热电阻式传感器-演示文稿课件

6.2热电阻式传感器l6.2.1 金属热电阻金属热电阻l6.2.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻l6.2.3 热电阻式传感器的应用热电阻式传感器的应用 上一页下一页返回1l利用导体和半导体的电阻随温度变化的原理测温。利用导体和半导体的电阻随温度变化的原理测温。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。大多数金属在温度升高大类。大多数金属在温度升高1 1 C C 时电阻将增加时电阻将增加0.40.40.60.6。但半导体电阻一般随温度升高而减。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高小，其灵敏度比金属高，每升高1 1 C C ，电阻约减小，电阻约减小2 26 6。热电阻广泛用来测量。热电阻广泛用来测量-200+850-200+8500 0C C范围内范围内的温度，少数情况下，低温可测量至的温度，少数情况下，低温可测量至1K,1K,高温达高温达100010000 0C C。l目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。镍，它们已得到广泛的应用。热电阻温度计热电阻温度计26.2.1金属热电阻热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求：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；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；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；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；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。应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜使用最广泛的热电阻材料是铂和铜上一页下一页返回3表表表表 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 41.1.常用热电阻常用热电阻l 铂热电阻铂热电阻主主要要作作为为标标准准电电阻阻温温度度计计，广广泛泛应应用用于于温温度度基准、标准的传递。基准、标准的传递。l 铜热电阻铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为范围一般为50150。上一页下一页返回5 铂热电阻铂热电阻 目前最好材料目前最好材料 长长时时间间稳稳定定的的复复现现性性可可达达10-4 K，是是目目前前测测温温复现性最好的一种温度计。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铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 百度电阻比百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高，）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，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目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W（100）为）为1.3871.390。上一页下一页返回6 铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度当温度t在在200 t 0时：时：当温度当温度t在在0 t 650时：时：国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）其分度表（给出阻值和温度的关系）上一页下一页返回7各种铂热电阻各种铂热电阻 8附录铂热电阻分度表9铜热电阻l应应 用：用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：测量范围：50150l优优 点：点：温温度度范范围围内内线线性性关关系系好好，灵灵敏敏度度比比铂铂电电阻阻高高，容容易易提提纯、加工，价格便宜，复制性能好。纯、加工，价格便宜，复制性能好。l缺缺 点：点：易易于于氧氧化化，一一般般只只用用于于150以以下下的的低低温温测测量量和和没没有有水水分及无侵蚀性介质的温度测量。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。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。上一页下一页返回10铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为关系是线性的关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取按国内统一设计取50和和100两种，两种，分度号分别为分度号分别为Cu50和和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。相应的分度表可查阅相关资料。上一页下一页返回11汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻122.2.热电阻的结构热电阻的结构上一页下一页返回普普通通工工业业用用热热电电阻阻式式温温度度传传感感器器13铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图上一页下一页返回146.2.2半导体热敏电阻利用半导体的利用半导体的电阻值随温度显著变化电阻值随温度显著变化的特性制成的特性制成由由金属氧化物金属氧化物和和化合物化合物按不同的配方比例按不同的配方比例烧结烧结优点：优点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍）(2)电电阻阻率率大大，体体积积小小，热热惯惯性性小小，适适于于测测量量点点温温、表面温度及快速变化的温度。表面温度及快速变化的温度。(3)结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。线性度较差，复现性和互换性较差。上一页下一页返回15热敏电阻分类：上一页下一页返回热敏电阻特点：热敏电阻特点：1.1.温度系数远大于金属热电阻，温度系数远大于金属热电阻，灵敏度高灵敏度高。2.2.同温度时阻值远大于金属热同温度时阻值远大于金属热电阻。连接导线电阻影响小，电阻。连接导线电阻影响小，适于远距离传输适于远距离传输。3.3.非线性严重，测温范围非线性严重，测温范围远远小小于金属热电阻。于金属热电阻。正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC)临界温度系数临界温度系数(CTR)1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC1234铂丝16 热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（）和正温度系数（PTC）之分。）之分。NTC又可分为两大类：又可分为两大类：1.用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格负指数关系；用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格负指数关系；2.突变型（突变型（CTR）。温度上升到某临界点时，电阻值突然下降。）。温度上升到某临界点时，电阻值突然下降。6.2.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻PTC热敏电阻热敏电阻 用用途途：彩彩电电消消磁磁，各各种种电电器器设设备备的的过过热热保保护护，发发热热源源的的定温控制，限流元件。定温控制，限流元件。CTR热敏电阻热敏电阻 用途：温度开关。用途：温度开关。NTC热敏电阻热敏电阻 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量动控制及应用：点温、表面温度、温差、温场等测量动控制及电子线路的热补偿线路电子线路的热补偿线路17热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类（1）大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化 物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系18热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTRV、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子19NTC热敏电阻热敏电阻1.1.热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性2.2.热敏电阻的结构热敏电阻的结构3.3.热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数4.4.热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化上一页下一页返回201.1.热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 伏安特性伏安特性上一页下一页返回21 温度特性温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性温度特性 式中式中 RT,R0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值时的阻值()；T0,T 介质的起始温度和变化温度（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（介质的起始温度和变化温度（）；）；B热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为20006000K，其大小取决于热敏电阻的材料。其大小取决于热敏电阻的材料。上一页下一页返回22若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。值。一般取一般取20和和100时的电阻时的电阻R20 和和R100计算计算B值，值，即将即将T=373K，T0=293K代入上式，则代入上式，则将将B值及值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性代入式就确定了热敏电阻的温度特性:上一页下一页返回23 B和和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，值是表征热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高很多，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量时，电阻值的相对变化量上一页下一页返回24伏安特性l在稳态情况下，通过热敏电阻的电流在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端与其两端的电压的电压U之间的关系，之间的关系，上一页下一页返回25伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时当流过热敏电阻的电流很小时:不不足足以以使使之之加加热热。电电阻阻值值只只决决定定于于环环境境温温度度，伏伏安安特特性性是直线，遵循欧姆定律。主要用来是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温测温。当电流增大到一定值时：当电流增大到一定值时：流流过过热热敏敏电电阻阻的的电电流流使使之之加加热热，本本身身温温度度升升高高，出出现现负负阻阻特特性性。因因电电阻阻减减小小，即即使使电电流流增增大大，端端电电压压反反而而下下降降。其其所所能能升升高高的的温温度度与与环环境境条条件件(周周围围介介质质温温度度及及散散热热条条件件)有有关关。当当电电流流和和周周围围介介质质温温度度一一定定时时，热热敏敏电电阻阻的的电电阻阻值值取取决决于于介介质质的的流流速速、流流量量、密密度度等等散散热热条条件。可用它来件。可用它来测量流体速度和介质密度测量流体速度和介质密度。上一页下一页返回262.2.热敏电阻的结构热敏电阻的结构构成：构成：热敏探头、引线、壳体热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：二端和三端器件：为为直直热热式式，即即热热敏敏电电阻阻直直接接由由连连接接的的电电路路获得功率；获得功率；四端器件：四端器件：旁热式旁热式上一页下一页返回27热敏电阻的结构形式上一页下一页返回28温度检测用的各种热敏电阻器探头1热敏电阻；2铂丝；3银焊；4钍镁丝；5绝缘柱；6玻璃各种热敏电阻传感器结构各种热敏电阻传感器结构293.热敏电阻的主要参数 标标称称电电阻阻值值RH 在在环环境境温温度度为为250.2时时测测得得的的电电阻阻值值，又又称称冷冷电电阻阻。其其大大小小取取决决于于热热敏敏电电阻的材料和几何尺寸。阻的材料和几何尺寸。耗耗散散系系数数H 指指热热敏敏电电阻阻的的温温度度与与周周围围介介质质的的温温度度相相差差1时时热热敏敏电电阻阻所所耗耗散散的的功功率率，单单位位为为mW/；热热容容量量C 热热敏敏电电阻阻的的温温度度变变化化1所所需需吸吸收收或或释放的热量，单位为释放的热量，单位为J；上一页下一页返回30 能量灵敏度能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。时时间间常常数数 温温度度为为T0的的热热敏敏电电阻阻突突然然置置于于温温度度为为T 的的介介质质中中，热热敏敏电电阻阻的的温温度度增增量量T=0.63(TT0)时所需的时间。时所需的时间。额额定定功功率率PE 在在标标准准压压力力（750mmHg）和和规规定定的的最最高高环环境境温温度度下下，热热敏敏电电阻阻长长期期连连续续使使用用所所允允许许的的耗耗散散功功率率，单单位位为为W。在在实实际际使使用用时时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率 上一页下一页返回31聚脂塑料封装热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻MF12MF12型型NTCNTC热敏电阻热敏电阻玻璃封装玻璃封装NTC热敏电阻热敏电阻 MF58型（珠形）高精度型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻 贴片式贴片式NTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻外形热敏电阻外形 324.热敏电阻的线性化上一页下一页返回串联在热敏电阻中的R的最佳值336.2.3热电阻式传感器的应用1 1、金属热电阻传感器金属热电阻传感器 200200+500+500范围的温度测量范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。特点：精度高、适于测低温。2 2、半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器应应用用范范围围很很广广，可可在在宇宇宙宙航航船船、医医学学、工工业业及及家家用用电电器器等等方方面面用用作作测测温温、控控温温、温温度度补补偿偿、流流速速测测量量、液液面指示等。面指示等。上一页下一页返回341、金属热电阻传感器工业广泛使用，工业广泛使用，200+500范围温度测量。范围温度测量。在在特特殊殊情情况况下下，测测量量的的低低温温端端可可达达3.4K，甚甚至至更更低，低，1K左右。高温端可测到左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：温度测量的特点：精度高、适于测低温。精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用传感器的测量电路：经常使用电桥电桥 精度较高的是自动电桥。精度较高的是自动电桥。为为消消除除由由于于连连接接导导线线电电阻阻随随环环境境温温度度变变化化而而造造成成的测量误差，常采用的测量误差，常采用三线制三线制和和四线制四线制连接法。连接法。上一页下一页返回35三线制三线制 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法 工业用热电阻一般采用三线制工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，检流计，R1，R2，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻，R t 热电阻热电阻上一页下一页返回较好的消除引线电阻的影响，提高较好的消除引线电阻的影响，提高测量精度。工业热电阻多采用此法测量精度。工业热电阻多采用此法36四线制接法四线制接法 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法 精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法 上一页下一页返回较好的消除引线电阻的影响，同较好的消除引线电阻的影响，同时消除测量电路中寄生电势引起时消除测量电路中寄生电势引起的误差。用于高精度温度测量。的误差。用于高精度温度测量。37铂测温电阻传感器铂测温电阻传感器 l铂测温电阻缺点铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、：响应速度慢、容易破损、难于测定狭窄位置的温度。难于测定狭窄位置的温度。l现现逐逐渐渐使使用用能能大大幅幅度度改改善善上上述述缺缺点点的的极极细细型型铠铠装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。l主要应用：主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽物化设备及恒温槽 上一页下一页返回38金属丝热电阻作为气体传感器的应用 1连通玻璃管连通玻璃管 2流通玻璃管流通玻璃管 3铂丝铂丝（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，）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）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化上一页下一页返回392、半导体热敏电阻传感器 温度测量温度测量 温度控制温度控制 温度补偿温度补偿 流量测量流量测量上一页下一页返回40伏安特性的位置在仪器仪表中的应用U m的左边温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、热传导测定、比热测定U m的附近液位测定、液位检测U m的右边流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析旁热型热敏电阻器风速计、液面计、真空计（U m峰值电压）检测用的热敏电阻在仪表中的应用热敏电阻器的应用热敏电阻器的应用41测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏电阻的伏安特性决定。电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类在仪器仪表中的应用U m的左边偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿U m的附近恒压电路、延迟电路、保护电路U m的右边自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路伏安特性的位置热敏电阻器的应用热敏电阻器的应用42 温度测量温度测量 上一页下一页返回热敏电阻点温计热敏电阻点温计 43 温度控制温度控制上一页下一页返回简简易易温温度度控控制制器器 44 温度补偿温度补偿上一页下一页返回仪仪表表中中的的电电阻阻温温度度补补偿偿电电路路 金属一般具有正的温度系数，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，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可以抵消由于温度变化所产生的误差 45流量测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系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、风速等可以测量流量、流速、风速等 上一页返回热热敏敏电电阻阻流流量量计计 46个人观点供参考，欢迎讨论！