傳感器與檢測技術(shù)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(dǎo)體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)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(yīng)速度；在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。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主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。銅熱電阻測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為50150。 鉑

2、熱電阻長時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 K ，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān) 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(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）1.3925目前技術(shù)水平已達(dá)到目前技術(shù)水平已達(dá)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(guān)系，即特性方程如下：鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下： 當(dāng)溫度當(dāng)溫度t在在

3、200 t 0時(shí)：時(shí)： )100(1 320ttCtBtARRt當(dāng)溫度當(dāng)溫度t在在0 t 650時(shí)：時(shí)： 1 20tBtARRt國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系）其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系） 銅熱電阻應(yīng) 用：測量精度要求不高且溫度較低的場合測量范圍：50150優(yōu) 點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。缺 點(diǎn)：易于氧化，一般只用于150以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度

4、測量。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(guān)系為銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為)1 (0tRRt關(guān)系是線性的關(guān)系是線性的 工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和和100兩種，兩種，分度號分別為分度號分別為Cu50和和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。 2. 熱電阻的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用熱電阻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(jié)構(gòu)示意圖 鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖 6.2 熱電阻式傳感器6.2.1 金屬熱電阻6.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳

5、感器的應(yīng)用 6.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻利用半導(dǎo)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(jié)優(yōu) 點(diǎn)： (1) 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍） (2) 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點(diǎn)溫、表面溫度及快速變化的溫度。 (3) 結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械性能好。缺點(diǎn)：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。熱敏電阻分類：正溫度系數(shù)(PTC)負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 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) 鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成 用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)， 發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。CTR熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇

6、、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成 用途：溫度開關(guān)。NTC熱敏電阻很高的負(fù)電阻溫度系數(shù) 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物 混合燒結(jié)而成 應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場等測量 自動控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路NTC熱敏電阻熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的線性化熱敏電阻的結(jié)構(gòu)構(gòu)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接的電路獲得功率；四端器件：旁熱式熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式 溫度特性NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，電阻型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，電阻-溫度特性溫度特性 00273127310110t

7、tBTTBTeReRR式中式中 RT , R0熱敏電阻在絕對溫度熱敏電阻在絕對溫度T，T0時(shí)的阻值時(shí)的阻值()； T0, T 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（K）；）； t0 , t 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（介質(zhì)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熱敏電阻的主要特性 若已知兩個(gè)電阻值以及相應(yīng)的溫度值，就可求得若已知兩個(gè)電阻值以及相應(yīng)的溫度值，就可求得B值。值。一般取一般取20和和100時(shí)的電阻時(shí)的電阻R20 和和R100計(jì)算

8、計(jì)算B值，值，即將即將T=373K，T0=293K代入上式，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(gè)重要參數(shù)，值是表征熱敏電阻材料性能的兩個(gè)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，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。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1時(shí)，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I與其兩端的電壓U之間的關(guān)系， 伏安特性當(dāng)流過熱敏電阻的電流

9、很小時(shí):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。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)：流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性。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(周圍介質(zhì)溫度及散熱條件)有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)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(zhì)密度。熱敏電阻的主要參數(shù) 標(biāo)稱電阻值RH 在環(huán)境溫度為250.2時(shí)測得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。 耗散系數(shù)H 指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1時(shí)熱敏電阻所耗散的功率，單位為mW /

10、； 熱容量C 熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為J； 能量靈敏度G （W）使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。 時(shí)間常數(shù) 溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T 的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量T= 0.63 (TT0) 時(shí)所需的時(shí)間。 額定功率PE 在規(guī)定的技術(shù)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W。在實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率 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單個(gè)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。6.2 熱電阻式傳感器6.2.1 金屬熱電阻6.2.2

11、 半導(dǎo)體熱敏電阻6.2.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)用熱電阻式傳感器的應(yīng)用 6.2.3 熱電阻式傳感器的應(yīng)用1、金屬熱電阻傳感器 200+500范圍的溫度測量 特點(diǎn)：精度高、適于測低溫。2、半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面用作測溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測量、液面指示等。 1、金屬熱電阻傳感器工業(yè)廣泛使用，200+500范圍溫度測量。在特殊情況下，測量的低溫端可達(dá)3.4K，甚至更低，1K左右。高溫端可測到1000。溫度測量的特點(diǎn)：精度高、適于測低溫。傳感器的測量電路：經(jīng)常使用電橋、精度較高的是自動電橋。為消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采

12、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(jì)，檢流計(jì)，R1 ，R2 ，R3固定電阻，固定電阻，R a零位調(diào)節(jié)電阻，零位調(diào)節(jié)電阻， R t 熱電阻熱電阻四線制接法 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 精密測量精密測量中，采用四線制接法中，采用四線制接法 鉑測溫電阻傳感器 鉑測溫電阻缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢、容易破損、 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(diǎn)的極細(xì)型鎧裝鉑測溫電阻，因而使應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。主要應(yīng)用：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；空調(diào)、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設(shè)備及恒溫槽 金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應(yīng)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）真空度測量真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感，方法對環(huán)境溫度變化比較敏感， 實(shí)際應(yīng)用中有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置?？蓽y到實(shí)際應(yīng)用中有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置。可測到133.32210-5Pa。（b）可）可檢測管內(nèi)氣體介質(zhì)成分比例變化檢測管內(nèi)氣體介質(zhì)成分比例變化、熱風(fēng)流速變化熱風(fēng)流速變化 溫度測量 熱敏電阻點(diǎn)溫計(jì)熱敏電阻點(diǎn)溫計(jì) 2、半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 溫