传感器第七章B

1、机械与电子工程学院机械与电子工程学院 请将请将右图各有右图各有关设备关设备正正确地连接确地连接起来，组起来，组成热电偶成热电偶测温、控测温、控温电路。温电路。黄黄绿绿红红L L1 L L2 L L3 接大地铜排接大地铜排接零接零热电偶输出端热电偶输出端电炉电炉交流接交流接触器触器三相三相 空气开关空气开关机械与电子工程学院机械与电子工程学院380V380V线圈的线圈的交流接触器交流接触器连接连接过程过程 当温当温度控制器度控制器测得的温测得的温度达到度达到设设定值时定值时，5-6两端两端开开路路，交流，交流接触器接触器失失电电，电炉，电炉回路被切回路被切断断。接大地铜排接大地铜排黄黄绿绿红红L

2、 L1 L L2 L L3 电炉电炉接零接零“3”端接何处端接何处热电偶热电偶机械与电子工程学院机械与电子工程学院热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。7-2 热电阻传感器热电阻传感器机械与电子工程学院机械与电子工程学院一一. . 热电阻热电阻1.热电阻材料的特点热电阻材料必须具有以下特点：(1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度

3、，减小体积和重量。(2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。(3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.铂、铜热电阻的特性铂、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，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。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、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。n 铂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、标准的主要作为标准

4、电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。传递。n 铜热电阻铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 铂热电阻 目前最好材料铂电阻的精度与铂的提纯程度有关铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 0100)100(RRW百度电阻比百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高，）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，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目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电

5、阻的纯度W（100）为）为1.3871.390。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度当温度t在在200 t 0时：时： )100(1 320ttCtBtARRt当温度当温度t在在0 t 650时：时： 1 20tBtARRt国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）其分度表（给出阻值和温度的关系） 机械与电子工程学院机械与电子工程

6、学院 铜热电阻n应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：50150n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。n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。机械与电子工程学院机械与电子工程学院铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为)1 (0tRRt关系是线性的关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取按国内统一设计取50和和100两种，两种，分度号分别为分度号分别为Cu50和和Cu100

7、，相应的分度表可查阅相关资料。相应的分度表可查阅相关资料。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院二二. . 热电阻的结构热电阻的结构普通工业用热电阻式温度传感器普通工业用热电阻式温度传感器机械与电子工程学院机械与电子工程学院铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图 机械与电子工程学院机械与电子工程学院三、热电阻测温线路 工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表安装在控制室，其问的引线很长，如果仅用两根导线接在安装在控制室，其问的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻的阻值串联在热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻

8、的阻值串联在一起，造成测量误差。如果每根导线的阻值是一起，造成测量误差。如果每根导线的阻值是r，测量结，测量结果中必然含有绝对误差果中必然含有绝对误差2r。实际上这种误差很难修正，因。实际上这种误差很难修正，因为导线阻值为导线阻值r是随其所处环境温度而变的，而环境温度变是随其所处环境温度而变的，而环境温度变化莫测，这就注定了用两线制连接方式不宜在工业热电阻化莫测，这就注定了用两线制连接方式不宜在工业热电阻上应用。上应用。（一）三线制（一）三线制（二）四线制（二）四线制机械与电子工程学院机械与电子工程学院13三线制测量电桥四线制接法机械与电子工程学院机械与电子工程学院 问题1 简述 热敏电阻的主

9、要特点 2 热敏电阻的典型结构 3 热敏电阻的主要材料 7-3 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器机械与电子工程学院机械与电子工程学院1. 1. 标称电阻标称电阻R R2525（冷阻）（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。时的阻值。 二、热敏电阻的基本参数二、热敏电阻的基本参数2. 2. 材料常数材料常数B BNN是表征负温度系数是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能值决定于材料的激活能E,具有具有BN=E2k的函数关系，式中的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般为波尔兹曼常数。一般BN

10、值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。的升高略有增加的。 3. 3. 电阻温度系数（电阻温度系数（t）热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。时电阻值的变化率。4. 4. 耗散系数耗散系数H H热敏电阻器温度变化热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时，当环境温度变化时,H值随之变化值随之变化,其大小与热敏电阻的结构其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态

11、有关。、形状和所处介质的种类及状态有关。 t/R RT机械与电子工程学院机械与电子工程学院6. 6. 最高工作温度最高工作温度T Tmaxmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：度：T0环境温度；环境温度；PE环境温度为环境温度为T0时的额定功率；时的额定功率；H耗散系数耗散系数7. 7. 最低工作温度最低工作温度T Tminmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8. 8. 转变点温度转变点温度T Tc c热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐

12、点温度，主要指正电热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。HPTTE0max5. 5. 时间常数时间常数热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。它与热容量所需的时间。它与热容量C和耗散系数和耗散系数H之间的关系之间的关系HC机械与电子工程学院机械与电子工程学院9. 9. 额定功率额定功率P PE E热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗热敏电阻器在

13、规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下功率。在此功率下,它自身温度不应超过它自身温度不应超过Tmax。10. 10. 测量功率测量功率P P0 0热敏电阻器在规定的环境温度下热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过阻值变化不超过0.1时所消耗的功率时所消耗的功率11. 11. 工作点电阻工作点电阻R RG G在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。自热而达到某一给定的电阻值。 12. 12. 工作点耗散功率工作点耗散功率P

14、PG G电阻值达到电阻值达到RG时所消耗的功率。时所消耗的功率。UG电阻器达到热平衡时的端电压。电阻器达到热平衡时的端电压。GGGRUP2机械与电子工程学院机械与电子工程学院（一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT） 1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC三、热敏电阻器主要特性TT与RTT特性曲线一致。机械与电子工程学院机械与电子工程学院RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成

15、的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。 1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性011exp0TTBRRNTTNTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：0ln11ln0TNTRTTBR如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN ，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。机械与电子工程学院机械与电子工程学院105104103102 0 -101030507085100120T/C电阻/NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特

16、性，在实际应用中比较方便。机械与电子工程学院机械与电子工程学院为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：29811exp25TBRRNTRT/R25BN关系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲线RT/R25T机械与电子工程学院机械与电子工程学院RTR25BN系数表系数表RTR25BNR50R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.273

17、3.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R25机械与电子工程学院机械与电子工程学

18、院2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻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=12.2PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175 C机械与电子工程学院机械与电子工程学院PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1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Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范

19、围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp 。 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。机械与电子工程学院机械与电子工程学院 ）可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp ，正好等于它的材料常数BP的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线lnRr

20、TPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp机械与电子工程学院机械与电子工程学院 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（U UI I）热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。功率相等）时的互相关系。1. 1.负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态UI曲线。热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：0000exp11expTTTBIRTTBIRIRUNNTTT0环境温度