熱電式傳感器

1、1第9章 熱電式傳感器9.1 熱電偶傳感器熱電偶傳感器9.2 熱電阻傳感器熱電阻傳感器9.3 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 2一、溫度的概念一、溫度的概念 溫度是什么？計(jì)量術(shù)語(yǔ)名詞中有定義，其定義為“溫度是描述物體冷熱程度的物理量，是描述物體不同自由度之間能級(jí)分布的狀態(tài)參數(shù)。一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有共同的溫度?！贝硕x從幾個(gè)方面對(duì)溫度的概念進(jìn)行了說(shuō)明，但依此是很難理解溫度的。要全面理解，必須要建立熱平衡的概念，還需要用到統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面的知識(shí)。因篇幅所限，本書(shū)僅對(duì)溫度的概念作簡(jiǎn)單介紹。有興趣的讀者可以參見(jiàn)本章的參考文獻(xiàn)。 熱力學(xué)第零定律告訴我們：當(dāng)物體處于熱平衡時(shí)，相互之間沒(méi)有凈熱流，它們具有

2、共同的溫度；如果相互間有熱流，則熱量從高溫物體流向低溫物體。 分子運(yùn)動(dòng)論對(duì)溫度概念也有闡述。溫度高低反映了分子平均動(dòng)能的大小。但是，當(dāng)溫度很低時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)論就失效了。對(duì)于像由電子等量子組成的系統(tǒng)，當(dāng)溫度趨于絕對(duì)零度時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度仍達(dá)108米/秒，此時(shí)必須要用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的知識(shí)來(lái)解釋溫度。 由兩個(gè)物體構(gòu)成的閉合系統(tǒng)，當(dāng)它們處于熱平衡時(shí)，其熵達(dá)到極大值。設(shè)物體1的能量和熵分別為U1和S1，物體2的能量和熵分別為U2和 S2，則系統(tǒng)總的能量U和熵S分別為：U= U1+ U2， S =S1 +S2。 因?yàn)橄到y(tǒng)的熵與狀態(tài)數(shù)有關(guān)，所以物體溫度的高低反映了該系統(tǒng)的狀態(tài)分布。根據(jù)這一定義，就可以很好地解釋絕

3、對(duì)零度、負(fù)溫度等概念。 預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)3二、溫標(biāo)二、溫標(biāo) 盡管上面對(duì)溫度的概念進(jìn)行了解釋?zhuān)院艹橄?，難以理解。為更好地理解溫度的概念，還需像其他物理量一樣，賦予溫度數(shù)值和單位。 溫度的數(shù)值表示方法，稱為溫標(biāo)。它包含了溫度的數(shù)值和單位。目前使用的溫度單位是開(kāi)爾文，它定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的/273.16，符號(hào)為K。 根據(jù)溫標(biāo)的定義，溫標(biāo)包括三方面的內(nèi)容，也就是所謂的溫標(biāo)三要素，即定義固定點(diǎn)、內(nèi)插儀器和內(nèi)插函數(shù)。定義固定點(diǎn)是由一些物質(zhì)的相平衡點(diǎn)組成的，其中最基本的是水的三相點(diǎn)，它的數(shù)值是給定的，用來(lái)定義溫度的單位。其他的固定點(diǎn)主要是一些金屬的凝固點(diǎn)和氣體的三相點(diǎn)，它們的數(shù)值由熱力學(xué)測(cè)溫方法測(cè)

4、量后賦予定義值，用于確定內(nèi)插函數(shù)中的系數(shù)。內(nèi)插儀器即溫度計(jì)，也就是通常所指的溫度傳感器，它通過(guò)其他物理性質(zhì)的變化與溫度聯(lián)系，能感知溫度的變化，這些物理性質(zhì)有：體積、壓力、長(zhǎng)度、熱電勢(shì)、熱電阻、熱輻射等一些物理量。內(nèi)插函數(shù)是指其他物理量與溫度的變化關(guān)系，定義固定點(diǎn)之間的溫度用這些函數(shù)進(jìn)行內(nèi)插得到。 從溫標(biāo)的定義可以看出，溫標(biāo)三要素的選擇不一樣，所建立的溫標(biāo)就不一樣。歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)許多溫標(biāo)，最著名和使用最廣泛的有華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)。華氏溫標(biāo)是由建立的，它用精密水銀溫度計(jì)作內(nèi)插儀器，將水的冰點(diǎn)定為212度，水的沸點(diǎn)定為32度，其他的溫度用水銀柱的高度隨溫度的變化線性插值。攝氏溫標(biāo)是由建立的，它也用

5、精密水銀溫度計(jì)作內(nèi)插儀器，但將水的冰點(diǎn)定為100度，水的沸點(diǎn)定為0度，其他的溫度也用水銀柱的高度隨溫度的變化線性插值。這兩個(gè)溫標(biāo)的數(shù)值可以互換，其關(guān)系如下： tF=9/5*tC+32其中tF代表用華氏度表示的溫度值，tC代表用攝氏度表示的溫度值。 4 以上的溫標(biāo)統(tǒng)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，它們的缺陷是隨意性較大，與所選用的測(cè)溫介質(zhì)和變量有關(guān)，各溫標(biāo)間的量值不統(tǒng)一。為克服經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的這一缺陷，1841年開(kāi)爾文提出了用熱力學(xué)溫標(biāo)來(lái)統(tǒng)一溫度的量值。開(kāi)爾文用卡諾定理的結(jié)論定義了一個(gè)與測(cè)溫介質(zhì)無(wú)關(guān)的溫標(biāo)，我們稱之為熱力學(xué)溫標(biāo)。他同時(shí)提出了用一個(gè)固定點(diǎn)定義溫度單位的設(shè)想。由于熱力學(xué)溫標(biāo)與所用的測(cè)溫介質(zhì)無(wú)關(guān)，因此我們可以

6、用理想氣體溫標(biāo)來(lái)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。同樣我們也可以用其他任何一種熱力學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫度的測(cè)量。至今，已實(shí)現(xiàn)的熱力學(xué)測(cè)溫方法有：氣體溫度計(jì)、聲速溫度計(jì)、磁測(cè)溫法、全輻射測(cè)溫法。 盡管熱力學(xué)溫標(biāo)與測(cè)溫介質(zhì)無(wú)關(guān)，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)極其困難，過(guò)程非常復(fù)雜，復(fù)現(xiàn)精度較低，實(shí)用性不強(qiáng)。為了能使溫度的量值統(tǒng)一，又能使所使用的溫標(biāo)易于實(shí)現(xiàn)。在十九世紀(jì)末，歐美一些國(guó)家提出了使用國(guó)際溫標(biāo)的建議。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，國(guó)際計(jì)量大會(huì)于1927年發(fā)布了第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)，即ITS-27。此后，約每隔20年對(duì)舊的溫標(biāo)進(jìn)行修改，實(shí)施使用新的溫標(biāo)。若舊溫標(biāo)不能適應(yīng)當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的需要，而下次修訂時(shí)間還沒(méi)到，也可以采用臨時(shí)溫標(biāo)。曾

7、使用過(guò)的國(guó)際溫標(biāo)有ITS-27，ITS-48，IPTS-68及其修訂版，EPT-76臨時(shí)溫標(biāo)。目前，我們使用的溫標(biāo)是ITS-90（International Temperature Scale-1990）。有關(guān)國(guó)際溫標(biāo)的內(nèi)容，參閱ITS-90的文本。 5n三、熱輻射三、熱輻射n熱輻射是指物體在熱平衡時(shí)的電磁輻射，由于熱平衡時(shí)物體具有一定的溫度，所以熱輻射又稱溫度輻射。熱輻射的波長(zhǎng)范圍從軟X射線至微波，物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的，紅外線在電磁波譜中的位置如圖1所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。紅外線的本質(zhì)與可見(jiàn)光或電磁波性質(zhì)一樣

8、，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。n紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對(duì)稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過(guò)大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過(guò)率高，它們是22.6m、35 m和814 m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。 n黑體是特殊的熱輻射體。在同溫度下，其輻射能力最大。描述其輻射能量和溫度之間的關(guān)系有兩個(gè)重要的定律

9、，它們是普朗克定律和斯蒂芬玻爾茲曼定律。普朗克定律是由普朗克（Plank）于1900年發(fā)現(xiàn)的，它描述了黑體的光譜輻射能量與溫度之間的關(guān)系。n斯蒂芬玻爾茲曼定律是由斯蒂芬玻爾茲曼（StefanBoltzmann）于19發(fā)現(xiàn)的，它描述了黑體的全波輻射能量與溫度之間的關(guān)系，公式為：ST4n式中為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，為待測(cè)物體表面面元的平均發(fā)射率，T為待測(cè)物體表面面元的溫度，S為物體表面總輻出度。n從上述兩公式可知，只要我們用傳感器接受到物體的光譜輻射能量或全波輻射能量，我們就能夠測(cè)量出物體的溫度，這就是輻射傳感器的基本工作原理。 69.1 熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電

10、量變化的裝置。它主要包括熱電偶、熱電阻和熱敏電阻等，是溫度測(cè)量的基本傳感器。一、熱電效應(yīng) 塞貝克（Seebeck）效應(yīng)：1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)了銅、鐵兩種金屬的溫差電現(xiàn)象。即在這兩種金屬構(gòu)成的閉合回路中，對(duì)兩個(gè)接頭中的一個(gè)加熱即可產(chǎn)生電流。在冷接頭處，電流從鐵流向銅。由于冷、熱兩個(gè)端（接頭）存在溫差而產(chǎn)生的電勢(shì)差，就是溫差熱電勢(shì)。這種由兩種不同的金屬構(gòu)成的能產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)的裝置稱為熱電偶，溫度高的那一端稱為熱電偶的熱端，又可稱測(cè)量端，溫度低的那一端稱為熱電偶的冷端，又可稱參考端。 將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端相接組成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度不同時(shí)，則在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，并形成回路電流。這種現(xiàn)象稱

11、塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)組成熱電偶的材料A、B為均質(zhì)材料時(shí)，回路電動(dòng)勢(shì)只與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，與兩接點(diǎn)的溫差有關(guān)，而與熱電偶的長(zhǎng)短和粗細(xì)無(wú)關(guān)。這樣我們就可以將熱電偶做成溫度傳感器，也可以做成測(cè)量與之有關(guān)的其他物理量的傳感器。7n2熱電效應(yīng)的物理基礎(chǔ)（經(jīng)典電子理論）n 熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由(兩種導(dǎo)體)接觸電動(dòng)勢(shì)和(一種導(dǎo)體)溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成。n 接觸電動(dòng)勢(shì)接觸電動(dòng)勢(shì)珀耳帖珀耳帖(Peltier)電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)n 1834年珀耳帖研究了熱電現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過(guò)兩種不同金屬材料的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)的溫度會(huì)隨電流的方向產(chǎn)生升高或下降的現(xiàn)象。他提出要發(fā)生這種現(xiàn)象，接點(diǎn)處必定存在一電動(dòng)勢(shì)

12、，并且電動(dòng)勢(shì)的方向隨電流方向可逆，我們把這一可逆電動(dòng)勢(shì)稱為接觸電動(dòng)勢(shì)，為紀(jì)念珀耳帖的發(fā)現(xiàn)，又稱其為珀耳帖電動(dòng)勢(shì)。n 接觸電動(dòng)勢(shì)可以用下圖的電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)解釋?zhuān)ㄎㄏ螅?。設(shè)NA是金屬A的自由電子密度，NB是金屬B的自由電子密度，進(jìn)一步假設(shè)NANB，這樣在密度差的作用之下，自由電子由A向B擴(kuò)散，A段失去電子帶正電，B段得到電子帶負(fù)電，這樣在AB間形成一內(nèi)電場(chǎng)EAB，電子在電場(chǎng)力的作用下，又要被拉回到A段去。當(dāng)然這樣的過(guò)程不會(huì)無(wú)限下去，當(dāng)擴(kuò)散和形成的電場(chǎng)對(duì)電子的作用力相等時(shí)，接點(diǎn)處不再出現(xiàn)宏觀的電子遷移，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)接點(diǎn)所處的溫度發(fā)生變化時(shí)，自由電子在新的狀態(tài)下達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)在接點(diǎn)處形成

13、一個(gè)與接點(diǎn)溫度和材料自由電子密度有關(guān)的電勢(shì)。根據(jù)經(jīng)典理論，此電勢(shì)為：n neAB(T):導(dǎo)體A、B的接點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；k: 玻爾茲曼常數(shù)；導(dǎo)體自由電子密度；e: 電子電荷BAABnneTTeln)(8n 溫差電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì) 湯姆遜（湯姆遜（Thomoson）電動(dòng)勢(shì)）電動(dòng)勢(shì)n1851年湯姆遜研究了熱電現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過(guò)一根兩端處于不同溫度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體中除產(chǎn)生焦耳熱外，還有一隨電流方向改變而吸收或產(chǎn)生熱量的現(xiàn)象。他提出要發(fā)生這種現(xiàn)象，導(dǎo)體中必定存在一電動(dòng)勢(shì)，并且電動(dòng)勢(shì)的方向隨電流方向可逆，我們把這一可逆電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，為紀(jì)念湯姆遜的發(fā)現(xiàn)，又稱其為湯姆遜電動(dòng)勢(shì)。n溫差電動(dòng)

14、勢(shì)可以用下圖的電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)解釋?zhuān)ㄎㄏ螅ＴO(shè)導(dǎo)體兩端處于不同的溫度T和T0，且TT0。由于金屬導(dǎo)體兩端的溫度不同，則其自由電子的濃度亦不相同，溫度高的一端濃度較大（動(dòng)能較大，大于逸出功的電子數(shù)目較多），因此高溫端的自由電子將向低溫端擴(kuò)散，高溫端失去電子帶正電，低溫端得到多余的電子帶負(fù)電，當(dāng)擴(kuò)散和形成的電場(chǎng)對(duì)電子的作用力相等時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)形成一穩(wěn)定的與溫差和材料特性有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)經(jīng)典理論，此電勢(shì)為：n nA：湯姆遜系數(shù)，指導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)。TTAAdTTTe0),(09n 回路電動(dòng)勢(shì) n當(dāng)A、B兩種金屬構(gòu)成熱電偶回路，兩端的溫度分別為T(mén)、T0時(shí)，回路中存在兩個(gè)接觸電動(dòng)

15、勢(shì)和兩個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)，其方向相反，則熱電偶回路中的總電勢(shì)是它們的代數(shù)和，即為：n n實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)A、B兩種不同的金屬所構(gòu)成的熱電偶的兩端溫度分別為T(mén)（熱端溫度）和T0（冷端溫度）時(shí)，回路電動(dòng)勢(shì)與溫差有下列近似關(guān)系：n 是與金屬A、B有關(guān)的溫差系數(shù)。n多數(shù)的金屬材料AB在10-2 V10-3 V。而其a約為10-6伏/度，b約為10-8伏/度，所以在溫度不太高、溫差不太大、精度要求不高時(shí)，可以進(jìn)一步近似為線性關(guān)系：TTBABTATBTATBAABABABdTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTE00000000lnln),(),()()(),(ABABABABABbaTTbTTae、,21

16、200。0TTaABAB10n 幾點(diǎn)討論 n 回路熱電勢(shì)的大小僅與材料和端點(diǎn)的溫度有關(guān)，回路熱電勢(shì)的大小僅與材料和端點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸形狀無(wú)關(guān)。與熱電偶的尺寸形狀無(wú)關(guān)。n 如果組成熱電偶的兩個(gè)電極的材料相同，即使是兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。ni.e. n 組成熱電偶的兩個(gè)電極的材料雖然不相同，但是兩結(jié)點(diǎn)的溫度相同也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。n i.e. n 由不同電極材料A、B組成的熱電偶，當(dāng)冷端溫度 T0 恒定時(shí)，產(chǎn)生的熱電勢(shì)在一定的溫度范圍內(nèi)僅是熱端溫度T的單值函數(shù)。相同、0)()(,0lnTTnnBABABA. 0)()(,0ln)(0000TTBABAdTTTnneTTTT11

17、n二、工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)n1結(jié)構(gòu)n 工業(yè)用熱電偶是要進(jìn)行封裝保護(hù)處理的，普通型工業(yè)用熱電偶的封裝形式如圖6-5所示。主要有熱電極（熱電偶電極），絕緣材料，保護(hù)套管和接線盒等組成。為了便于安裝，在保護(hù)套管上一般還安裝法蘭盤(pán)。n 根據(jù)工業(yè)測(cè)量的一些特殊要求，熱電偶的結(jié)構(gòu)做成很多形式，例如：測(cè)量物體表面溫度的表面型熱電偶，測(cè)量煙氣溫度的抽氣熱電偶，測(cè)量鋼水溫度的投入式熱電偶，在爆炸環(huán)境中使用的隔爆型熱電偶，等等。n2常用熱電偶n熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩大類(lèi)；也可以根據(jù)組成熱電偶的材料將熱電偶分為廉金屬熱電偶和貴金屬熱電偶兩大類(lèi)。一般情況下，高溫用熱電偶大多是由貴金屬材料構(gòu)成的。同時(shí)貴金屬熱電偶的性

18、能比較穩(wěn)定，常常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使用。n標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是由國(guó)際工程師協(xié)會(huì)IEC(International Engineer Commission)推薦的，目前共有8中，用英文大寫(xiě)字母表示，它們分別是R、B、S、K、N、J、E和T，其中R、B、S三種熱電偶是用貴金屬鉑及其與銠的不同百分比的合金做成的，屬于貴金屬類(lèi)，其余五種屬于廉金屬類(lèi) 。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的最大特點(diǎn)是所有國(guó)家都采用由IEC推薦的E-T分度表。n非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶因生產(chǎn)工藝，使用范圍等因素的限制，不同國(guó)家生產(chǎn)的熱電偶之間的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度之間的關(guān)系難以采用統(tǒng)一的分度表，但各個(gè)國(guó)家或行業(yè)內(nèi)還是有各自的標(biāo)準(zhǔn)。這類(lèi)熱電偶中，最常見(jiàn)的有用于高溫測(cè)量的鎢

19、錸系熱電偶。 1213n三、熱電偶測(cè)量電路n1.測(cè)量電路基本原理n根據(jù)中間導(dǎo)體定律，只要保證接入的測(cè)量?jī)x表及連接線兩端的溫度一致，并保持為T(mén)0，則測(cè)得的電勢(shì)為T(mén)單值函數(shù)，如右圖所示。當(dāng)T0=0，就可以直接用測(cè)得的電勢(shì)值，查相應(yīng)的電勢(shì)-溫度表，求出被測(cè)溫度T。n2. 單點(diǎn)測(cè)溫的基本電路n在實(shí)際應(yīng)用中，由于測(cè)量?jī)x表常常要遠(yuǎn)離被測(cè)量的場(chǎng)所，即從熱電偶到測(cè)量?jī)x表的連線（如右圖中的C、D）較長(zhǎng)。而熱電偶材料的價(jià)格較貴，往往還是貴金屬材料，所以連接導(dǎo)線通常不采用與熱電偶相同的材料。雖然只要保證測(cè)量?jī)x表、連接導(dǎo)線和連接導(dǎo)線與熱電偶的結(jié)點(diǎn)溫度相同（T0），測(cè)量?jī)x表和連接導(dǎo)線就不會(huì)對(duì)測(cè)溫產(chǎn)生任何影響，但這種等溫

20、條件實(shí)際中是難以滿足的。14n一般用下面兩種辦法解決上面的困難：n C、D采用相同的導(dǎo)線來(lái)連接。使用中，只要保證連接導(dǎo)線與熱電偶的兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度均為T(mén)1且恒定即可。實(shí)驗(yàn)室中可以采用這種方法，而在工程應(yīng)用中，特別是在高溫場(chǎng)所測(cè)量時(shí)，不用這種方法。n C、D使用“補(bǔ)償導(dǎo)線”來(lái)連接。要求補(bǔ)償導(dǎo)線的冷端溫差熱電勢(shì)特性與熱電偶的冷端溫差熱電勢(shì)特性相同，即，此時(shí)測(cè)得的溫差熱電勢(shì)相當(dāng)于將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到了T0端，這是實(shí)際應(yīng)用中通常采用的方法。15 熱電阻是利用金屬的電阻隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)溫的裝置。下圖是幾種常用的純金屬材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系曲線，它們?cè)谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)可以表示為 R=R0（1+T

21、+T2）R0是0的電阻，和與材料性質(zhì)有關(guān)。 熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。熱電阻的感溫元件主要由鉑絲、絕緣骨架、外保護(hù)管和引線四部分組成，一般做成鎧裝型。鉑絲是感溫元件的核心，絲的直徑約0.01-0.05mm。實(shí)驗(yàn)表明鉑絲只有達(dá)到一定的純度，才能滿足前面的R-T關(guān)系。鉑的純度常用W(100)來(lái)表示，W(100)=R100/R0，式中R100為溫度在100時(shí)的電阻值，通常要求W(100)大于1.391。常用的熱電阻的名義阻值R0有10，100，用符號(hào)Pt10和Pt100表示?，F(xiàn)在已有R0為300、500的熱電阻市售，但使用較少。除了絲繞型的熱電阻外，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出厚膜和薄膜型熱電阻，并投入工業(yè)使用。 引線

22、是熱電阻的重要部分，有二線制、三線制、四線制三種形式。二線制熱電阻用于精度較低的場(chǎng)合，三線制、四線制熱電阻用于精度要求較高的場(chǎng)合，作標(biāo)準(zhǔn)用時(shí)，必須采用四線制結(jié)構(gòu)。9.2 熱電阻傳感器熱電阻傳感器161718 熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件，包括半導(dǎo)體測(cè)溫元件和由過(guò)渡族金屬元素的氧化物的混合物做成的測(cè)溫元件，它們的熱電特性呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的R-T特性。 熱敏電阻按電阻溫度系數(shù)分為： 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)-MF型； 正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)-MZ型。 NTC又分兩類(lèi)： 用于測(cè)量溫度阻值與溫度呈負(fù)的指數(shù)關(guān)系； 負(fù)的突變型當(dāng)溫度上升至某一值，阻值突然下降，它多用于電子電路中抑制浪涌電流，

23、起保護(hù)作用。 PTC-通常是在鈦酸鋇陶瓷中加入施主雜質(zhì)以增大電阻溫度系數(shù)，其溫度-電阻特性曲線呈非線性，如 圖7-15中曲線4所示。9.3 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器19n相對(duì)于一般的金屬熱電阻而言，熱敏電阻相對(duì)于一般的金屬熱電阻而言，熱敏電阻主要有如下特點(diǎn)：主要有如下特點(diǎn)：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大敏度高，比一般金屬電阻大10100倍。倍。(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度。(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。(4)阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系。阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系。(5

24、)穩(wěn)定性穩(wěn)定性和互換性較差。和互換性較差。 n熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、響應(yīng)速度快、熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、響應(yīng)速度快、阻值大、靈敏度高。阻值大、靈敏度高。n熱敏電阻的缺點(diǎn)：互換性差，每一支熱敏熱敏電阻的缺點(diǎn)：互換性差，每一支熱敏電阻都必須單獨(dú)分度。電阻都必須單獨(dú)分度。20 熱敏電阻一般做成二端器件，但也有構(gòu)成三端或四端的。二端和三端器件為直熱式，即直接由電路中獲得功率。四端器件則是旁熱式的。根據(jù)不同的要求，可以把熱電阻做成不同的形狀結(jié)構(gòu)。 21熱敏電阻器發(fā)展趨勢(shì)熱敏電阻器發(fā)展趨勢(shì)n一、提高精度，減小尺寸 n 在電子器件中，微電子的發(fā)展要求更高精度的溫度控制，其結(jié)果對(duì)NTC熱敏電阻器的要求增加，要求進(jìn)一步改善精度、可靠性、減小尺寸。為了達(dá)到這些目的，日本村田公司采取了改進(jìn)陶瓷薄膜形成方法，其目的是為了獲得均勻的、穩(wěn)定的晶粒結(jié)構(gòu)。這樣可在陶瓷和電極之間形成可靠的連接。他們的陶瓷膜形成技術(shù)已由0805向0603過(guò)渡，并正在考慮開(kāi)發(fā)0402規(guī)格產(chǎn)品。這種陶瓷膜在25下，具有5的電阻允許誤差，而且產(chǎn)品尺寸小，220100k的電阻值在高溫下內(nèi)電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高可靠。他們的NTH40系列的電阻值達(dá)到2100k，在2550下的電阻允許