N-6.2 熱電阻式傳感器

1、6.2 熱電阻式傳感器6.2.1 金屬熱電阻金屬熱電阻6.2.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳感器的應用熱電阻式傳感器的應用 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：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；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速度；熱容量要小，以便提高熱電阻的響應速度；在測量范圍內，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能；在測量范圍內，應具有穩(wěn)定的物理和化學

2、性能；電阻與溫度的關系最好接近于線性；電阻與溫度的關系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。應有良好的可加工性，且價格便宜。使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅1. 常用熱電阻鉑熱電阻鉑熱電阻主要作為標準電阻溫度計，廣泛應用于溫度基準、標主要作為標準電阻溫度計，廣泛應用于溫度基準、標準的傳遞。準的傳遞。銅熱電阻銅熱電阻測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為為50150。 鉑熱電阻長時間穩(wěn)定的復現(xiàn)性可達長時間穩(wěn)定的復現(xiàn)性可達10-4 K ，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一種溫度計。種溫度計

3、。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關 0100)100(RRW百度電阻比百度電阻比 W（100）越高，表示鉑絲純度越高，）越高，表示鉑絲純度越高，國際實用溫標規(guī)定，作為基準器的鉑電阻，國際實用溫標規(guī)定，作為基準器的鉑電阻，W（100）1.3925目前技術水平已達到目前技術水平已達到W（100）1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為）為1.3871.390。 鉑絲的電阻值與溫度之間的關系，即特性方程如下：鉑絲的電阻值與溫度之間的關系，即特性方程如下： 當溫度當溫度t在在200 t 0時：時： )100(1 320ttCtBtARRt當溫度當溫度

4、t在在0 t 650時：時： 1 20tBtARRt國內統(tǒng)一設計的工業(yè)用標準鉑電阻，國內統(tǒng)一設計的工業(yè)用標準鉑電阻，W（100）1.391，R0分為分為50和和100兩種，分度號分別為兩種，分度號分別為Pt50和和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關系）其分度表（給出阻值和溫度的關系） 銅熱電阻應應 用：測量精度要求不高且溫度較低的場合用：測量精度要求不高且溫度較低的場合測量范圍：測量范圍：50150優(yōu)優(yōu) 點：點：溫度范圍內線性關系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加溫度范圍內線性關系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價格便宜，復制性能好。工，價格便宜，復制性能好。缺缺 點：點：易于氧化

5、，一般只用于易于氧化，一般只用于150以下的低溫測量和沒有水分及無以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質的溫度測量。侵蝕性介質的溫度測量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。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系為銅電阻的阻值與溫度之間的關系為)1 (0tRRt關系是線性的關系是線性的 工業(yè)上使用的標準化銅熱電阻的工業(yè)上使用的標準化銅熱電阻的R0 ，按國內統(tǒng)一設計取，按國內統(tǒng)一設計取50和和100兩種，分度號分別為兩種，分度號分別為Cu50和和Cu100，相應的分度表，相應的分度表可查閱相關資料。可查閱相關資料。 2. 熱電阻的結構普通工業(yè)用熱電阻

6、式溫度傳感器普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器銅熱電阻結構示意圖銅熱電阻結構示意圖 鉑熱電阻結構示意圖鉑熱電阻結構示意圖 6.2 熱電阻式傳感器6.2.1 金屬熱電阻金屬熱電阻6.2.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳感器的應用熱電阻式傳感器的應用 6.2.2 半導體熱敏電阻利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成由利用半導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金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結.優(yōu)優(yōu) 點：點： (1) 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍）倍）; (2) 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫

7、、電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度表面溫度及快速變化的溫度; (3) 結構簡單、機械性能好。結構簡單、機械性能好。缺點：線性度較差，復現(xiàn)性和互換性較差。缺點：線性度較差，復現(xiàn)性和互換性較差。熱敏電阻分類：正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)(PTC)負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)(NTC) 臨界溫度系數(shù)臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻典型特性熱敏電阻典型特性 PTC熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù) 結構：結構：鈦酸鋇摻合稀土元素燒結而成；鈦酸鋇摻合稀土元素燒結而成； 用途：用途：彩電消磁，各種電器設備的過熱保護，發(fā)熱源的定溫彩電消磁，各種電器設備的過熱保護，發(fā)熱源的定溫 控制，限流元

8、件?？刂?，限流元件。CTR熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻負溫度系數(shù) 結構：結構：以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的 弱還原氣氛中混合燒結而成；弱還原氣氛中混合燒結而成； 用途：用途：溫度開關。溫度開關。NTC熱敏電阻很高的負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻很高的負電阻溫度系數(shù) 結構：結構：主要由主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物混合等過渡金屬氧化物混合燒結而成；燒結而成； 應用：應用：點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量，自動控制及電點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量，自動控制及電子線路的熱補償線路。子線路的熱補償線路。NTC熱敏電阻熱敏電阻

9、的結構熱敏電阻的結構熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的線性化熱敏電阻的線性化熱敏電阻的結構構成：熱敏探頭、引線、殼體；構成：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；接的電路獲得功率；四端器件：旁熱式。四端器件：旁熱式。熱敏電阻的結構形式 熱敏電阻的主要特性 溫度特性溫度特性 伏安特性伏安特性 溫度特性NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內，電阻型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內，電阻-溫度特性溫度特性 00273127310110ttBTTBTeReRR式中式中 R

10、T , R0熱敏電阻在絕對溫度熱敏電阻在絕對溫度T，T0時的阻值時的阻值()； T0, T 介質的起始溫度和變化溫度（介質的起始溫度和變化溫度（K）；）； t0 , t 介質的起始溫度和變化溫度（介質的起始溫度和變化溫度（）；）； B 熱敏電阻材料常數(shù)，一般為熱敏電阻材料常數(shù)，一般為20006000K， 其大小取決于熱敏電阻的材料。其大小取決于熱敏電阻的材料。0011lnTTRRBT若已知兩個電阻值以及相應的溫度值，就可求得若已知兩個電阻值以及相應的溫度值，就可求得B值。值。一般取一般取20和和100時的電阻時的電阻R20 和和R100計算計算B值，值，即將即將T=373K，T0=293K代入

11、上式，則代入上式，則100201365RRnlB將將B值及值及R0=R20 代入式就確定了熱敏電阻的溫度特性代入式就確定了熱敏電阻的溫度特性: 21TBdTdRRTT B和和值是表征熱敏電阻材料性能的兩個重要參數(shù)，熱敏電值是表征熱敏電阻材料性能的兩個重要參數(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。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熱敏電阻在其本身溫度變化1時，電阻值的相對變化量時，電阻值的相對變化量 伏安特性在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端的與其兩端的電壓電壓U之間

12、的關系，之間的關系， 伏安特性當流過熱敏電阻的電流很小時當流過熱敏電阻的電流很小時: 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。線，遵循歐姆定律。主要用來測溫。當電流增大到一定值時：當電流增大到一定值時： 流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負阻特流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能性。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)境條件升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質溫度及散熱條件周圍介質溫度及散熱條件)有關

13、。當有關。當電流和周圍介質溫度一定時，熱敏電阻的電阻值取決于介質電流和周圍介質溫度一定時，熱敏電阻的電阻值取決于介質的流速、流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇頊y量流體速度和的流速、流量、密度等散熱條件。可用它來測量流體速度和介質密度。介質密度。熱敏電阻的主要參數(shù) 標稱電阻值標稱電阻值RH 在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為250.2時測得的時測得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。材料和幾何尺寸。 耗散系數(shù)耗散系數(shù)H 指熱敏電阻的溫度與周圍介質的溫指熱敏電阻的溫度與周圍介質的溫度相差度相差1時熱敏電阻所耗散的功率，單位為時熱敏電阻所耗散的功率

14、，單位為mW /； 熱容量熱容量C 熱敏電阻的溫度變化熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋所需吸收或釋放的熱量，單位為放的熱量，單位為J； 能量靈敏度能量靈敏度G （W） 使熱敏電阻的阻值變化使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。 時間常數(shù)時間常數(shù) 溫度為溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為的熱敏電阻突然置于溫度為T 的介質中，熱敏電阻的溫度增量的介質中，熱敏電阻的溫度增量T= 0.63 (TT0) 時時所需的時間：所需的時間： 額定功率額定功率PE 在規(guī)定的技術條件下，熱敏電阻長期在規(guī)定的技術條件下，熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為W。

15、在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率。定功率。 100)/(HGHC/熱敏電阻的線性化可通過在熱敏電阻上串并聯(lián)固定電阻，作成組合式元件來代替可通過在熱敏電阻上串并聯(lián)固定電阻，作成組合式元件來代替單個熱敏元件，使組合式元件電路特性參數(shù)保持一致并獲得一單個熱敏元件，使組合式元件電路特性參數(shù)保持一致并獲得一定程度的線性特性。定程度的線性特性。6.2 熱電阻式傳感器6.2.1 金屬熱電阻金屬熱電阻6.2.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳感器的應用熱電阻式傳感器的應用 6.2.3 熱電阻式傳感器的應用1 1、金屬熱電阻傳感器

16、、金屬熱電阻傳感器 200200+500+500范圍的溫度測量范圍的溫度測量 特點：精度高、適于測低溫。特點：精度高、適于測低溫。2 2、半導體熱敏電阻傳感器、半導體熱敏電阻傳感器應用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學、工業(yè)及家用電應用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學、工業(yè)及家用電器等方面用作測溫、控溫、溫度補償、流速測量、液器等方面用作測溫、控溫、溫度補償、流速測量、液面指示等。面指示等。 1、金屬熱電阻傳感器工業(yè)廣泛使用，工業(yè)廣泛使用，200+500范圍溫度測量。范圍溫度測量。在特殊情況下，測量的低溫端可達在特殊情況下，測量的低溫端可達3.4K，甚至更低，甚至更低，1K左右。高溫端可測到左右。高溫端

17、可測到1000。溫度測量的特點：精度高、適于測低溫。溫度測量的特點：精度高、適于測低溫。傳感器的測量電路：經常使用電橋、精度較高的是自傳感器的測量電路：經常使用電橋、精度較高的是自動電橋。動電橋。為消除由于連接導線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測為消除由于連接導線電阻隨環(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。量誤差，常采用三線制和四線制連接法。三線制 熱電阻測溫電橋的三線制接法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工業(yè)用熱電阻一般采用三線制 G檢流計，檢流計，R1 ，R2 ，R3固定電阻，固定電阻，R a零位調節(jié)電阻，零位調節(jié)電阻， R t 熱電阻熱電阻四線制接法

18、 熱電阻測溫電橋的四線制接法熱電阻測溫電橋的四線制接法 精密測量中，采用四線制接法精密測量中，采用四線制接法 鉑測溫電阻傳感器 鉑測溫電阻缺點鉑測溫電阻缺點：響應速度慢、容易破損、：響應速度慢、容易破損、 難于測定狹窄位置的溫度。難于測定狹窄位置的溫度?，F(xiàn)逐漸使用能大幅度改善上述缺點的極細型鎧裝鉑現(xiàn)逐漸使用能大幅度改善上述缺點的極細型鎧裝鉑測溫電阻，因而使應用領域進一步擴大。測溫電阻，因而使應用領域進一步擴大。主要應用：主要應用：鋼鐵、石油化工的各種工藝過程；纖維等鋼鐵、石油化工的各種工藝過程；纖維等工業(yè)的熱處理工藝；食品工業(yè)的各種自動裝置；空工業(yè)的熱處理工藝；食品工業(yè)的各種自動裝置；空調、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設備及恒溫槽調、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設備及恒溫槽 金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應用 1連通玻璃管連通玻璃管 2流通玻璃管流通玻璃管 3鉑絲鉑絲 （a）真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感，）真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感， 實際應用中有恒溫或溫度補償裝置?？蓽y到實際應用中有恒溫或溫度補償裝置?？蓽y到133.32210-5Pa。（b）可檢測管內氣體介質成分比例變化、熱風流速變化）可檢測管內氣體介質成分比例變化、熱風流速變化2、半導體熱敏電阻傳感器 溫