定定 ； （ 3） 输输 出出 近近 线线 性性 ； （ 4） 价价 格格 低低 廉廉 。 缺缺 点点 （ 1） 电电 阻阻 率率 低低 ； （ 2

10、） 体体 积积 较较 大大 ， 热热 惯惯 性性 较较 大大 ； （ 3） 温温 度度 高高 于于 100 易易 氧氧 化化 。 我国工业用铜热电阻有两种初始电阻值我国工业用铜热电阻有两种初始电阻值 和和 ，分度号分别为，分度号分别为u50和和u100。根。根据式据式2可制成铜热电阻的标准化分度表，可制成铜热电阻的标准化分度表， 0 0R = 50R = 500 0R =100R =100 材材料料 温温度度范范围围 优优 点点 缺缺点点 铟铟电电阻阻 室室温温 4.3K 4.2 15K， 灵灵敏敏度度是是铂铂的的 10 倍倍。 材材料料软软，重重复复性性差差。 锰锰电电阻阻 63 2K （-

11、271 -210 ） 灵灵敏敏度度高高 材材料料脆脆，难难拉拉成成丝丝。 碳碳电电阻阻 -273 -268.5 液液氦氦温温域域 价价格格低低廉廉，对对磁磁场场不不敏敏感感。 热热稳稳定定差差 3 3、热电阻的结构和类型、热电阻的结构和类型（1 1）普通型热电阻）普通型热电阻铠装热电阻的结构较为铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，具套封装成一个整体，具有良好的机械性能，耐有良好的机械性能，耐振动与冲击，有良好的振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀，外径尺有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应寸可以做得很小，反应速度

12、快，适用于安装在速度快，适用于安装在结构复杂的设备上进行结构复杂的设备上进行测温，使用寿命较长。测温，使用寿命较长。(2)(2)铠装热电阻铠装热电阻薄膜热电阻是用真空薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的在陶瓷基体上制成的热电阻，薄膜热电阻热电阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度了灵敏度和响应速度适用于平面物体的表适用于平面物体的表面温度和动态温度的面温度和动态温度的测量。测量。(3)(3)薄膜热电阻薄膜热电阻 利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作状态下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求状

13、态下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，整个测温系统主要由出被测温度，整个测温系统主要由热电阻传感热电阻传感器器、测量电桥测量电桥、显示仪表及连接导线组成。、显示仪表及连接导线组成。由于热电阻的阻值较小由于热电阻的阻值较小( (几欧姆到几十欧姆范几欧姆到几十欧姆范围围) )，热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻，热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制。三线制和四线制。 采用三线制或四线制测量电路，可以克采用三线制或

14、四线制测量电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差。成测量误差。注意：注意：为了避免热电阻中流过电流时产生为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些的电流尽量小些, ,一般要求小于一般要求小于10mA10mA。uA1R2R4RtRrrrE2 24 41 1t t1 1R R ( (R R + +r r) )- - R R r rR R = =R R1 1t t2 24 4R R ( (R R + +r r) )= = R R ( (R R + +r r) )1 12

15、2若若 R R = = R R则2 24 4t t1 1R R R RR R = =R R MMVMVMtIEII)rr(IEIER32 铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器二、热敏电阻二、热敏电阻 NTC二极管封装二极管封装环氧封装、小型化高精度环氧封装、小型化高精度 ； 响应时响应时间快间快 ； 稳定性好稳定性好 根据不同用途有多种封根据不同用途有多种封装结构装结构 ；使用温区宽；使用温区宽 高稳定性、高可靠性高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装根据不同用途有多种封装结构结构 ；使用温区宽；使用温区宽 ；高稳；高稳定性、高可靠性定性、高可靠性 ；为客户；为客户提供多种便捷服务提

16、供多种便捷服务 家用冰箱、空调器家用冰箱、空调器 ；电热水器、整体浴室电热水器、整体浴室 ；冰柜、豆浆机冰柜、豆浆机 环氧封装、小型化、精度高环氧封装、小型化、精度高 ；可靠性高、；可靠性高、响应时间快响应时间快 ；引线采用聚脂漆包线、耐热、；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好绝缘性好 参参 数数 单单 位位 定定 义义 标标称称阻阻值值 RH （冷冷电电阻阻） ( (2 25 50 0. .2 2) )时时测测得得的的阻阻值值。 温温度度系系数数t t 1 1/ / 2 20 0 时时的的电电阻阻温温度度系系数数。 散散热热系系数数 H （耗耗散散系系数数） W W/ / 自自身身发发热热使

17、使温温度度比比环环境境温温度度高高出出 1 1 所所需需要要的的功功率率。 时时间间常常数数 秒秒（s s） 从从温温度度 t t0 0 的的介介质质移移入入温温度度为为t t 的的介介质质中中，温温度度升升高高t t = = 0 0. .6 63 32 2( (t t- -t t0 0) ) 所所需需时时间间。 温度温度电阻电阻CTRNTCPTC TBTAeR TR1 1T T1 12 2T T2 2T T R RT T R R1 1B BT TT T1 1R R= = A Ae e2 2B BT TT T2 2R R= = A Ae e1 11 11 11 1B B( (- -) )T T

18、1 1T TT TT T2 2R R= = e eR R1 1T T1 1B BT TR RA A = =e e1 12 2T T1 12 21 1T T2 2T T T TR RB B = =l ln nT T - -T TR RT T0 00 0B BB BR R = = R R e ex xp p- -T TT T0 0T T0 0R R IU T TT T1 1 d dR R = =R R d dT TB BT TB BT T1 1d d( (A Ae e ) )= =d dT TA Ae e2 2B B= = - -T TT T c co on ns st t. . T TT T：

19、40 S ST TX XR R = = R R + + R RAITRXRETRXRTRXTRR TRXRTRXTRR /TRXRT TX XT TX XR R R RR R = =R R + + R RNTCNTC热敏电阻生产最早、最成熟、使用范围热敏电阻生产最早、最成熟、使用范围也广，它特别适用于也广，它特别适用于-100-100300300之间的之间的温度测量，目前己广泛应用于点温、表面温度测量，目前己广泛应用于点温、表面温度、温差、温度场等测量中，同时也应温度、温差、温度场等测量中，同时也应用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。 （2 2）（）（P

20、TCPTC）热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度特性温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTCPTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度曲线温度曲线T T/ /C C电电阻阻/ /Tp1Tp2Tc=175 CPTCPTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻端，电阻温度曲线上有两个拐点：温度曲

21、线上有两个拐点：T Tp1p1和和T Tp2p2。当当温度低于温度低于T Tp1p1时，温度灵敏度低；当温度升高到时，温度灵敏度低；当温度升高到T Tp1p1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到增大）；当温度升到T Tp2p2时，正温度系数热敏电阻时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度器在工作温度范围内存在温度T Tc c，对应有较大的对应有较大的温度系数温度系数tptp 。PTCPTC热敏电阻主要用于彩电消磁、各种电器设备热敏电阻主要用于彩电消磁、各种电器设备的过载保护、发热源的定温控制，可作限流元件的过载保护、发热

22、源的定温控制，可作限流元件使用。使用。 热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热聚脂塑料封装热敏电阻敏电阻3 3、热敏电阻的应用、热敏电阻的应用其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTCNTC热敏电阻热敏电阻MF58 MF58 型热敏电阻型热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTCPTC热敏电阻热敏电阻贴片式贴片式NTCNTC热敏电阻热敏电阻 MF58型（珠形）型（珠形）高精度负温度系数高精度负温度系数热敏电阻热敏电阻MF5A-3型热敏电阻型热敏电阻非标热敏电阻非标热

23、敏电阻非标热敏电阻非标热敏电阻热敏电阻温度面板热敏电阻温度面板表表 热敏电阻热敏电阻LCD热敏电阻体温表热敏电阻体温表 热敏电阻用于热敏电阻用于CPUCPU的温度测量的温度测量 热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于电热水器的温度控制 AE1R2R1 tR2tRVWR21ttRR 、21RR、0V0V利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系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、风速等可以测量流量、流速、风速等 热电阻式流量计热电阻式流量计热电阻流量计的电原理图热电阻流量计的电原理图两个铂电阻探头两个铂电阻探头R Rt1t1、R Rt2t2，R Rt1t1放在管道中央，

24、它的散放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响热情况受介质流速的影响R Rt2t2放在温度与流体相同，放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小但不受介质流速影响的小的室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平的室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示。当介质流动时，由衡状态，流量计没有指示。当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化电桥失去平衡而有输出，电流计指示直接反化电桥失去平衡而有输出，电流计指示直接反映了流量大小。映了流量大小。 JDtRRABG三线制三线制 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法

25、 工业用热电阻一般采用三线制工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻， R t 热电阻热电阻四线制接法四线制接法 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法 精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法 已知某铜热电阻在已知某铜热电阻在00时的阻值为时的阻值为5050，则其，则其分度号是分度号是 ，对于镍铬，对于镍铬- -镍硅热电偶其正镍硅热电偶其正极是极是 。 CU50CU50镍铬镍铬 利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择 （）（） 型热敏电阻。型热敏电

26、阻。NTCNTC突变突变 热电阻主要是利用电阻随温度升高而热电阻主要是利用电阻随温度升高而 这这一特性来测量温度的。一特性来测量温度的。增大增大 在动圈式表头中的动圈回路中串入由在动圈式表头中的动圈回路中串入由NTCNTC组成组成的电阻补偿网络，其目的是为了的电阻补偿网络，其目的是为了 。温度补偿温度补偿 热电阻测量转换电路采用三线制是为了（）热电阻测量转换电路采用三线制是为了（） A、提高测量灵敏度、提高测量灵敏度 B、减小非线性误差、减小非线性误差 C、提高电磁兼容性、提高电磁兼容性 D、减小引线电阻的、减小引线电阻的影响影响 D 题题1.Pt1001.Pt100和和Cu50Cu50各代表什么传感器？分析各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。接法的主要作用。解：分别代表铂电阻热电式传感器（解：分别代表铂电阻热电式传感器（100100），），铜电阻热电式传感器铜电阻热电式传感器(50). (50). 热电阻传感器热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用是测量电桥之三线、四线连接法的主要作用是消除在