热电阻式传感器工作原理.ppt

1、,7.2 热电阻式传感器,7.2.1 金属热电阻 7.2.2 半导体热敏电阻 7.2.3 热电阻式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,7.2.1 金属热电阻,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒 作为热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜,上一页,下一页,返 回,1. 常用热电阻, 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。

2、 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50150。,上一页,下一页,返 回, 铂热电阻 目前最好材料,长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）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，W（100）1.3925 目前技术水平已达到W（100）1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,上一页,下一页,返 回,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时：,当温度t在0 t 650时：,国内统一设计的工业用标准

3、铂电阻，W（100）1.391， R0分为10和100两种，分度号分别为Pt10和Pt100， 其分度表给出阻值和温度的关系.,上一页,下一页,返 回, 铜热电阻,应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150 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。 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。,上一页,下一页,返 回,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,关系是线性的,工业上使用的标准化铜热电阻的R0 按国内统一设计取50和100两种， 分度号分

4、别为Cu50和Cu100， 相应的分度表可查阅相关资料。,上一页,下一页,返 回,2. 热电阻的结构,上一页,下一页,返 回,普通工业用热电阻式温度传感器,铜热电阻结构示意图,铂热电阻结构示意图,上一页,下一页,返 回,7.2.2 半导体热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,上一页,下一页,返 回,热敏电阻分类：,正温度系数(PTC)

5、 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR),热敏电阻典型特性,上一页,下一页,返 回,PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。 CTR热敏电阻负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。,上一页,下一页,返 回,NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物 混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路,NTC热敏电阻,1. 热敏电阻的主要特性 2. 热敏电阻的结构 3. 热敏

6、电阻的主要参数 4. 热敏电阻的线性化,上一页,下一页,返 回,1. 热敏电阻的主要特性, 温度特性 伏安特性,上一页,下一页,返 回, 温度特性,NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性,式中 RT , R0热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值； T0, T 介质的起始温度和变化温度（K）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（）； B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。,上一页,下一页,返 回,若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。 一般取20和100时的电阻R20 和R100计算B值， 即将T=373K，T0=293K代入上

7、式，则,将B值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性:,上一页,下一页,返 回,B和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。,热敏电阻的电阻温度系数,热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量,上一页,下一页,返 回, 伏安特性,在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系，,上一页,下一页,返 回,伏安特性,当流过热敏电阻的电流很小时: 不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。 当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。

8、因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。,上一页,下一页,返 回,2. 热敏电阻的结构,构成：热敏探头、引线、壳体 二端和三端器件： 为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率； 四端器件：旁热式,上一页,下一页,返 回,热敏电阻的结构形式,上一页,下一页,返 回,3. 热敏电阻的主要参数, 标称电阻值RH 在环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。 耗散系数H 指热敏电阻

9、的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J；,上一页,下一页,返 回, 能量灵敏度G （W） 使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。 额定功率PE 在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。,上一页,下一页,返 回,4. 热敏电阻的线性化,上一页,下一页,返 回,串联在热敏电阻中的

10、R的最佳值,7.2.3 热电阻式传感器的应用,1、金属热电阻传感器 200+500范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。 2、半导体热敏电阻传感器 应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。,上一页,下一页,返 回,1、金属热电阻传感器,工业广泛使用，200+500范围温度测量。 在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000。 温度测量的特点：精度高、适于测低温。 传感器的测量电路：经常使用电桥 精度较高的是自动电桥。 为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连

11、接法。,上一页,下一页,返 回,三线制,热电阻测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制,G检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻， R a零位调节电阻， R t 热电阻,上一页,下一页,返 回,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,上一页,下一页,返 回,铂测温电阻传感器,铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、 难于测定狭窄位置的温度。 现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。 主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽,上一页,下一页,返 回,金属丝热电阻作为气体传感器的应用,1连通玻璃管 2流通玻璃管 3铂丝,（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应 用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa。 （b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化,上一页,下一页,返 回,2、半导体热敏电阻传感器, 温度测量 温度控制 温度补偿 流量测量,上一页,下一页,返 回, 温度测量