6.2+热电阻式传感器.ppt

1、,6.2 热电阻式传感器,6.2.1 金属热电阻 6.2.2 半导体热敏电阻 6.2.3 热电阻式传感器的应用,利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器。 应用：对温度和与温度有关的参量进行检测。 测温范围：中、低温区域（-200 650）。低温方面也应用于1K3K的温度测量，高温也有用于1000 1300 测温元件可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。,6.2.1 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

2、； 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。,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。 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。, 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

3、业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,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：,国内统一设计工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100。 铂热电阻不同分度号有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,铂电阻分度表,铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出 输入特性接近线性，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-

4、259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。, 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。热惯性较大，稳定性较差，在100以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。,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，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分

5、度表可查阅相关资料。,铜热电阻的分度表 分度号：Cu50,2. 热电阻的结构,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,TSP系列铂电阻温度传感器,铂金电阻温度传感器,铂金电阻温度传感器,Pt100核级电阻温度传感器,核级电阻温度传感器 用于核电站反应堆-回路 的温度传感器,精 度：PT100，B级，4线制，符合IEC751-1983包括1986版补遗和1995版补遗， 允差范围（0.30+0.005t）. 绝缘电阻：测试电压100VDC，施加5秒绝缘电阻大于100M。 漂 移：一年内在正常工作条件下，不大于0.3。 最大允许电流：小于10mA。 自 热 值：不大于

6、3。 测量范围：0350 工作压力：15.2MPa 正常累积辐照：250KGy 安全壳内事故器件累积辐照：600KGy,WZP系列装配式铂电阻及铠装电阻芯用于一般工业场测温使用温度-200700,高强度石英管测温铂电阻温度范围-100C至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合注:不耐氢氟酸及磷酸,精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级,天燃气流量计温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用,油浸变压器用铂电阻,医疗器械铂电阻,薄膜铂电阻元件,用 于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。,尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长宽高） 线长 10mm,防水

7、封装铂电阻,核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100 PT1000）元件精度：0.15 (A级) 0.30 (B级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸： 4 * 25mm 连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）,铜电阻的特点,电阻率小 ； 容易氧化 ； 价格便宜 。,WZC-111/12*1000mm Cu50,其它热电阻 铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50100；用的较少。 铟电阻：-269-258 ；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。 锰电阻：-271-210 ；灵敏度高，但脆性高，

8、易损坏； 炭电阻：-273-268.5 ；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。,3.热电阻测温线路,两线制,这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。 两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。,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，其间的引线很长，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一起，造成测量误差。 如果每根导线的阻值是r，测量结构总必然含有2r的绝对误差。 这种误差因为导线阻值r随环境温度变化而很难修正，注定两线制不宜在工业热电阻上应用。,三线制,图中热电阻Rt的三根连接导线直径和长

9、度均相同，阻值都是r。其中一根串联在电桥电源上，对电桥平衡没有影响。 另外两根分别串联在电桥的相邻两臂里，这相邻两臂的阻值都增加r。 当电桥平衡时，满足下式：,用于工业测量，一般精度,由上式可得,设计电桥时，如果满足R1=R2，则r对桥路平衡无影响,实验室用，高精度测量,四线制,四线制就是热电阻两端各用两根导线连到仪表上，一般使用直流电位差计作为指示或记录仪表。由恒流源供给已知电流I流过热敏电阻Rt，使其产生压降U，再用电位差计测出U，利用欧姆定律：,思考：引线电阻r为什么没有影响？,电流在导线上形成的压降不在测量范围内，电压导线上虽有电阻但无电流，因为电位差计测量时不取电流，所以四根导线的电

10、阻对测量均无影响。,6.2.2 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。,热敏电阻分类：,正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR),热敏电阻典型特性,PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定

11、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，在某个温度上电阻急剧变化，具有开关特性。 用途：温度开关。 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，特别适用于-100300 之间测温。 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. 热敏电阻的主要参数 4. 热敏电阻的线性化,1. 热敏电阻的主要特性, 温度特性 伏安特性, 温度特性,NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，

12、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。,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代入上式，则,将B值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性:,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

13、本身温度变化1时，电阻值的相对变化量, 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，,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。,伏安特性,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。 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。,2. 热敏电阻的结构,构成：热敏探头、引线、壳体 二端和三

14、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,热敏电阻的结构形式,1.耗散系数： 5mW/ 2.热时间常数: 10S 3.测温范围: -40 +110,铜质外壳，PVC导线， 用于空调、饮水机,铜制、不锈钢外壳，PVC导线，用于热水器,MZ4系列加热用PTC热敏电阻,MZ5汽车测温用PTC热敏电阻,MZ41系列卷发器用PTC热敏电阻,MZ6系列电机保护用 PTC热检测器,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 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所

15、耗散的功率，单位为W /； 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。, 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,4. 热敏电阻的线性化,对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法: 用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其

16、等效电阻与温度呈一定的线性关系。,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx 串联,串联后的等效电阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R= Rt / Rx 。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。,并联在热敏电阻中的R的最佳值,6.2.3 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

17、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。,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接法。,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,金属丝热电阻作为气体传感器的应用,1连通玻璃管