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1、第七章第七章 热电式传感器热电式传感器7-1 7-1 热电阻传感器热电阻传感器 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。对温度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻效应热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的现象。物质的电阻率随温度变化而变化的现象。金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动着温度的
2、增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的动将受到阻碍，金属的电阻率电阻率也随之增大。也随之增大。实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是其中主要应用的是铂和铜铂和铜。铂铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。铜铜可用来制造可用来制造-50150范围内工业用电
3、阻温度外，特范围内工业用电阻温度外，特点是点是价格低廉价格低廉，缺点是，缺点是电阻率低电阻率低，且，且容易氧化容易氧化，一般用在较，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。l 铂丝的电阻值与温度之间的关系铂丝的电阻值与温度之间的关系 在在-2000范围内，范围内，RtR01+At+Bt 2+C(t100)t 3在在 0850范围内，范围内，RtR01+At+Bt 2 R0 当温度为当温度为0时的电阻值；时的电阻值；Rt 温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值；A、B、C 由实验确定的常数。由实验确定的常数。A 3.9080210-3/B=-5.80210
4、-7/2C-4.2735010-12/4铂电阻的主要技术指标铂电阻的主要技术指标等等级级分度号分度号测温范围测温范围/C允许偏差允许偏差/C电阻比电阻比R100/R0名义值名义值允许误允许误差差APt10-200850(0.15+0.002|t|)1.3850.001Pt100BPt10(0.30+0.005|t|)Pt100即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性；有较高的电阻率；在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高；价格贵。铂电阻的特点铂电阻的特点 几种铂电阻几种铂电阻WZP系列装配式铂电阻系列装配式铂电阻及铠装电阻芯及铠装电阻芯用于一般工业
5、场测温用于一般工业场测温使用温度-200700 高强度石英管测温铂电阻高强度石英管测温铂电阻温度范围温度范围-100C至至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合碱等强腐蚀场合注注:不耐氢氟酸及磷酸不耐氢氟酸及磷酸精密温度传感器精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级 天燃气流量计天燃气流量计温度补偿用铂电阻温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用天燃气涡轮流量计等用油浸变压器用铂电阻油浸变压器用铂电阻 医疗器械铂电阻医疗器械铂电阻 薄模铂电阻元件薄模铂电阻元件用用 于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。于汽车工业、白色家电，食品
6、加工业、医疗行业。尺寸：尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长（长宽宽高）高）线长线长 10mm防水封装铂电阻防水封装铂电阻核心元件：德国进口精密铂电阻（核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100 PT1000）元件精度：元件精度：0.15(A级级)0.30(B级级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸：管料尺寸：4*25mm 连接线：连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）包胶电缆线（可选择耐高温型的）在在-50150温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：RtR0(1+At+Bt 2+Ct 3)Rt 温度为温度为t时的铜电
7、阻值时的铜电阻值 R0 温度为温度为0时的铜电阻值时的铜电阻值A、B、C 常数常数 A4.2889910-3/B-2.13310-7/2 C1.23310-9/3l 铜丝的电阻值与温度之间的关系铜丝的电阻值与温度之间的关系 目前，铂和铜生产是标准的。目前，铂和铜生产是标准的。铂：铂：Pt50、Pt100、Pt300 主要是主要是Pt100（R050、100、300）铜：铜：Cu50、Cu100 铂的测温精度很高，达铂的测温精度很高，达0.001 铜铜0.5（5050），），1（50150）铜电阻的主要技术指标铜电阻的主要技术指标分度号分度号测温范围测温范围/C允许偏差允许偏差/C电阻比电阻比R
8、100/R0名义值名义值 允许误差允许误差Cu50-50150(0.30+0.006|t|)1.4280.002Cu100铜电阻的特点铜电阻的特点电阻率小；容易氧化；价格便宜。WZC-111/12*1000mm Cu50 l 热电阻的结构热电阻的结构 保护管保护管内部导线内部导线绝缘管绝缘管热电阻热电阻盖盖接线座接线座骨架骨架漆包铜线漆包铜线引出线引出线铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图云母骨架云母骨架铂丝铂丝弹簧支承片弹簧支承片 银引出线银引出线云母弹簧型云母弹簧型玻璃封装型玻璃封装型塑封型塑封型R1R2R3ERtGRpl 热电阻测量线路热电阻测量线路 热电阻测温电桥三线连接法热电阻测温电
9、桥三线连接法 作用作用：当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。Rp的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。r2r1r3热电阻测温电桥四线连接法热电阻测温电桥四线连接法 当热电阻安装当热电阻安装的地方比较远，则的地方比较远，则其导线电阻当环境其导线电阻当环境温度变化时也要变温度变化时也要变化，会造成测量误化，会造成测量误差。差。图
10、中图中R1、R2、R3为固定电阻，为固定电阻，Rp为为调零电位器调零电位器 R1R2R3ERtGRpr1r2r3r4其它热电阻其它热电阻 铁铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于线性，仅用于-50100；用的较少。；用的较少。铟电阻：铟电阻：-269-258；测量精度高，灵敏度；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。高，但重现性差。锰电阻：锰电阻：-271-210；灵敏度高，但脆性高，；灵敏度高，但
11、脆性高，易损坏；易损坏；炭电阻：炭电阻：-273-268.5；热容量小，灵敏度；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。高，价格低，易操作，但热稳定性较差。7-2 7-2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 热敏电阻是用半导体材热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有热电阻比较而言，具有温度温度系数高系数高，灵敏度高灵敏度高，热惯性热惯性好（适宜动态测量）好（适宜动态测量）但其但其稳稳定性和互换性较差定性和互换性较差。温度温度半导体半导体热敏电阻热敏电阻电电阻阻铂热电阻铂热电阻金属的电阻随温度的升高而金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却
12、相反，它增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。剧减小，并呈现非线性。一、工作原理一、工作原理 半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。率很大。随着温度的升高随着温度的升高，半导体中参加导电的载流，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻半导体导电率就增加，它的电
13、阻率也就降低了率也就降低了。热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。变化。NTC热敏电阻的材料是一种由锰（热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍）、镍（Ni）、铜（）、铜（Cu）、钴（）、钴（Co）、铁（）、铁（Fe）等金属）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混
14、氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温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度系数不同NTC热敏电阻热敏电阻。它具有。它具有 NTC热敏电阻应用广泛。热敏电阻应用广泛。二、热敏电阻的基本类型二、热敏电阻的基本类型 1、NTC热敏电阻热敏电阻 根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为三种类型。电阻基本可分为三种类型。2、CTR热敏电阻热敏电阻 CTR热敏电阻是以三氧化热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合硅氧化物的弱
15、还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，有负温度系数。通常，CTR热热敏电阻用树脂包封成珠状或厚敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在膜形使用，其阻值在1k 10M之间。之间。CTR热敏电阻随温度变化热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于性，如左图所示。当温度高于居里点居里点TC时，其阻值会减小到时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为临界状态，突变的数量级为24。因此又称这类热敏电阻为临界因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻热敏电阻。Tc温度温度T（）2001501005001031
16、01105107电阻率电阻率（.cm）3、PTC热敏电阻热敏电阻TNTC1062001000101102103104105107温度温度T（）电阻率电阻率（.cm）PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特性曲线上可曲线如左图所示，从特性曲线上可以看到以看到PTC热敏电阻具有以下特性：热敏电阻具有以下特性：(1)当温度低于居里点当温度低于居里点TC时，具有时，具有半导体特性；半导体特性；(2)当温度高于居里点当温度高于居里点TC时，电阻时，电阻值随温度升高而急剧增大，至值随温度升高而急剧增大，至TN温温度时出现负阻现象；度时出现负阻现象；(3)具有通电瞬间产生强大电流而具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。后很快衰减的特性。基于基于PTC热敏电阻的特性，可利热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以限流保护元件或温控开关。还可以用用PTC组成发热元件，功率一般为组成发
