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1、7.3 热电阻式传感器,7.3.1 金属热电阻7.3.2 半导体热敏电阻7.3.3 热电阻式传感器的应用,基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。优点：信号可以远传、灵敏度高、无参比温度。金属热电阻稳定性好、准确度高，可作为基准仪表。缺点：电源激励、自热现象，影响精度。,7.3.1 金属热电阻,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。,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,使用最广泛的热
2、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，相当于99.9995%工业用铂电阻的纯度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0 t 6
3、50时：,国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为10和100两种，分度号分别为Pt10和Pt100，并给出其分度表（给出阻值和温度的关系）,当温度t 在200 t 0时：,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。,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,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
4、Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。,A、B、C为常数，常取A(4.254.28)10-3/.,铜热电阻,2.热电阻的结构,普通工业用热电阻式温度传感器,热电阻的结构,电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相抵消）绕在绝缘支架上，图b所示。,1电阻体；2瓷绝缘套管；3不锈钢套管；4安装固定件；5引线口；6接线盒；7芯柱；8电阻丝；9保护膜；10引线端,热电阻结构,小型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,7.3.2 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：热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）电阻率大，体积小，
5、热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。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。,1.热敏电阻特点与类型,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 用途：各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻临界温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物在弱还原气氛中混合烧结而成。在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。用途：温度开关,热敏电阻分类,热敏电阻分类,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
6、物 混合烧结而成，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻。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,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：旁热式体积达到小型化与超小型化。,热敏电阻的结构形式,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻,贴片式NTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻,MF5
7、8型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,非标热敏电阻,3.热敏电阻的主要特性,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。,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
8、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电阻温度系数高很多，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,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。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
9、、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。,4.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。材料常数B(K)：描述材料特性的一个常数，取决于热敏电阻材料的激活能力，值大，灵敏度高。(3)电阻温度系数：指温度升高1时，电阻值的相对变化量。电阻率越高，温度系数也越大。(4)耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW/；(5)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；,(6)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。(7)时间常数
10、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。(8)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。,5.热敏电阻的线性化,NTC的几种组合电路及其热电特性,热敏电阻的电阻-温度特性呈指数关系，有较大非线性，一般处理方法是与温度系数小的电阻进行串并联，使其等效电阻在一定温度范围内是线性的。,7.3.3 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
11、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。,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。,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。,2r/R10-3时，误差才可忽略,三线制,热电阻
12、测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制，消除引线电阻影响，提高测量精度,G检流计，R1，R2，R3固定电阻，R a零位调节电阻，R t 热电阻,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，有效消除线路寄生电势。,调零电位器,四线制,实验室用，高精度测量四根导线引到现场温度计。当压表测量电流很小时，可完全消除引线电阻影响。,恒流源供电,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
13、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 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,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,温度测量,开关S旋到1处接通校正电路，调节R6使显示仪表的指针转至测量上限，用以消除由于电源E电压变化产生的误差。当热敏电阻感温元件插入被测介质后，再将切换开关旋到2处，接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。,热敏电
14、阻点温计,温度控制,简易温度控制器,由VR设定动作温度。如下：实际温度低时，R t 大，VT1的be之间电压大于导通电压，VT1导通，相继VT2也导通，继电器吸合，电热丝加热。当实际温度达到要求控制的温度时，由于R t（NTC型）的阻值降低，使VTl的be电压过低(0.6V),VTl截止，相继VT2截止，继电器断开，电热丝断电而停止加热。这样便达到控制温度的目的。,加热指示灯,温度补偿,仪表中的电阻温度补偿电路,金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差,改善温度系数非线性,(4)流量测量,热式质量流量计原理：流体中热传递与热转移与流体质量的关
15、系。利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。流量方程式：采用恒定功率法，测量温差T可以求出质量流量。若采用恒定温差法，求出输入功率P就可求出质量流量。,非接触式对称结构的热式流量计示意,1镍管；(导热性能好)2加热线圈；3测温线圈（电阻）；4调零电阻；5电表,原理：加热器、测温电阻安装在小口径金属管壁外，两个测温电阻接电桥输出。管内流体静止时，调节电桥平衡。当有流体流过时形成变化温度场，测温电阻变化，电桥不平衡电压输出，正比于温差T，由此测出质量。应用：热式流量计适用于微小流量测量。需测大流量时，要作分流。结构简单，压力损失小，非接触测量。缺点灵敏度低
16、，需温度补偿。,恒定功率法,液体流向,流量测量,利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等。,热敏电阻流量计,R t1和R t2分别置于管道中央和不受介质流速影响的小室中，介质静止时，电桥平衡；当介质流动时，将Rt1的热量带走，阻值变化，桥路相应输出。介质从R t1上带走的热量大小与介质流量有关，所以可以用它测流量。,插入式热式（气体）质量流量计,原理：由两个基准级热电阻(铂RTD)组成。一个是质量速度传感器T1，一个是测量气体温度变化的温度传感器T2。当这两个RTD置于被测气体中时，其中传感器T1被加热到气体温度以上的一个恒定的温差，另一个传感器T2用于感应被测气体温
17、度。随着气体质量流速的增加，气流带走更多热量,传感器T1的温度下降，要维持T1、T2恒定的温度差，T1的加热功率就要增大。,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,热敏电阻体温表,有保持功能,热敏电阻用于电热水器的温度控制,IC温度传感器的测温原理,以温敏晶体管为感温元件，将其与外围电路集成在一块芯片上制成，基于半导体PN结电压温度特性。感温电路用两个温敏晶体管差分构成，使PN结温度与输出电压或电流成线性关系，称PTAT（Proportional to Absolute Temperature）核心电路。具有体积小、反应快、线性较好与廉价的优点，测量范围-50150，适用于常温测量，不在主传感器
18、系列，工业上用于温度补偿。主要输出类型可分为电压型、电流型与数字型3种。,型号：LM135、LM235、LM335系列 工作温度：-55+150，-405+125，-10+100由PATA核心电路与放大电路组成，外部3个端子。,电压输出型集成温度传感器,第三端，外部调节25 时，调节10k电位器，使输出电压=2.982V，提高精度。,电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590器件电源电压430V，测温范围-50+150。,电流输出型集成温度传感器,AD590 引脚和符号表示,AD590伏安特性工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即KT标定
19、因子，AD590的标定因子为1A/K,I=KT TK,4V,30V,0,I/A,U/V,AD590伏安特性曲线,-55,+25,+150,218,298,423,其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc摄氏温度；I 的单位为A。可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。,I=KTTc273.2,AD590温度特性曲线,AD590典型应用,输出电流是以绝对温度零度（-273.2）为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273.2+25）=298.2A,电流回路串接1个10k电阻，Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为10K298.2A=2.982V,AD590的测量电路,AD590在温度25（298.2K）时，理想输出为298.2A，实际存在误差，可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K 的关系。,AD590 典型应用,本章作业,思考题 2，12，13，16，17练习题 4，5，9,
