机械工程测试技术——第三章

1、第三章：第三章：热电阻式传热电阻式传感器感器石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室机械工程测试技术机械工程测试技术TM第三章第三章 热电阻式传感器热电阻式传感器内容提示：内容提示：3.1 3.1 温标及测温方法温标及测温方法3.2 3.2 金属热电阻传感器金属热电阻传感器3.3 3.3 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器3.4 3.4 集成式温度传感器集成式温度传感器TM3.1 3.1 温标及测温方法温标及测温方法3.1.1 温度的基本概念温度的基本概念温度是反映

2、物体冷热状态的物理参数，它反温度是反映物体冷热状态的物理参数，它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。表示衡量温度高低的标准，这个标准尺度称表示衡量温度高低的标准，这个标准尺度称温标。温标。TM3.1 3.1 温标及测温方法温标及测温方法3.1.2 温标温标温标的概念：用来衡量温度高低的标准尺度温标的概念：用来衡量温度高低的标准尺度常用温标常用温标经验温标经验温标摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标列式温标列式温标三者间的转换三者间的转换热力学温标热力学温标国际实用温标国际实用温标RFC453295TM3.1 3.1 温标及测温方法温标及测温方法3.1.3

3、温度检测的主要方法及分类温度检测的主要方法及分类 温度检测方法一般可分为两大类，即温度检测方法一般可分为两大类，即接触接触测量法测量法和和非接触测量法非接触测量法。 其中，其中，接触测量法接触测量法是测温敏感元件直接与是测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分的热交换，使两者具有同一温度，达到行充分的热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的。测量的目的。 由于被测物体的热量传递给传感器，降低由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采

4、用这种方式要测得时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。量要足够大。TM3.1 3.1 温标及测温方法温标及测温方法 非接触测量法非接触测量法是利用物质的是利用物质的热辐射热辐射原理，原理，测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和测温敏感元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到测量目的。对流实现热交换，达到测量目的。 其制造成本较高，测量精度却较低。优点其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不

5、会产生消耗；反应对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。快等。TM3.1 3.1 温标及测温方法温标及测温方法3.1.4 各温度段所使用的标准仪器各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）铂电阻温度计（铂电阻温度计（273.15K903.89K）铂铑铂铑-铂热电偶温度计（铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）光测温度计（光测温度计（1337.58K以上）以上）TM3.2 3.2 金属热电阻传感器金属热电阻传感器 金属热电阻传感器主要是利用温度变化时金属热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的原理进行温度测量，这传感器电阻

6、发生变化的原理进行温度测量，这种温度传感器在常温和低温区具有非常高的灵种温度传感器在常温和低温区具有非常高的灵敏度，其阻值与被测温度具有敏度，其阻值与被测温度具有极佳的线性关系极佳的线性关系（温度升高，阻值增加温度升高，阻值增加）。）。TM3.2 3.2 金属热电阻传感器金属热电阻传感器3.2.1 热电阻的类型热电阻的类型 理论上讲，任何金属都可作为热电阻传感器，但理论上讲，任何金属都可作为热电阻传感器，但实际应用时存在以下要求：实际应用时存在以下要求：温度系数值要大，热电阻的灵敏度就越高温度系数值要大，热电阻的灵敏度就越高在测量范围内，其材料的物理、化学性质应稳定，在测量范围内，其材料的物理

7、、化学性质应稳定，以保持电阻基值的稳定性以保持电阻基值的稳定性在测量范围内，电阻温度系数要保持常数，以确保在测量范围内，电阻温度系数要保持常数，以确保输入输入输出线性，提高测量精度输出线性，提高测量精度具有较高的电阻率具有较高的电阻率, ,采用较高电阻率的感温材料，采用较高电阻率的感温材料，可以减少热电阻体积和热惯性可以减少热电阻体积和热惯性材料容易提纯，确保较好的复制性。材料容易提纯，确保较好的复制性。目前较为广泛应用的热电阻材料是目前较为广泛应用的热电阻材料是铂铂、铜和镍铜和镍。TM3.2 3.2 金属热电阻传感器金属热电阻传感器TM3.2.1 热电阻的类型热电阻的类型铂电阻铂电阻在在-2

8、000范围内，铂电阻的电阻值范围内，铂电阻的电阻值Rt与温度与温度t的的关系为：关系为：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t2在在0850范围内，范围内，Rt与温度与温度t的关系为：的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2) 其中其中 Rt温度为温度为t时铂电阻的电阻值；时铂电阻的电阻值； R00时铂电阻的电阻值；时铂电阻的电阻值； A、B、C分别为常数，其数值为：分别为常数，其数值为： A=3.9080210-3 B=-5.80210-7 C=4.2735010-12TM3.2.1 热电阻的类型热电阻的类型铜电阻铜电阻 铜热电阻在铜热电阻在-50-50150150的使用范围内的使用范

9、围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可表其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可表示为：示为： 式中，式中，Rt温度为温度为t t时的阻值时的阻值 R0温度为温度为00时的阻值时的阻值 铜电阻的电阻温度系数铜电阻的电阻温度系数tRRt10TM3.2.1 热电阻的类型热电阻的类型镍电阻镍电阻 镍电阻的使用范围为：镍电阻的使用范围为：-60-60250250，与铂电阻和铜电阻相比，在使用范围内其电与铂电阻和铜电阻相比，在使用范围内其电阻值与温度的线性关系稍差。阻值与温度的线性关系稍差。TM3.2.1 热电阻的类型热电阻的类型分度值分度值Pt100、Pt1000、Cu50、Ni100等等TM3.2.1

10、 热电阻的类型热电阻的类型TM3.2.23.2.2热电阻的结构热电阻的结构绕组式绕组式将铂丝绕组密封在瓷棒的空腔内的将铂丝绕组密封在瓷棒的空腔内的一种结构一种结构空腔内松散填充氧化铝或氧化镁粉末，在不影响铂空腔内松散填充氧化铝或氧化镁粉末，在不影响铂丝延展性的前提下，保护铂丝并改善导热性能丝延展性的前提下，保护铂丝并改善导热性能瓷棒的两端以玻璃材料进行密封瓷棒的两端以玻璃材料进行密封整个传感器的直径最小可达到整个传感器的直径最小可达到0.9mm，长度最短为，长度最短为7mm这种封装结构可以保证铂丝在瓷棒内的延展性，但这种封装结构可以保证铂丝在瓷棒内的延展性，但热响应速度较慢热响应速度较慢可在可

11、在-200-200 +800+800范围内使用范围内使用30m100mTM3.2.23.2.2热电阻的结构热电阻的结构绕线式绕线式将铂丝缠绕（双层）在玻璃棒上，将铂丝缠绕（双层）在玻璃棒上，并以玻璃材料进行外部封装的一种结构。并以玻璃材料进行外部封装的一种结构。由于铂丝完全被玻璃材料围绕，因此传感器抗冲击由于铂丝完全被玻璃材料围绕，因此传感器抗冲击和震动的性能较好和震动的性能较好整个传感器的直径最小可达到整个传感器的直径最小可达到0.9mm，长度最短为，长度最短为7mm外部不需要额外进行封装，热响应速度快外部不需要额外进行封装，热响应速度快可在可在-200-200 +400+400范围内使用范

12、围内使用TM3.2.23.2.2热电阻的结构热电阻的结构箔片式箔片式箔片式是将铂丝粘接在两层聚酰胺箔片式是将铂丝粘接在两层聚酰胺( (俗称尼龙俗称尼龙) )薄膜间的一种结构。薄膜间的一种结构。厚度仅为厚度仅为0.17mm0.17mm，具有极佳的柔韧性，可粘敷在管，具有极佳的柔韧性，可粘敷在管道表面或者嵌入绕组中进行温度测量道表面或者嵌入绕组中进行温度测量可在可在-80-80 +230+230范围内使用范围内使用TM3.2.23.2.2热电阻的结构热电阻的结构薄片式薄片式薄片式是将一薄层的铂沉积（厚度薄片式是将一薄层的铂沉积（厚度仅为仅为1 1m）在陶瓷基底上，并利用玻璃或环氧）在陶瓷基底上，并

13、利用玻璃或环氧树脂进行密封、绝缘的一种结构。树脂进行密封、绝缘的一种结构。热响应速度要优于绕线式热响应速度要优于绕线式价格低廉价格低廉热响应速度快，且热容小热响应速度快，且热容小可在可在-50-50 +400+400范围内使用范围内使用TM3.2.23.2.2热电阻的结构热电阻的结构TM3.2.33.2.3热电阻的测量电路热电阻的测量电路两线制两线制TM3.2.33.2.3热电阻的测量电路热电阻的测量电路四线制四线制TM3.2.33.2.3热电阻的测量电路热电阻的测量电路自热现象自热现象 铂电阻传感器属于电阻型器件，在实铂电阻传感器属于电阻型器件，在实际工作中，需要有际工作中，需要有激励电流激

14、励电流流过铂电阻方流过铂电阻方可获得端电压。但这个激励电流在使铂电可获得端电压。但这个激励电流在使铂电阻处于工作状态的同时，也会引起铂电阻阻处于工作状态的同时，也会引起铂电阻的自热现象，这会引入误差。因此，在满的自热现象，这会引入误差。因此，在满足测量需要的前提下，应尽量减小激励电足测量需要的前提下，应尽量减小激励电流，或者仅在需要测量时再施加激励电流。流，或者仅在需要测量时再施加激励电流。TM3.2.33.2.3热电阻的测量电路热电阻的测量电路温度变送器温度变送器TM3.2.33.2.3热电阻的测量电路热电阻的测量电路电流输出式（电流输出式（4 420mA20mA）温度变送器接法）温度变送器

15、接法TM3.2.33.2.3热电阻的测量电路热电阻的测量电路电压输出型温度变送器接法电压输出型温度变送器接法TM关于金属热电阻传感器关于金属热电阻传感器18711871年，年，William SiemensWilliam Siemens发现了铂电阻发现了铂电阻的阻值与温度的变化之间的线性关系。的阻值与温度的变化之间的线性关系。1823-1883 TM18871887年，英国科学家年，英国科学家Hugh CallendarHugh Callendar推出推出了一款具有相当精度的铂电阻传感器，并了一款具有相当精度的铂电阻传感器，并发表了一篇关于如何应用铂电阻传感器进发表了一篇关于如何应用铂电阻传感

16、器进行温度测量的文章。行温度测量的文章。1863-1930 TM3.33.3半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器 热敏电阻是利用一些热敏电阻是利用一些金属氧化物金属氧化物（半（半导体）按一定的比例混合压制和烧结而成导体）按一定的比例混合压制和烧结而成的固态感温器件，利用其电阻率随温度变的固态感温器件，利用其电阻率随温度变化而变化的特性来测量温度。化而变化的特性来测量温度。 TM3.3.13.3.1热敏电阻的类型及特性热敏电阻的类型及特性温度特性温度特性 热敏电阻按照其温度系数可分为负温热敏电阻按照其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（度系数热敏电阻（NTCNTC）、正温度系数热）、正温度系数

17、热敏电阻（敏电阻（PTCPTC）和临界温度系数热敏电阻）和临界温度系数热敏电阻（CTRCTR）。）。TM3.3.13.3.1热敏电阻的类型及特性热敏电阻的类型及特性NTC热敏电阻热敏电阻 在测温范围内，在测温范围内，NTC的阻值随温度的升高的阻值随温度的升高而降低。而降低。 NTC热敏电阻的温度热敏电阻的温度- -阻值关系：阻值关系：利用温度利用温度- -阻值表和阻值表和Steinhart-Hart公式公式1/TT=a+bln(RT)+cln(RT)3 其中其中T TT T为被测开氏温度、为被测开氏温度、RT为为NTC热敏电阻的当前阻值、热敏电阻的当前阻值、a、b、c为常数，为常数，可通过厂商

18、给出的温度可通过厂商给出的温度-阻值表求出。阻值表求出。Steinhart-Hart公式在公式在NTC热敏电阻的工作温度范围内非常准热敏电阻的工作温度范围内非常准确，在确，在-30125范围内，该公式所引入的拟合误范围内，该公式所引入的拟合误差不超过差不超过0.1。TM3.3.13.3.1热敏电阻的类型及特性热敏电阻的类型及特性利用温度利用温度- -阻值特性公式阻值特性公式RT = R25 exp( /TT - /T25 )，某些厂商未给出温度，某些厂商未给出温度-阻阻值表，但给出了在值表，但给出了在25下该下该NTC热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值R25（又被称为额定零功率电阻），以及热敏电阻温

19、度（又被称为额定零功率电阻），以及热敏电阻温度常数常数，利用这些常数，通过上式便可求出在指定，利用这些常数，通过上式便可求出在指定温度（温度（开氏温度开氏温度）下的阻值。）下的阻值。TM3.3.13.3.1热敏电阻的类型及特性热敏电阻的类型及特性PTC热敏电阻热敏电阻 在测温范围内，在测温范围内，PTC的阻值随温度的升高而的阻值随温度的升高而增加。增加。TC为居里温度为居里温度TM3.3.13.3.1热敏电阻的类型及特性热敏电阻的类型及特性CTRCTR热敏电阻热敏电阻 在临界温度附近电阻值随温度的增加而急在临界温度附近电阻值随温度的增加而急剧下降。剧下降。 由于后两者在温度达到居里温度后，其阻

20、由于后两者在温度达到居里温度后，其阻值后陡然增加，因此很少被用于温度测量，而值后陡然增加，因此很少被用于温度测量，而多被用于过流保护等场合。多被用于过流保护等场合。TM3.3.13.3.1热敏电阻的类型及特性热敏电阻的类型及特性伏安特性伏安特性 静态情况下热敏电阻上的端电压与通静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。性。 TM3.3.23.3.2热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数标称电阻值标称电阻值耗散系数耗散系数电阻温度系数电阻温度系数热容量热容量时间常数时间常数TM3.3.33.3.3热敏电阻的特点热敏电阻的特点灵敏度高

21、。半导体的电阻温度系数比金属大，灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大，这就意味着引线失衡所引起的误差可以忽略不这就意味着引线失衡所引起的误差可以忽略不计，因此可用于远距离测量，并可大大降低对计，因此可用于远距离测量，并可大大降低对仪表的要求仪表的要求体积小、热惯性小、结构简单，可根据应用场体积小、热惯性小、结构简单，可根据应用场合制成各种形状合制成各种形状化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，寿命化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，寿命长长复现性和互换性差，非线性严重，测温范围窄，复现性和互换性差，非线性严重，测温范围窄，目前只能达到目前只能达到- -50+300TM3.3.43.3.4热敏电

22、阻的应用热敏电阻的应用温度测量温度测量温度补偿温度补偿温度控制温度控制过热保护过热保护TM热敏电阻的形式热敏电阻的形式非标式非标式TM热敏电阻的形式热敏电阻的形式TM热敏电阻的形式热敏电阻的形式PTCPTC保护用热敏电阻的外观保护用热敏电阻的外观TM热敏电阻的形式热敏电阻的形式加热用加热用PTCPTC热敏电阻热敏电阻TM关于热敏电阻关于热敏电阻实际上，实际上，Steinhart-HartSteinhart-Hart模式已经是一种进行模式已经是一种进行热敏电阻标定的工业标准。但考虑到利用该模热敏电阻标定的工业标准。但考虑到利用该模型进行标定时至少需要三个温度点，因此，当型进行标定时至少需要三个温度点，因此，当要求精度不高，成本敏感或者应用温度范围较要求精度不高，成本敏感或者应用温度范围较窄时，通常会考虑其他的模型。窄时，通常会考虑其他的模型。TM关于热敏电阻关于热敏电阻高精度、快速响应的封装形式高精度、快速响应的封装形式TM3.4 3.4 集成式温度传感器集成式温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管PNPN结的结的电流、电