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1、3.2 两种测温电阻式传感器,一.热电阻传感器,二.半导体热敏电阻传感器,热电阻传感器利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温。热电阻广泛用来测量200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。,一.热电阻传感器,要求：,（1）温度系数、电阻率较高 提高灵敏度，体积小，反应快,（2）理化性能稳定 提高稳定性和准确性，复现性好,（3）良好的输入-输出特性 线性/接近线性，测量精度高,（4）良好的工艺性 批量生产，降低成本,材料：纯金属-铂、铜、镍、铁,（5）较大的测温范围 特别是在低温范围,原理：热能 热电阻
2、电阻值,温度 热电阻 阻值,特点：,0+850：,0-200：,应用：,(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好,(2)输入输出特性接近线性,(4)贵重金属，成本较高,标准温度计，高精度工业测温，高低温测试,构成：,金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈,(3)测量精度高：0:1、0100:0.5、100650:0.5%,五、温度检测,R0：0时的温度 标准值(Pt100,Pt500),(2)铂电阻(Pt),1.工作原理,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值
3、与温度的变化趋势相同。,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。,对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 容易加工、价格尽量便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。,2.常用热电阻,铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出输入特性接近线性。铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量
4、。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。,(1)铂热电阻,在0850的温度范围内,Rt=R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，这些常数规定为,A=3.9710-13/B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4,按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为：在-2000的温度范围内,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),可见：热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不
5、同分度号亦有相应分度表，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,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+t）=4.2810-3/两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,(2)铜热电阻,当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作,铜热电阻的特点,铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大
6、，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。,铜热电阻的分度表分度号：Cu50,镍使用温度范围是-50100和-50150。但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）铟电阻适宜在-269-258温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。,(3)其它热电阻,热电阻的结构,电阻丝
7、采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。,用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,3.热电阻的测量电路,内部引线方式,两线制,两线制热电阻测量电桥,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。,三线制,用于工业测量，一般精度,三线制测温消除导线产生误差原理相临两桥臂增加同一阻值的电阻，对电桥的平衡无影响。,四线制,四线制热电阻测量电桥,实验室用，高精
8、度测量,4.热电阻分类,按材料分，热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。按结构分，普通型热电阻、锴装热电阻、薄膜热电阻按用途分，工业用热电阻、精密标准电阻,标准热电阻,标准热电阻主要用于做基准或标准测温仪表以及对其它测温仪表进行分度或校验用。标准铂电阻与工业铂热电阻的区别：所用铂丝的纯度高。在结构上主要考虑传热要好，热丝处于自由状态，以避免热应力产生。标准铂电阻没有标准化分度表，没有互换性。标准铂电阻的分类 低温标准铂热电阻：可用于做13.81K273.15K之间的基准温度仪表使用。中温标准铂热电阻：用于做90.188K630.74C范围内的基
9、准仪表。高温标准铂热电阻：有可能做630.74C1064.43C间的基准仪表。,工业用热电阻,热电阻的材料 热电阻的温度系数要大,因为只有大，热电阻温度计的灵敏度才高。物理、化学特性要稳定。电阻率要大。制成热电阻的体积可以小。测温的热惯性可以小（即反应快）电阻与温度的关系最好为线性 复现性好，复制性强 价格低,品种 目前做为工业热电阻常用的材料由：铜、铂、镍、铁（Cu、Pt、Ni、Fe）以及半导体热敏电阻等。1）铜热电阻：铜材料价格低且容易提纯。而且由较高的温度系数。特别是在0C100 C之间其电阻值与温度变化呈线性关系。2）铂热电阻：铂热电阻的突出特点是精度高，稳定性好，性能可靠。3）镍热电
10、阻：镍热电阻的突出特点是其电阻系数大，它比铜、铂电阻更为灵敏，适用于温度变化小而要求灵敏度高的地方。,热电阻的结构:工业用热电阻其结构主要也是由三大部分组成，即：保护套管、接线盒和感温元件三部分组成。1.铂热电阻感温元件 其骨架材料有云母的，玻璃的和陶瓷的三种 云母骨架：850C以下使用。玻璃骨架：该元件热惯性小，缺点是抗振性差，易碎，不易消除热应力。陶瓷骨架：抗振性好一些。缺点：不易消除燃结时产生的热应力。2铜热电阻,感温元件结构,铠装热电阻 优点：外径尺寸小（可达1.0mm），热惯性小，响应速度快；机械性能好，耐振动和冲击；可绕性好，适应面宽；闭封性好，寿命长,铠装式铂电阻外保护套管采用不
11、锈钢，内充满高密度氧化物绝缘体，因此具有很强的抗污染性能和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。铠装式铂电阻比装配式铂电阻直径小，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。可直接用铜导线和二次仪表相连接使用。由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。,薄膜铂热电阻元件，把金属铂研制成粉浆，采用先进的激光喷溅薄膜技术，及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上形成膜，引线经过激光调阻制成。铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。,热电阻温度计,通常工业上用于测温是采
12、用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。,5.热电阻的应用,不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCU 和稳压电源组成。,温度补偿,热敏电阻,热敏电阻由半导体材料制作,其阻值随温度的变化非常敏感,具有灵敏度高、体积小、反应快、工作稳定，结构简单等优点。,temperature,sensitive,二.半导体热敏电阻传感器
13、,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。,热敏电阻是利用半导体（某些金属氧化物如NiO,MnO2,CuO,TiO2)的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度显著变化。一般测温范围：50 300,热敏电阻图示,1.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,大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有
14、很高的负电阻温度系数，特别适用于：100300之间测温。PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。,PTC热敏电阻 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，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
15、用途：温度开关。NTC热敏电阻 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成 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,热敏电阻的结构形式,负温度系数热敏电阻（NTC）,正温度系数热敏电阻（PTC）,特性：电阻随温度升高而急剧下降。应用：广泛运用于温度测量和温度调节，还可用作补偿电阻作起动电阻 使用，克服冲击电流。,特性：电阻随温度升高而急剧增大。应用：通常用于小范围的温度测量，过热保护和延时开关。,2.热敏电阻的温度特性,半导体温度特性一般为负温度特性 半导体热敏电阻阻值与温度的关系式为：热敏电阻的特点 电阻温度系数大，灵敏度高 电阻率大，体积
16、小，阻值大，对导线电阻的变化不敏感。结构简单，反应快，适于测变化快的点温度。,温度补偿对一些仪表的重要元器件进行温度补偿。被补偿元器件具有正的温度系数。热敏电阻具有负的温度系数。,3.热敏电阻的应用,家电控温 温度过高，RT减小，T截止，K失电，K1断开。负载失电。,若RT为正温度系数，RW与RT对调即可,热电开关 K1是双金属70恒温常闭开关，温度上升到70时自动断开；K2是最高温度为103的磁钢控温器，低于103时，它吸合加热达到103时失去磁性，使杠杆断开电源。,基于热敏电阻的电机过热保护器：,Rt1 Rt2 Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近,温度低时：电阻高 三极管不导通 继电器不吸合 电机运行,温度高时：电阻低 三极管导通 继电器吸合 电机停止,热敏电阻的应用,谢谢大家，再见！,本次课到此结束，,
