6.2熱電阻式傳感器解析課件

1、6.2 熱電阻式傳感器6.2.1 金屬熱電阻6.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)用 第1頁(yè)，共49頁(yè)。利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做熱電阻式傳感器。應(yīng)用：對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)溫范圍：中、低溫區(qū)域（-200 650）。低溫方面也應(yīng)用于1K3K的溫度測(cè)量，高溫也有用于1000 1300 測(cè)溫元件可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩大類。第2頁(yè)，共49頁(yè)。6.2.1 金屬熱電阻熱電阻電阻體（最主要部分）絕緣套管接線盒作為熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度；電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸；熱容量要小，以便提高熱電

2、阻的響應(yīng)速度；在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。第3頁(yè)，共49頁(yè)。1. 常用熱電阻 鉑熱電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。 銅熱電阻測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，測(cè)量范圍一般為50150。 第4頁(yè)，共49頁(yè)。 鉑熱電阻 目前最好材料 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 K ，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān) 百度電阻比 W（100）越高，表示鉑絲純度越高，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）1.3925。目前技術(shù)水平已達(dá)

3、到W（100）1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.3871.390。 第5頁(yè)，共49頁(yè)。 鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下： 當(dāng)溫度t在200 t 0時(shí)： 當(dāng)溫度t在0 t 650時(shí)： 國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）1.391，R0分為50和100兩種，分度號(hào)分別為Pt50和Pt100。 鉑熱電阻不同分度號(hào)有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。第6頁(yè)，共49頁(yè)。鉑電阻分度表第7頁(yè)，共49頁(yè)。 鉑容易提純，其物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出 輸入特性接近線性，且測(cè)量

4、精度高，所以它能用作工業(yè)測(cè)溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。按國(guó)際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定，在-259.34630.73溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器。第8頁(yè)，共49頁(yè)。 銅熱電阻應(yīng) 用：測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合測(cè)量范圍：50150優(yōu) 點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。第9頁(yè)，共49頁(yè)。 缺 點(diǎn)： 易于氧化，一般只用于150以下的低溫測(cè)量和沒(méi)有水分及無(wú)侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。 與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。第10頁(yè)，共49頁(yè)。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系

5、為關(guān)系是線性的 工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和100兩種，分度號(hào)分別為Cu50和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。 第11頁(yè)，共49頁(yè)。銅熱電阻的分度表 分度號(hào)：Cu50溫度/0102030405060708090電阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13第12頁(yè)，共49頁(yè)。2. 熱電阻的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器第13頁(yè)，共49頁(yè)。銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖 鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示

6、意圖 第14頁(yè)，共49頁(yè)。TSP系列鉑電阻溫度傳感器鉑金電阻溫度傳感器鉑金電阻溫度傳感器Pt100核級(jí)電阻溫度傳感器 第15頁(yè)，共49頁(yè)。核級(jí)電阻溫度傳感器 用于核電站反應(yīng)堆-回路 的溫度傳感器 精 度：PT100，B級(jí)，4線制，符合IEC751-1983包括1986版補(bǔ)遺和1995版補(bǔ)遺，允差范圍（0.30+0.005t）. 絕緣電阻：測(cè)試電壓100VDC，施加5秒絕緣電阻大于100M。 漂 移：一年內(nèi)在正常工作條件下，不大于0.3。 最大允許電流：小于10mA。 自 熱 值：不大于3。 測(cè)量范圍：0350 工作壓力：15.2MPa 正常累積輻照：250KGy 安全殼內(nèi)事故器件累積輻照：60

7、0KGy第16頁(yè)，共49頁(yè)。3.熱電阻測(cè)溫線路第17頁(yè)，共49頁(yè)。兩線制這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。第18頁(yè)，共49頁(yè)。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，而其指示或記錄儀表安裝在控制室，其間的引線很長(zhǎng)，如果僅用兩根導(dǎo)線接在熱電阻兩端，導(dǎo)線本身的阻值必然和熱電阻的阻值串聯(lián)在一起，造成測(cè)量誤差。如果每根導(dǎo)線的阻值是r，測(cè)量結(jié)構(gòu)總必然含有2r的絕對(duì)誤差。這種誤差因?yàn)閷?dǎo)線阻值r隨環(huán)境溫度變化而很難修正，注定兩線制不宜在工業(yè)熱電阻上應(yīng)用。第19頁(yè)，共49頁(yè)。三線制圖中熱電阻Rt的三根連接導(dǎo)線直徑和長(zhǎng)度均相同，阻值都是r。其

8、中一根串聯(lián)在電橋電源上，對(duì)電橋平衡沒(méi)有影響。另外兩根分別串聯(lián)在電橋的相鄰兩臂里，這相鄰兩臂的阻值都增加r。當(dāng)電橋平衡時(shí)，滿足下式：用于工業(yè)測(cè)量，一般精度 由上式可得 設(shè)計(jì)電橋時(shí)，如果滿足R1=R2，則r對(duì)橋路平衡無(wú)影響第20頁(yè)，共49頁(yè)。實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量 四線制 四線制就是熱電阻兩端各用兩根導(dǎo)線連到儀表上，一般使用直流電位差計(jì)作為指示或記錄儀表。由恒流源供給已知電流I流過(guò)熱敏電阻Rt，使其產(chǎn)生壓降U，再用電位差計(jì)測(cè)出U，利用歐姆定律：思考：引線電阻r為什么沒(méi)有影響？ 電流在導(dǎo)線上形成的壓降不在測(cè)量范圍內(nèi)，電壓導(dǎo)線上雖有電阻但無(wú)電流，因?yàn)殡娢徊钣?jì)測(cè)量時(shí)不取電流，所以四根導(dǎo)線的電阻對(duì)測(cè)量均無(wú)影

9、響。第21頁(yè)，共49頁(yè)。6.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻 利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成。由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié)。優(yōu) 點(diǎn)： (1) 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍） (2) 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測(cè)量點(diǎn)溫、表面溫度及快速變化的溫度。 (3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好。缺點(diǎn)：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。第22頁(yè)，共49頁(yè)。熱敏電阻分類：正溫度系數(shù)(PTC)負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻典型特性 第23頁(yè)，共49頁(yè)。 PTC熱敏電阻正溫度系數(shù) 鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。 用途：彩電消磁，

10、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。 CTR熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成，在某個(gè)溫度上電阻急劇變化，具有開關(guān)特性。 用途：溫度開關(guān)。 NTC熱敏電阻很高的負(fù)電阻溫度系數(shù) 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過(guò)渡金屬氧化物混合燒結(jié)而成，特別適用于-100300 之間測(cè)溫。 應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場(chǎng)等測(cè)量 自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路第24頁(yè)，共49頁(yè)。NTC熱敏電阻1. 熱敏電阻的主要特性2. 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)3. 熱敏電阻的主要參數(shù)4. 熱敏電阻的線性化第25頁(yè)，共49頁(yè)。1. 熱敏電阻的主要特性 溫度特性

11、伏安特性第26頁(yè)，共49頁(yè)。 溫度特性NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，電阻-溫度特性 式中 RT , R0熱敏電阻在絕對(duì)溫度T，T0時(shí)的阻值()； T0, T 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（K）； t0 , t 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（）； B 熱敏電阻材料常數(shù)，一般為20006000K， 其大小取決于熱敏電阻的材料。第27頁(yè)，共49頁(yè)。若已知兩個(gè)電阻值以及相應(yīng)的溫度值，就可求得B值。一般取20和100時(shí)的電阻R20 和R100計(jì)算B值，即將T=373K，T0=293K代入上式，則將B值及R0=R20 代入式就確定了熱敏電阻的溫度特性: 第28頁(yè)，共49頁(yè)。 B和值是表征熱敏電阻材料性能的

12、兩個(gè)重要參數(shù)，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬絲高很多，所以它的靈敏度很高。熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)熱敏電阻在其本身溫度變化1時(shí)，電阻值的相對(duì)變化量第29頁(yè)，共49頁(yè)。 伏安特性在穩(wěn)態(tài)情況下，通過(guò)熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關(guān)系， 當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí): 不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用來(lái)測(cè)溫。第30頁(yè)，共49頁(yè)。伏安特性當(dāng)電流增大到一定值時(shí)： 流過(guò)熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性。 因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質(zhì)溫度及散熱條件)有關(guān)。 當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的

13、電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇?lái)測(cè)量流體速度和介質(zhì)密度。第31頁(yè)，共49頁(yè)。2. 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：熱敏探頭、引線、殼體二端和三端器件： 為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電路獲得功率；四端器件：旁熱式第32頁(yè)，共49頁(yè)。熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式 第33頁(yè)，共49頁(yè)。第34頁(yè)，共49頁(yè)。3. 熱敏電阻的主要參數(shù) 標(biāo)稱電阻值RH 在環(huán)境溫度為250.2時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。 耗散系數(shù)H 指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1時(shí)熱敏電阻所耗散的功率，單位為W /； 熱容量C 熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為J。第35頁(yè)，共

14、49頁(yè)。 能量靈敏度G （W）使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。 時(shí)間常數(shù) 溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T 的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量T= 0.63 (TT0) 時(shí)所需的時(shí)間。 額定功率PE 在標(biāo)準(zhǔn)壓力（750mmHg）和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為W。在實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻所消耗的功率不得超過(guò)額定功率 第36頁(yè)，共49頁(yè)。4. 熱敏電阻的線性化對(duì)熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的最簡(jiǎn)單方法: 用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個(gè)熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。第37頁(yè)，共49頁(yè)。 圖中熱敏電阻R

15、t與補(bǔ)償電阻Rx 串聯(lián),串聯(lián)后的等效電阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值選擇適當(dāng)，可使溫度在某一范圍內(nèi)與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，所以電流I與溫度T成線性關(guān)系。ERxRt串聯(lián)補(bǔ)償電路RxRt+RxRt溫度電阻第38頁(yè)，共49頁(yè)。Rt/RxRxRt電阻溫度并聯(lián)補(bǔ)償電路RxRt 圖中熱敏電阻Rt與補(bǔ)償電阻Rx并聯(lián)，其等效電阻R= Rt / Rx 。由圖可知，R與溫度的關(guān)系曲線便顯得比較平坦。因此可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特性。第39頁(yè)，共49頁(yè)。并聯(lián)在熱敏電阻中的R的最佳值 第40頁(yè)，共49頁(yè)。6.2.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)用1、金屬熱電阻傳感器 200+500范圍的溫度測(cè)量 特點(diǎn)：精度

16、高、適于測(cè)低溫。2、半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面用作測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測(cè)量、液面指示等。 第41頁(yè)，共49頁(yè)。1、金屬熱電阻傳感器工業(yè)廣泛使用，200+500范圍溫度測(cè)量。在特殊情況下，測(cè)量的低溫端可達(dá)3.4K，甚至更低，1K左右。高溫端可測(cè)到1000。溫度測(cè)量的特點(diǎn)：精度高、適于測(cè)低溫。傳感器的測(cè)量電路：經(jīng)常使用電橋 精度較高的是自動(dòng)電橋。為消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測(cè)量誤差，常采用三線制和四線制連接法。第42頁(yè)，共49頁(yè)。鉑測(cè)溫電阻傳感器 鉑測(cè)溫電阻缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢、容易破損、 難于測(cè)定狹窄位置的溫度?，F(xiàn)逐漸使用能大幅度改善上述缺點(diǎn)的極細(xì)型鎧裝鉑測(cè)溫電阻，因而使應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。主要應(yīng)用：鋼鐵、石油化工的各種工藝過(guò)程；纖維等工業(yè)的熱處理工藝；食品工業(yè)的各種自動(dòng)裝置；空調(diào)、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設(shè)備及恒溫槽 第43頁(yè)，共49頁(yè)。金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應(yīng)用 1連通玻璃管 2流通玻璃管 3鉑絲 （a）真空度測(cè)量方法對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感， 實(shí)際應(yīng)用中有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置?？蓽y(cè)到133.32210-