ch8成都信息工程學(xué)院 傳感器技術(shù)

8.2熱電阻式傳感器8.2.1金屬熱電阻8.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻8.2.3熱電阻式傳感器的應(yīng)用熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。熱電阻的結(jié)構(gòu)

電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。

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，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度； 在測量范圍內(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1.常用熱電阻⑴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。⑵銅熱電阻 測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為―50～150℃。⑴鉑熱電阻目前最好材料是目前測溫復(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)到W（100）＝1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.387～1.390。為100度的電阻值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≤850℃時(shí)：國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）≥1.391，R0分為50Ω和100Ω兩種，分度號(hào)分別為Pt50和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）ＡＢＣ為常數(shù)，可以查出在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

鉑電阻分度表⑵銅熱電阻應(yīng)用：測量精度要求不高且溫度較低的場合 測量范圍：―50～150℃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。缺點(diǎn)： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。 與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為關(guān)系是線性的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50Ω和100Ω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。α=4.28×10-3/℃銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.138.2.2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（4～9倍）(2)電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點(diǎn)溫、表面溫度及快速變化的溫度。(3)結(jié)構(gòu)簡單、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。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)而成用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(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等過渡金屬氧化物混合燒結(jié)而成應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場等測量自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路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1.熱敏電阻的主要特性

⑴溫度特性⑵伏安特性⑴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2000～6000K，其大小取決于熱敏電阻的材料。計(jì)算題：一熱敏電阻在0℃和100℃時(shí)，電阻值分別是200千歐和10千歐，計(jì)算該熱敏電阻在20℃時(shí)的電阻值。

B和α值是表征熱敏電阻材料性能的兩個(gè)重要參數(shù)，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬絲的高很多，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⑵伏安特性在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關(guān)系，伏安特性當(dāng)流過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。主要用來測溫。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)：流過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)，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇頊y量流體速度和介質(zhì)密度。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℃范圍的溫度測量特點(diǎn)：精度高、適于測低溫。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溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測量、液面指示等。1、金屬熱電阻傳感器工業(yè)廣泛使用，－200～+500℃范圍溫度測量。在特殊情況下，測量的低溫端可達(dá)3.4K，甚至更低，1K左右。高溫端可測到1000℃。溫度測量的特點(diǎn)：精度高、適于測低溫。傳感器的測量電路：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量誤差，常采用三線制和四線制連接法。內(nèi)部引線方式兩線制這種引線方式簡單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來附加誤差。兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。三線制熱電阻測溫電橋的三線制接法工業(yè)用熱電阻一般采用三線制G——檢流計(jì)，R1，R2，R3——固定電阻，Ra——零位調(diào)節(jié)電阻，Rt——熱電阻四線制接法熱電阻測溫電橋的四線制接法精密測量中，采用四線制接法熱電阻的測量電路三線制uAr=0，導(dǎo)線電阻r對(duì)測量無影響平衡：兩線制控制室生產(chǎn)現(xiàn)場指示儀表rrRtr：電橋電源；2r：相鄰臂（1）不受其它條件約束；（2）恒流源I穩(wěn)定。四、熱電阻應(yīng)用舉例例1：測量真空度I恒溫容器被測介質(zhì)玻璃管鉑電阻絲2、四線制電位差計(jì)下面是熱電阻測量電路，試說明電路工作原理并計(jì)算（15分）1.已知Rt是Pt100鉑電阻，且其測量溫度為T=50℃，試計(jì)算出Rt的值和Ra的值（10分）2.電路中已知R1、R2、R3和E，試計(jì)算電橋的輸出電壓VAB。（5分）其中（R1=10KΩ，R2=5KΩ，R3=10KΩ，E=5伏）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量誤差，常采用三線制和四線制連接法。圖中G為指示電表，R1、R2、R3為固定電阻，Ra為零位調(diào)節(jié)電阻。熱電阻都通過電阻分別為r2、r3、Rg的三個(gè)導(dǎo)線和電橋連接，r2和r3分別接在相鄰的兩臂，當(dāng)溫度變化時(shí)，只要它們的Rg分別接在指示電表和電源的回路中，其電阻變化也不會(huì)影響電橋的平衡狀態(tài)，電橋在零位調(diào)整時(shí)，應(yīng)使R4=Ra+Rt0為電阻在參考溫度（如0°C）時(shí)的電阻值。三線連接法的缺點(diǎn)之一是可調(diào)電阻的接觸電阻和電橋臂的電阻相連，可能導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)不穩(wěn)。1、什么是熱電效應(yīng)和熱電動(dòng)勢(shì)？什么叫接觸電動(dòng)勢(shì)？什么叫溫差電動(dòng)勢(shì)？2、試述熱電偶與熱電阻的基本測溫原理。選擇及填空1、熱電偶的最基本組成是（）A熱電極B保護(hù)管C絕緣管D接線盒2、為了減小熱電偶測溫時(shí)的測量誤差，需要進(jìn)行的溫度補(bǔ)償方法不包括（）A補(bǔ)償導(dǎo)線法B電橋補(bǔ)償法C 冷端補(bǔ)償法D差動(dòng)放大法3、熱電偶測量溫度時(shí)，（）A需要加正向電壓B需要加反向電壓C加正向，反向都可以D不需要加電壓4、實(shí)際的熱電偶測量溫度應(yīng)用中，引用測量儀表而不影響測量結(jié)果是利用熱電偶的哪個(gè)基本定律（）A中間導(dǎo)體定律B中間溫度定律C標(biāo)準(zhǔn)電極定律D勻質(zhì)導(dǎo)體定律填空1、熱電動(dòng)勢(shì)來源于兩個(gè)方面，一部分是由兩種導(dǎo)體的——構(gòu)成，另一部分是由單一導(dǎo)體的——構(gòu)成。2、補(bǔ)償導(dǎo)線法常用作熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償，理論依據(jù)是——定律。3、常用的熱電勢(shì)傳感元件有——、——和熱敏電