自动检测与转换技术-第二章专题-热电阻

1、自动检测与转换技术专题：热电偶物理及电子工程学院 杨恒Tel:-mail: 一、热电阻测温原理及特点一、热电阻测温原理及特点 1) 原理：通过测阻值变化反应温度。2）分类：电阻是测量温度的敏感元件，包括金属导体和半导体两种。3）测温范围：200+5000C优点：优点：准确度高。准确度高。灵敏度高。中低温下（灵敏度高。中低温下（5000C以下），输出信号比热电偶大。以下），输出信号比热电偶大。输出电信号输出电信号, 便于远传和切换。便于远传和切换。缺点：缺点：不能测量太高温度。不能测量太高温度。热惯性大。热惯性大。只能测量平均温度。只能测量平均温度。需要外供电源，连接导

2、线产生测量误差。需要外供电源，连接导线产生测量误差。二、标准化热电阻二、标准化热电阻测温热电阻材料必须满足：1）电阻温度系数大 电阻系数：温度变化1 0C时电阻值的相对变化量2）在测温范围内物理及化学性质稳定。3）有较大的电阻率。（电阻体积小）。4）线性度好。5）复现性好，6）价格便宜。 工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁难提纯，我国目前只生产难提纯，我国目前只生产铂、铜、镍铂、铜、镍dtdRRdtRdR110000100RRR1、铂电阻 特点：稳定性好、准确度高、性能可靠。 原因：铂在氧化气体、甚至高温下物理、化学性质非常稳定,铂电阻的输出 输入特性

3、接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。 测温范围：-200850 0C 应用：广泛应用于工业和实验室中 注意：铂在还原性气体尤其在高温还原性气体中，容易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。因此必须用保护套管把电阻体与有害气体隔离。 热电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。电阻丝在支架上绕制，由玻璃或陶瓷作外保护层，防止有害气体腐蚀和氧化。绕制中采用中间对折双绕方式，避免感应电动势。热电阻实用结构工业用热电阻温度计的

4、分度公式和分度号 工业用铂电阻温度计工业用铂电阻温度计 v -2000v 0850230(1(100) )tRRAtBtC tt201tRRAtBt其中：其中：A=3.9083*10-13/ B=-5.775*10-7/ C=-4.183*10-12/国产标准化工业国产标准化工业铂电阻的分度号：铂电阻的分度号：Pt10和和Pt100。例例: （热电阻测量桥路）（热电阻测量桥路）热电阻型传感器热电阻型传感器Rt的输出的输出信号为热电阻值的变化。信号为热电阻值的变化。为便于处理，通常需设计为便于处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被测一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转温度变化的热电阻阻值转

5、换成电压信号换成电压信号使用时的注意事项使用时的注意事项 1 自热误差 电阻消耗电功率，造成电阻值的变化。使用中要尽量减小由于电阻器通电产生的自热引起的误差。限制电流=6mA 2 引线电阻的影响 金属电阻其本身电阻较小，引线电阻值及其变化不能忽略。引线采用三线式或四线三线式或四线式接法式接法。 特点：电阻值与温度关系几乎线性，电阻温度系数较大，材料易提纯，价格较便宜。 测温范围：50150 0C 应用范围：测量准确度要求不是很高，温度较低的场合。 缺点：250 0C以上容易氧化，故只能在低温及没有腐蚀的介质中应用，铜的电阻率较小，=0.017.mm2/m，铜的热电阻体积较大。国产标准化工业国产

6、标准化工业铜铜电阻的分度号：电阻的分度号：Cu50和和Cu100。20(1(100)(100)tRRtt ttt=4.28*10-3/；=-9.31=-9.31* *1010-8-8C C-2-2; ;=1.23=1.23* *1010-9-9C C-3-3铜电阻温度计铜电阻温度计2 、铜电阻、铜电阻薄膜型及普通型铂热电阻 汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻铂电阻温度显示、变送器0200400600800-2001234CuPtNit/价格便宜，线性程度好，但温度高易于氧化。精度高、稳定性好、性能可靠、耐氧化能力强、测温范围宽。但电阻温度系数比较小，电阻值与温度之间呈非线性关系，且价格

7、较贵。 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。化而显著变化的特性实现测温的。 半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多，灵敏度比热电阻高得多，故动态特性好故动态特性好。而且。而且体体积可以做得很小积可以做得很小，特别适于在，特别适于在-50-50300300之间之间测温。测温。热敏电阻的缺点是其热电特性是非线性的。热敏电阻的缺点是其热电特性是非线性的。三、半导体热敏电阻三、半导体热敏电阻/,B TTRAeA B其中是取决于半导体材料和结构的常数1717热敏电阻主要有三种类

8、型热敏电阻主要有三种类型正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC) 临界温度系数临界温度系数(CTR)各种电器设备的各种电器设备的过热保护，过热保护， 发热源的定温发热源的定温控制，限流元件。控制，限流元件。点温、表面温度、温差、点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路电子线路的热补偿线路温度开关温度开关NTCNTC热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值- -温度关系为：温度关系为：T0011R R expB- T TNTCNTC热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻 温度特性温度特性B B 为热敏电阻的材料常数，一般为热敏电阻的材料常数，一般B B 为

9、为20006000K20006000K，高温下高温下B B 将增大。将增大。这种测温电阻灵敏度高，这种测温电阻灵敏度高，R0R0常用范围是几百欧到一常用范围是几百欧到一百千欧，测温电阻引线电阻影响小，可忽略。百千欧，测温电阻引线电阻影响小，可忽略。(273+25)KNTCNTC型热敏电阻的温度系数型热敏电阻的温度系数 /21B TTTTTRAedRBRdTT 电阻温度系数并非常数；低温段电阻温度系数并非常数；低温段比高温段要更灵敏；温度系数为比高温段要更灵敏；温度系数为负数。负数。 NTC型热敏电阻主要由锰、铁、型热敏电阻主要由锰、铁、镍、钴、钛、钼、镁等复合氧化镍、钴、钛、钼、镁等复合氧化物

10、高温烧结而成，通过不同的材物高温烧结而成，通过不同的材质组合，能得到不同的电阻值质组合，能得到不同的电阻值R0及不同的温度特性。及不同的温度特性。 优点：优点： 灵敏度高。灵敏度高。一般来说，是金属热电阻的十多倍，一般来说，是金属热电阻的十多倍，因此，可大大降低显示仪表的精度要求；因此，可大大降低显示仪表的精度要求；电阻值高。电阻值高。半导体热敏电阻在常温下的阻值很大，半导体热敏电阻在常温下的阻值很大，通常在数通常在数K上，这样引线电阻几乎对测温没有影上，这样引线电阻几乎对测温没有影响；响；体积小，热惯性也小体积小，热惯性也小，时间常数通常在，时间常数通常在0.53s；结构简单，价格低廉，化学

11、稳定性好，使用寿命结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿命长。长。缺点缺点：非线性严重；温度测量范围有一定限制，只：非线性严重；温度测量范围有一定限制，只能达到能达到-50300左右。左右。 一、热敏电阻的结构一、热敏电阻的结构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（CoCo）、锰（）、锰（MnMn）、）、镍（镍（NiNi）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形再经高温入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形再经高温烧结而成。其形状有烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状珠状、

12、片状、杆状、垫圈状等。等。（b b）片状）片状（c c）杆状）杆状（d d）垫圈状）垫圈状热敏电阻的结构类型热敏电阻的结构类型（a a）珠状）珠状玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线工业测量主要用珠形。 将珠形热敏电阻烧结在两根铂丝上，外面涂敷玻璃层，并用杜美丝与铂丝相接引出，外面再用玻璃管作保护套管，保护套管外径在3-5mm之间，若把热敏电阻配上不平衡电桥和指示仪表，则成为半导体点温度计。热敏电阻的外形、结构及符号热敏电阻的外形、结构及符号a a）圆片型热敏电阻）圆片型热敏电阻 b b）柱型热敏电阻）柱型热敏电阻 c c）珠型热敏电阻）珠型热敏电阻 d d）铠装）铠装型型 f f）图形符号）

13、图形符号1 1热敏电阻热敏电阻 2 2玻璃外壳玻璃外壳 3 3引出线引出线 4 4紫铜外壳紫铜外壳 5 5传热安装孔传热安装孔 聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻MF12MF12型型NTCNTC热敏电阻热敏电阻珠型贴片式贴片式NTCNTC热敏电阻热敏电阻玻璃玻璃2828热敏电阻用于热水器的温度控制热敏电阻用于热水器的温度控制热敏电阻温度面板表 热敏电阻LCD热敏电阻用于热敏电阻用于CPUCPU温度测量温度测量热敏电阻体温表 3 测温范围：-100+3000C4 特点：与金属热电阻相比1）优点：（1）灵敏度高。（2）电阻率很大，体积很小，连接导线电阻变化的影响可忽略。（3）结构简单，可测量

14、点的温度。（4）热惯性小，响应快。2 2）缺点）缺点（1）互换性差）互换性差（2）电阻和温度的关系不稳定，随时间变化）电阻和温度的关系不稳定，随时间变化四、工业用四、工业用热电阻热电阻的结构的结构一 结构 由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成1） 绝缘骨架作用：缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。 它的质量影响技术指标。目前常用的材料: 云母,玻璃,石英,陶瓷,塑料(1)云母骨架热电阻云母骨架热电阻(2)玻璃骨架热电阻玻璃骨架热电阻(3)陶瓷骨架热电阻陶瓷骨架热电阻(4)塑料骨架热电阻塑料骨架热电阻2） 热电阻体（1）云母骨架热电阻：用直径为0.03-0.07 mm 的铂丝，采

15、用双线无感绕制法绕在锯齿形云母骨架上，两面再各加云母片绝缘，外面用铆钉及陶瓷卡件夹持而成。在装入保护套管时，云母骨架热电阻体的两面各绑一个完成半圆形的弹簧片，它的作用是把电阻体固定在保护套管中间，这样即可增加抗震及抗冲击性能，又可加强热传导，减小测温后的之后和自热影响丝。使用温度500 0C以下。3 ）引出线 定义：由热电阻体至接线端子的连接导线称为引出线。 问题：引出线有电阻值，影响测量精度。 解决方法： （1）选择特定材料 内引出线要选用纯度高，与电阻丝、接线端子之间产生的热电势小，而且在最高使用温度下不挥发、抗氧化、不变质的材料。工业用铂电阻用银丝作引出线，高温下用镍丝作引出线。铜和镍电

16、阻可用铜丝和镍丝作引出线。引出线的直径比电阻丝的直径大得多，这样可减少引出线电阻。国产热电阻有二线制，三线制，四线制。1）两线制：在热电阻的电阻丝两端各连接一根导线的引出线方式。这种热电阻测温时都存在引出线电阻变化产生的附加误差。 2) 三线制：在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线。测温时它可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制电阻。（2）接线方式见教材）接线方式见教材p44,p45热电阻接入结构一: 二线制 热电阻位于热温现场，而仪表显示或变送位于远离现场的部分，两者之间的连线电阻会对热电阻精度构成影响。理想值 r的影响不容忽视。误差)(tREIt实际值 r

17、tREIt)(rtRIIIt)(11电桥平衡时：1342()()tRRR RR RR4213tRRRRRRR（）-3421tRRRRRR当时，与 无关2)2)热电阻接入结构二: 三线制三线制：在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线。测温时三线制：在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线。测温时它可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制电阻。它可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制电阻。3)四线制:在热电阻体的电阻丝两端各连出两根引出线。测温时，它不仅可以消除引出线电阻的影响，还可以消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响。四线制多用在

18、标准铂电阻的引出线上。 2、 铠装热电阻铠装热电阻1)工艺：将电阻体（感温元件)焊到由金属保护套管，绝缘材料和金属导线三者拉伸而成的细管导线上形成的，然后再外面再焊一段短管做保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头。2）优点：）优点：（1) 尺寸小，响应速度快。尺寸小，响应速度快。（2）机械性能好，耐震动和冲击。）机械性能好，耐震动和冲击。（3）除感温元件外，其它部分可弯曲，适合复杂结除感温元件外，其它部分可弯曲，适合复杂结构。构。（4) 不易侵蚀，寿命长不易侵蚀，寿命长3、 膜式铂电阻 厚膜和薄膜。1）.厚膜铂电阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。由于铂膜很薄，又在陶

19、瓷基片上，所以测温响应时间很小，约0.1s。2）.薄膜铂电阻则是利用真空镀膜的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，其形状和厚膜差不多，只是尺寸更小，响应时间更短。热电热电阻阻名称名称代代号号分分度度号号R0R100/R0测量测量范围范围基本误差基本误差公称公称值值允许允许误差误差名义名义值值允许允许误差误差温度温度范围范围（）允许允许值值（）铜热铜热电阻电阻WZCCu50Cu100500.051.4280.002-50150-501501000.1铂热铂热电阻电阻WZPPt10Pt10010A级级0.006B级级0.0121.3850.001-200850-200850100A级级0.006B级级0

20、.012镍热镍热电阻电阻WZNNi100Ni300Ni5001003005000.10.20.31.6170.003-60180-6000180五、热电阻阻值测量五、热电阻阻值测量 1、平衡电桥1）手动平衡电桥2）自动平衡电桥 2、不平衡电桥六、热电阻多路温度检测通道1、恒流驱动法2、电桥测量法七、热电阻温度计的应用 误差分析 1）动态误差-热平衡后测量 2）连线电阻引起的误差-三线，四线制 3）热电阻通电发热引起的误差-I=6mA 4）机械力引起的误差-冲击，振动，内应力 5）氧化带来的误差-高温氧化 6）淬火效应的误差-高温快速冷却，内应力一、集成温度传感器一、集成温度传感器 集成温度传感

21、器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流结的电流电压特性与温度的关系，把敏感元件、放电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化封装在大电路和补偿电路等部分集成化封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它除了与半导体热敏电阻一样有体积小、它除了与半导体热敏电阻一样有体积小、反应快的优点外，还具有反应快的优点外，还具有线性好、性能高、线性好、性能高、价格低等特点。价格低等特点。新型温度传感器新型温度传感器 集成温度传感器（温度集成温度传感器（温度IC）将温度敏感）将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子元件和放大、运算

22、和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能的测温传感器。性能的测温传感器。4848 PN结的结的 温度特性温度特性 二极管的正向二极管的正向电压降电压降UD以以 -2mV/ 变化变化 集成温度传感器的测温原理集成温度传感器的测温原理VI 集成温度传感器从集成温度传感器从8080年代进入市场，由年代进入市场，由于它有线性度好、精度适中、灵敏度高、体积于它有线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用简便等优点，得到广泛地使用。小、使用简便等优点，得到广泛地使用。

23、它的输出形式分为电压型和电流型两种。它的输出形式分为电压型和电流型两种。 电压型的灵敏度一般为电压型的灵敏度一般为10mV/10mV/； 电流型的灵敏度为电流型的灵敏度为luA/kluA/k。AD590AD590绝对零度时输出电量为零，利用这一特性，可绝对零度时输出电量为零，利用这一特性，可以容易地测量绝对温度值。以容易地测量绝对温度值。1、电流型温度传感器、电流型温度传感器 1）AD590外型、电路符号和引脚. 2）主要特性和应用(P49) 电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出的电流作为输出,AD590,AD590是电流输

24、出型温度传感器的的典型是电流输出型温度传感器的的典型产品产品. .5252在电脑中在电脑中, ,集成温度传感器集成温度传感器用于用于CPUCPU散热保护电路散热保护电路AD590是一种电流型温度传感器，它的输出是一种电流型温度传感器，它的输出电流与温度成正比。电流与温度成正比。AD590适用于适用于-55150的温度测量范围，其供电电压的温度测量范围，其供电电压为为+4V30V,温度与电流的关系可用下式温度与电流的关系可用下式表示表示: I=T,其中其中I表示电流表示电流,单位为单位为uA；T表示绝对温度，表示绝对温度，单位为单位为K。2、电压型温度传感器电压型温度传感器 LM35 LM35外型、电路符号和引脚p70. 2）内部电路 3）主要特性和应用 LM35灵敏度为10mv/0c