第九章-热电式传感器

第九章热电式传感器第九章热电式传感器热电传感器热能电能测量：温度和与温度有关的参量温度电势电阻——热电偶金属半导体热电阻热敏电阻——第九章热电式传感器第九章热电式传感器§9-1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，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻效应——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，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，金属的电阻率也随之增大。第九章热电式传感器取一只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。第九章热电式传感器热电阻材料的特点(1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。(2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。(3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。第九章热电式传感器实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是铂和铜。铂是一种贵重金属，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。铜可用来制造-50～150℃范围内工业用电阻温度外，特点是价格低廉，缺点是电阻率低，且容易氧化，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。铂丝的电阻值与温度之间的关系在-200～0℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]（1）在0～850℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt2]（2）R0—当温度为0℃时的电阻值；Rt—温度为t℃时的电阻值；A、B、C—由实验确定的常数。A＝3.90802×10-3/℃B=-5.802×10-7/℃2C＝-4.27350×10-12/℃4第九章热电式传感器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。铂电阻的特点第九章热电式传感器目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为50Ω和l00Ω，电阻值与温度t的关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。分度表制表方法为：当在—200℃≤t≤0℃时，用式1；而当0℃≤t≤850℃时，用式2，每隔1℃求取一个相应的值，即可制成铂热电阻分度表。使用标准分度表时，只要知道热电阻阻值，即可从分度表中取与对应的温度值。第九章热电式传感器在-50～150℃温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：Rt＝R0(1+At+Bt2+Ct3)Rt—温度为t℃时的铜电阻值R0—温度为0℃时的铜电阻值A、B、C—常数A＝4.28899×10-3/℃B＝-2.133×10-7/℃2C＝1.233×10-9/℃3铜丝的电阻值与温度之间的关系目前，铜：Cu50、Cu100铂的测温精度很高，达0.001℃铜±0.5°（－50～50℃），±1℃（50～150℃）第九章热电式传感器铜电阻的特点电阻率小；容易氧化；价格便宜。第九章热电式传感器其它热电阻铁/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、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50~100℃；用的较少。铟电阻：-269~-258℃；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。锰电阻：-271~-210℃；灵敏度高，但脆性高，易损坏；炭电阻：-273~-268.5℃；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。第九章热电式传感器热电阻的结构和类型热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒（1）普通型热电阻第九章热电式传感器第九章热电式传感器(2)铠装热电阻铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，具有良好的机械性能，耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于安装在结构复杂的设备上进行测温，使用寿命较长。第九章热电式传感器(3)薄膜热电阻薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度，适用于平面物体的表面温度和动态温度的测量。第九章热电式传感器WZP系列装配式铂电阻及铠装电阻芯用于一般工业场测温使用温度-200℃～700℃高强度石英管测温铂电阻温度范围-100°C至+500°C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合注:不耐氢氟酸及磷酸WZP系列工业热电阻作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从-200℃-420℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。第九章热电式传感器精密温度传感器PtWD－1A型-100℃～300℃误差小于0.1℃，精度为超A级天燃气流量计温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用油浸变压器用铂电阻第九章热电式传感器医疗器械铂电阻薄模铂电阻元件用于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。尺寸：2.3mm×2.1mm×0.9mm（长×宽×高）线长10mm第九章热电式传感器防水封装铂电阻核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100PT1000）元件精度：±0.15℃(A级)±0.30℃(B级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸：ø4*25mm连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）第九章热电式传感器WZC-111/Φ12*1000mmCu50第九章热电式传感器热电阻测量线路利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作状态下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，整个测温系统主要由热电阻传感器、测量电桥、显示仪表及连接导线组成。由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆范围)，热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制.第九章热电式传感器（1）三线式电桥连接法uA1R2R4RtRrrrEr：电桥电源；2r：相邻臂1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRt平衡：21RR若142RRRRt则导线电阻r对测量无影响注意：为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些,一般要求小于10mA。第九章热电式传感器r1r2r3r4RtIVIMEM电压表恒流源（2）四线式电阻测量电路因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3）MMVMVMtIEII)rr(IEIER32电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。•不受其它条件约束；•恒流源I稳定。第九章热电式传感器§9-2热敏电阻传感器热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有温度系数高，灵敏度高，热惯性好（适宜动态测量）但其稳定性和互换性较差。温度半导体热敏电阻电阻铂热电阻金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一、工作原理第九章热电式传感器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。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了。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，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。第九章热电式传感器半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，适于在-100℃～300℃之间测温。热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。第九章热电式传感器1、热敏电阻的结构和特点金属氧化物：钴Co、锰Mn、镍Ni等的氧化物采用不同比例配方、高温烧结而成。优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。第九章热电式传感器第九章热电式传感器参数单位定义标称阻值RH（冷电阻）ΩΩ(25±0.2)℃时测得的阻值。温度系数αt1/℃20℃时的电阻温度系数。散热系数H（耗散系数）W/℃自身发热使温度比环境温度高出1℃所需要的功率。时间常数τ秒（s）从温度t0的介质移入温度为t的介质中，温度升高Δt=0.632(t-t0)所需时间。热敏电阻的主要参数第九章热电式传感器2、热敏电阻的温度特性负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏电阻：PTC临界温度系数热敏电阻：CTR04080120160200106104102100温度℃电阻CTRNTCPTC可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。第九章热电式传感器NTC热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、铁（Fe）等金属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、阻值及温度系数不同NTC热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。NTC热敏电阻应用广泛。1、NTC热敏电阻TR第九章热电式传感器2、CTR热敏电阻CTR热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在1kΩ~10MΩ之间。CTR热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于居里点TC时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为2~4。因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻。Tc温度T（℃）200150100500103101105107电阻率ρ（Ω.cm）第九章热电式传感器3、PTC热敏电阻TNTC1062001000101102103104105107温度T（℃）电阻率ρ（Ω.cm）PTC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，从特性曲线上可以看到PTC热敏电阻具有以下特性：(1)当温度低于居里点TC时，具有半导体特性；(2)当温度高于居里点TC时，电阻值随温度升高而急剧增大，至TN温度时出现负阻现象；(3)具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。基于PTC热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以用PTC组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。第九章热电式传感器三、热敏电阻的伏安特性RT＝A(T-1)exp(B/T)RT—温度为T时电阻值A—与材料和几何尺寸有关的常数B—热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）若已知T1和T2时电阻为RT1和RT2，则：第九章热电式传感器将热敏电阻接上一个电流源，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。····V（电压）IaImI（电流）d0abc曲线分四段，0－a段：电流小于Ia，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。a－b段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增长速度＞阻值减小的速度。c－d段：随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现c－d段负阻区。第九章热电式传感器0－a段：正常使用热敏电阻测温时。c－d段：可用来测量风速、真空度、流量等参数。热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻—温度曲线变为