第10章热电式传感器ppt课件.ppt

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1、传感器原理与应用,第10章 热电式传感器,第10章 热电式传感器,热电式传感器是一种利用测温敏感元件电或磁的参数随温度变化而改变的特性，将温度变化转换为电量变化的传感器。本章主要介绍热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结传感器。,第10章 热电式传感器,10.1 热电偶传感器10.2 热电阻传感器10.3 热敏电阻10.4 PN结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例,10.1 热电偶传感器,热电偶传感器简称热电偶，是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。其测温范围较宽，一般为501600，最高可达到3000，并且有较高的测量精度。其产品已标准化、系列化，运用十分方便。,10.1 热电偶传感器

2、,10.1.1 基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路,10.1.1 基本原理及热电效应,1.基本原理 1821年赛贝克发现，在铜、铁两种金属构成的闭合回路中，对两个接头中的一个加热即可产生电流。这种装置称为热电偶。,10.1.1 基本原理及热电效应,2.热电效应 将两种不同的导体(或半导体)组成闭合回路，若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电势存在。此电势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。热电效应产生

3、的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。,10.1.1 基本原理及热电效应,(1)接触电势 当两种导体(或半导体)接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去电子的导体呈正电位，得到电子的导体呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电位差，此电位差称为接触电势。其大小与两种导体的性质及结点的温度有关，可表示为,10.1.1 基本原理及热电效应,式中，EAB(T)为A、B两种导体在温度T时的接触电势；K为玻尔兹曼常数；e为电子电荷量(取正值)；NA、NB为导体A、B的自由电子密度；T为结点处的绝对温度。,10.1.1 基本原理及热电效应,(2)温差电

4、势 也称汤姆逊电势，产生原因是，金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大，因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势,式中，EA(T,T0)为导体A两端温度分别为T与T0时的温差电势；sA为温度系数(又称汤姆逊系数)，它表示单一导体的两端温差为1 时所产生的温差电势。,10.1.1 基本原理及热电效应,热电偶的热电势如图所示，可表示为,所以,由于,当TT0或AB时，EAB(T,T0)0。EAB(T,T0)是T和T0的函数，必须固定参比端(冷端)的温度T0，才能确定热电势与被测温度T的对应关系。目前统一规

5、定在T00 的条件下，给出被测温度与热电势的数值对照表，即分度表。,10.1.1 基本原理及热电效应,10.1 热电偶传感器,10.1.1 基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路,10.1.2 热电偶的基本定律,1.匀质导体定律 由同一种匀质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面积和长度如何，不论其各处的温度分布如何，都不能产生热电势，这就是匀质导体定律。由此定律可以得出以下结论,10.1.2 热电偶的基本定律,(1)热电偶必须由两种不同的匀质材料制成。此时热电势的大小只与热

6、电极材料及两个结点的温度有关，而与热电极的截面及温度分布无关。(2)此定律可用来检验热电极材料是否为匀质材料。若组成回路的材料不均匀，只要存在温差即有热电势输出。,10.1.2 热电偶的基本定律,2.中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种金属导体，只要该金属导体C与金属导体A、B的两个结点处在同一温度，则此导体对于回路总的热电势没有影响，称为中间导体定律。,10.1.2 热电偶的基本定律,证明：如图所示，热电偶回路接入中间导体C后的热电势为,10.1.2 热电偶的基本定律,所以,由,得,又因为,10.1.2 热电偶的基本定律,将此式与式(10.3)比较,得,10.1.2 热电偶的基本定律,此定

7、律具有特别重要的实用意义，因为利用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致，仪表的接入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。根据此定律，除了可以在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量。,10.1.2 热电偶的基本定律,可以将热电极A和B直接焊在固体金属表面上或插入液态金属。例如用热电偶连续测量铁水的温度。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。,10.1.2 热电偶的基本定律,3.连接导体定律和中间温度定律 在热电偶回路中，若热电

8、极A与B分别连接导线a、b，结点温度分别为T、Tn和T0。则回路的总热电势EABba(T,Tn,T0)等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线的热电势Eab(Tn,T0)之和，这就是连接导体定律，可表示为,10.1.2 热电偶的基本定律,当A和a，B和b的材料分别相同时，其各结点的温度仍为T，Tn和T0时，总热电势由上式可得,这就是中间温度定律。它表明结点温度为T和T0的热电偶，其热电势等于结点温度分别为T和Tn(中间温度)，及Tn和T0两支同性质热电偶热电势的代数和。,10.1.2 热电偶的基本定律,中间温度定律也有重要的应用。热电偶的分度表均是以参比端T00 为标准的，而热电偶在实际

9、使用时其参比端温度不是0，一般是高于0 的某个数值，如Tn20，此时可根据公式(10.6)来修正热电势，从而得到被测温度。,10.1.2 热电偶的基本定律,4.参考电极定律(标准电极定律)如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且,根据此定律，可以给出所有热电偶材料与标准电极的热电势，方便热电偶电极的选配。,10.1 热电偶传感器,10.1.1 基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路,10.1.3 热

10、电偶的材料、分类与结构,1.热电偶材料 热电偶的热电极材料应满足以下要求 物理、化学性能稳定；测温范围宽；热电性能好；电阻温度系数小；热容量小；有良好的机械加工性能等。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,完全满足上述条件的材料很难找到，故一般只能根据被测温度的范围，选择适当的热电极材料。目前热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。金属中又分为廉价金属、贵金属和难熔金属等。常见的热电偶材料有：康铜、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag等。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,2.热电偶的分类 热电偶分为标准化与非标准化两大类。(1)标准化热电偶 标准化热电偶是

11、指国家标准规定了其热电势与温度关系及允许误差，并有统一标准分度表的热电偶。目前在国际上被公认比较好的热电偶材料只有几种。国际电工委员会(IEC)向世界各国推荐8种标准化热电偶。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,PtRh10-Pt热电偶。这是贵金属热电偶。正极是由质量分数为90%的Pt和10%的Rh制成的合金丝，负极为纯Pt丝。可用于较高的温度，能长时间在01300 中工作，短时间可测到1600。NiCr-NiSi(NiCr-NiAl)热电偶。这是廉价金属热电偶。正极是NiCr合金，其成分为Ni(89%)，Cr(10%

12、)，Fe(1%)；负极是NiSi合金。可长时间在900 使用，短时间可以用到1200。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,铜-康铜热电偶。它在低温下使用较普遍。其正极为纯Cu，负极为CuNi合金。铜-康铜价格低廉，可测200 的低温，一般测量上限300。是常用的低温热电偶。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,(2)非标准化热电偶 常见的有 W-Mo热电偶。具有较高的熔点，可测量高达2200 的温度。在1200 以上的一段温区才出现热电势与温度的线性对应关系，故只能用于13002200 的高温测量。W-Re系热电偶。常用的是WRe5-WRe20热电偶。最高温度可达26003000。,

13、10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,Ir-Rh系热电偶。最常用的是IrRh40-Ir热电偶。测量温度可达2200。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,常用热电偶的热电特性如图所示,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,3.热电偶的结构(1)普通型热电偶 普通型结构热电偶在工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，如图所示。主要用于测量气体，蒸气和液体等介质的温度。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,(2)铠装热电偶 它是把热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组成一个整体，并经复合拉伸而成的组合热电偶。外径一般18 mm，最小可达0.2 mm，长度120 m

14、。特点是：动态响应快，热容量小，强度高，可挠性好，便于安装。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,(3)薄膜热电偶 其形状可分为片状、针状等，它是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将两种热电极材料直接蒸镀(或沉积)于绝缘的基片上而制成的，图示为片状薄膜热电偶。特点是热容量小，动态响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便而迅速。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,(4)表面热电偶 它是一种专门用来测量各种固体表面温度的热电偶，可根据需要自行设计、加工和安装使用。(5)快速热电偶 又称为消耗热电偶，它是专门为测量钢水、铝水、铜水及熔融合金的温度而设计的，主要特点是可直接插入液态金属中进行

15、测量。,10.1.3 热电偶的材料、分类与结构,10.1 热电偶传感器,10.1.1 基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,在实际使用中若冷端不能保持在0 或冷端温度随环境变化，将引入测量误差。这就必须对热电偶的冷端(参比端)进行温度补偿。参比端形式如表所示。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,1.热电偶冷端补偿方法,(1)冰浴法 把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，可使冷端T0保持在0

16、。现已有半导体制冷器件。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,(2)计算修正法 当热电偶冷端温度T00 时，可用下面公式对热电势进行修正。,式中，EAB(T,0)为测量端温度为T、冷端温度为T0时经修正后的热电势；EAB(T,T0)为测量端温度为T、冷端温度为T0(0)时实际测量得到的热电势；EAB(T0,0)为测量端温度为T0、冷端温度为0 时的热电势，即冷端温度不为0 时的热电势修正值。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,例10.1 利用PtRh-Pt热电偶(S型)测温时，设测量得到T020，EAB(T,T0)7.322 mV，求T。解 查PtRh-Pt热电偶S分度表，可

17、得EAB(20,0)0.113 mV，根据式(10.7)有 EAB(T,0)EAB(T,T0)EAB(T0,0)7.322 mV0.113 mV 7.435mV 反查分度表，可得T808.3。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,(3)仪表机械零点调整法 现场测量中，如不需要很精确，或热电偶冷端温度T0较为稳定，则可将显示仪表的机械零点预先调整到T0(按温度刻度的)，或者EAB(T0,0)(按毫伏刻度的)。(4)补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势变化。如下图所示。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1

18、R2R3为温度系数非常小的锰铜电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，R为限流电阻，其阻值与热电偶型号及温度补偿范围有关。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,适当选择阻值，使得热电偶冷端温度为T0时电桥平衡，Uba0。当冷端温度升高时R4阻值随之增大，电桥产生不平衡输出电压Uba。若Uba的增量等于热电势Et的减小量，则回路总电势UBA的值就不会随热电偶冷端温度的变化而变化。,10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,2.补偿导线 补偿导线的使用是以热电偶连接导体定律为依据的。补偿导线是指在一定的温度范围内，其热电性能与其相应热电偶的热电性能十分匹配的一种廉价导线。使用方法如下图所示。,

19、10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线,补偿导线的作用：用廉价补偿导线作为贵金属热电偶的延长线，以节约贵金属热电偶；将热电偶的冷端迁移到离被测对象较远且环境温度较恒定的地方，这样有利于冷端温度的修正和测量误差的减小。,10.1 热电偶传感器,10.1.1 基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路,10.1.5 热电偶测温电路,1.工业用热电偶测温电路 一般与动圈表(左图)或电子电位差计(右图)配套使用。,10.1.5 热电偶测温电路,2.实验室用热电偶测温电路 在科学研究、计

20、量检定等场合，热电偶冷端补偿采用冰浴法，并与电位差计配套使用。通常的做法是用冰点槽将冷端恒定在0，然后用UJ系列电位差计测量热电势。,10.1.5 热电偶测温电路,3.利用热电偶测量两点之间温差的连接电路 用两支相同型号热电偶及配用相同的补偿导线，可以测量两点之间的温差，如图所示。,上述连接方法测量温差时，要求热电偶热电特性的线性要好，且应尽量使T1和T2处于线性误差小于规定值的温度范围内。,10.1.5 热电偶测温电路,4.利用热电偶测量平均温度时的连接电路 图中A1、B1和A2、B2为两支型号相同的热电偶。等效电路如右图所示。,根据等效电路，有,令R1R2，则,10.1.5 热电偶测温电路

21、,若T1和T 2处于热电偶热电特性的线性区间，且热电偶回路内阻R1和R2相同，则可求得两个测量点的平均温度。也可用类似方法测量多个点的平均温度。为了保证热电偶回路内阻尽量相同，可以分别串入电阻值较大的电阻。,10.1.5 热电偶测温电路,5.多点测温电路,10.1.5 热电偶测温电路,6.热电偶典型测温线路 图(a)为普通测温线路；图(b)为带有补偿器的测温线路；图(c)为具有温度变送器的测温线路；图(d)为具有一体化温度变送器的测温线路。,10.1.5 热电偶测温电路,7.热电偶串、并联线路 图(a)为正向串联；图(b)为反向串联；图(c)为并联。,10.1.5 热电偶测温电路,10.1 热

22、电偶传感器,10.1.1 基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路,第10章 热电式传感器,10.1 热电偶传感器10.2 热电阻传感器10.3 热敏电阻10.4 PN结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例,10.2 热电阻传感器,利用电阻随温度的变化而变化的物理现象制成的热电式传感器称为热电阻传感器。和热电偶相比：同样温度下，输出信号大，易于测量。0100，K型热电偶输出4.095 mV；Pt热电阻电阻变化39.1 W。热电阻输出的是电阻增量，热电偶输出的是电动势。热电偶

23、不需外加电源，热电阻需要。热电阻感温部分尺寸大，热电偶小。同类材料热电阻测温上限小。,10.2 热电阻传感器,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,1.热电阻工作原理 热电阻是利用物质(一般为纯金属)的电阻随温度变化并呈一定函数关系的特性，制成温度传感器来进行测温的。一般结构如图所示。将铂丝绕在有锯齿的云母骨架上，构成感温元件，用银导线作为引出线与显示仪表连接。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,如图所示为WZ系列热电阻，是工业用热电阻，作为温度测量传感器，通常和显示仪表配套，直接测量各种生产过程中085

24、0 C范围内液体、蒸气和气体介质以及固体表面等温度。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,2.常用热电阻材料(1)对热电阻材料的要求 具有较大的电阻率及较高的电阻温度系数，以便有较高的灵敏度和测量精度；在使用范围内，物理、化学性能稳定；电阻与温度关系特性好。电阻与温度的函数呈单值函数(最好是呈线性关系)；对同一种材料，其复制性要好，以便批量生产。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,(2)常用热电阻材料 Pt热电阻。其物理与化学性能都非常稳定，即使是在高温和氧化介质中也是如此。此外，Pt容易提纯，保证它具有非常好的重现性能，并有高的测量精度。Pt还具有较大的电阻率(r0.1 Wmm

25、2/m)和高的熔化温度(1772)，因此体积可做得较小，测温范围也比较宽。在高精度的工业测量及计量检定中得到了广泛的应用，通常用作标准热电阻。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,Pt电阻的电阻值和温度的关系在1900 之间为,在0630.74 之间为,式中，R0、RT为0、T 时的电阻；A、B、C为分度系数，C4.221012(1/)4。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0的值，R0称为热电阻的标称值。目前Pt热电阻标称值有10 W及100 W两种。一般测温场合下可略去B、C的影响，则RTR0(1AT)，即Pt电阻的电阻温度特性接近线

26、性。由于Pt为贵金属，在测量精度要求不高和测量范围较小时，大多采用Cu电阻。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,Cu热电阻。Cu价格低廉，容易提纯，在50150 内化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，但其测量精度不如Pt热电阻高，测量范围也比Pt热电阻小。另外，其电阻率较Pt小，电阻丝细而长，机械强度较差。由于其体积比较大，热惯性也较大。当温度高于100 时易被氧化，因此适用于工作在温度较低的介质中。标称值有50 W及100 W两种。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,在50150 的温度范围内，Cu电阻的阻值和温度的关系为,式中，A、B、C为常数。在0100 之间基本上

27、是线性的，关系为,式中，a4.33103(1/)。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,常用热电阻的特性曲线如图所示。,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,常用热电阻材料特性参数如表所示,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构,例10.2 一支分度号为Cu100的热电阻，在130 时它的电阻RT是多大？要求精确计算和估算。估算时取RTR0(1aT)。,10.2 热电阻传感器,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路,10.2.2 热电阻的结构及测量电路,1.热电阻的结构(1)普通型热电阻 在工业上使用最广泛。外形结构与普通型热电偶基本相同，左图

28、为热电偶外形，但两者的内部结构却完全不同。热电阻中的感温元件不是热电极而是热电阻体，右图为热电阻体的构成。,10.2.2 热电阻的结构及测量电路,(2)铠装热电阻 铠装热电阻类似于铠装热电偶，参看下图。它具有以下优点：热惯性小，响应速度快；耐振、抗冲击，坚固性好；寿命长。,10.2.2 热电阻的结构及测量电路,(3)薄膜热电阻 它是利用真空镀膜、化学涂层、电泳等方法，将纯金属(如Cu)蒸镀(或沉积)于绝缘的基片上而制成，其外形有棒状和片状。这类热电阻的最大优点是响应速度非常快。,10.2.2 热电阻的结构及测量电路,2.热电阻的测量电路 在实际测量中，通常用电桥来测量热电阻的电阻值。由于其阻值

29、只有几W到几十W，因此，热电阻的引线及连接导线的电阻对温度测量结果有很大影响。特别是引线，处于被测介质以外的环境中，温度波动较大，其阻值随温度的变化难以估计和修正。为此，工业用热电阻的引线从两线制发展到了三线制和四线制。三线制接法如下图所示。,10.2.2 热电阻的结构及测量电路,RT为热电阻，R1、R2为两桥臂电阻，取R1 R2，R3为调整电桥用的精密电阻。r1、r2、r3为三根引线电阻，r1r2r3。在某个温度下，调节R3使电桥平衡，则在该温度附近可减小引线电阻的影响。,10.2 热电阻传感器,10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路,第10章 热电式传

30、感器,10.1 热电偶传感器10.2 热电阻传感器10.3 热敏电阻10.4 PN结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例,10.3 热敏电阻,它是利用半导体的电阻值与温度呈现一定函数关系的原理制成的温度传感器。典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。图中曲线上所标的是其室温下的电阻值。,10.3 热敏电阻,1.热敏电阻的特点 温度系数大，约为热电阻的10倍，灵敏度高；结构简单，体积小，热惯性小，可用来测定点温度及变化温度。元件直径可做到0.2 mm，能测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度；寿命长；利用半导体掺杂技术，可测量42100 K

31、之间的温度，是一种重要的低温传感器。使用方便，电阻值可在0.1100 kW之间任意选择。其不足之处是互换性差，离散性严重。,10.3 热敏电阻,近代热敏电阻的特性如下(1)玻璃封装热敏电阻 具有较好的耐热性、可靠性和频响特性。图示为其结构示意图。它适用于制作高性能温度传感器的热敏器件。当温度由125 上升到300 时，响应时间由30 s加快到6 s，工作稳定性由5%改善为(31)%。,10.3 热敏电阻,(2)硼热敏电阻 氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在300 以下工作。近期用硼的卤化物与氢还原研制成的硼热敏电阻，在700 高温时仍能满足灵敏度、互换性、稳定性的要求。(3)线性关系热敏

32、电阻 一般负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重，近期研制的CdO-Sb2O3-WO3和CdO-Sn2O3-WO3两种热敏电阻，在100300 温度范围内，特性曲线呈线性关系。,10.3 热敏电阻,(4)四氰醌二甲烷 它属于有机半导体材料，其特性如图所示。当温度自低温上升至TH时，电阻值迅速减小到R0；当温度自高温下降至TL时，迅速达到Rp。,利用上述特性可制成定时器。用它制成的电子定时元件，定时时间宽(从数秒数十小时)、体积小、造价低。,10.3 热敏电阻,2.热敏电阻的结构形式 热敏电阻是用一些金属氧化物，按一定的比例混合进行研磨，掺入一定的粘合剂成型，再经高温烧结而成。采用不同的封装形式

33、，热敏电阻可制成各种形状。作为感温元件通常选用珠状和圆片形。,10.3 热敏电阻,一些型号的热敏电阻如下,高分子PTC热敏电阻,SMD热敏电阻,10.3 热敏电阻,应用范围：电磁炉、电饭煲、电热水器、电烤箱、消毒柜、饮水机、洗碗机、手机电池及充电器。,MF58型热敏电阻,10.3 热敏电阻,一些负温度系数热敏电阻如下,MF55系列绝缘薄膜NTC热敏电阻器,CMF片式NTC热敏电阻器,MF74超大功率型NTC热敏电阻器,10.3 热敏电阻,MF73超大功率型NTC热敏电阻器,MF72功率型NTC热敏电阻器,10.3 热敏电阻,MF11、MF12补偿型NTC热敏电阻器,MF57型水箱温度感应塞专用

34、NTC热敏电阻器,10.3 热敏电阻,MF51玻封高精密测温型NTC热敏电阻器,MF52珠状精密型NTC热敏电阻器,10.3 热敏电阻,3.热敏电阻的主要特性 热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数(PTC)热敏电阻、负温度系数(NTC)热敏电阻及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻(CTR)。,10.3 热敏电阻,几种不同材料热敏电阻的温度特性如图所示。,10.3 热敏电阻,(1)温度特性 正温度系数(PTC)热敏电阻。PTC型热敏电阻的主要成分为BaTiO3和SrTiO3，加入少量Y2O3和Mn2O3，经烧结而成。其色标标记为红色。特性曲线如图所示。,10.3 热敏电阻,它的阻

35、值在过了居里点之后发生突变，有斜率最大的区段，通过成分配比和添加剂的改变，可使斜率最大的区段处在不同的温度范围里，例如加入适量铅其居里温度升高；若将铅换成锶，其居里温度下降。,10.3 热敏电阻,其温度系数从低温到居里点以前是负值，一旦过了居里点，其电阻值就迅速增加，温度系数变为正值，直到达到最高电阻值之后，又开始平缓地变为负温度系数。,10.3 热敏电阻,因此，使处于低阻态的元件通过额定电流后，元件迅速升温而处于高阻态，可起到限流作用。利用它的限流特性已制成彩电自动消磁器、马达启动装置以及现代汽车中的“软”启动装置。目前已越来越多地应用于日常生活中，如房间温度调节器、荧光灯电子镇流器、可恢复

36、保险丝等。,10.3 热敏电阻,临界型(CTR)热敏电阻。若用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体，可以制成临界型(CTR)热敏电阻，其温度系数是负的，但是在某个温度范围内阻值急剧下降，灵敏度极高，其色标标记为白色。这种特性可用于自动控温和报警电路中。,10.3 热敏电阻,负温度系数热敏电阻。NTC型半导体热敏电阻研究最早，生产最成熟，是应用最广泛的热敏电阻之一，通常是多种氧化物的复合烧结体，特别适合于100300 之间的温度测量，其色标标记为绿色。,10.3 热敏电阻,NTC型热敏电阻的阻值与温度的关系为,式中，A、B为取决于材质和结构的常数，其中A的量纲为W，B的量纲

37、为K，T为绝对温度。由上面关系可得,式中，RT0为标准温度T0时的阻值，B为温度系数，也称为B常数。,10.3 热敏电阻,上面公式是经验公式。实验表明，无论是用氧化物还是用单晶做成的NTC型热敏电阻，在不太宽的温度范围内(小于400)都能用上式描述。,需要指出的是，B常数并不是固定值，而是温度T的函数，即Bf(T)，如图所示。不同厂家生产的热敏电阻B值都不一样。,10.3 热敏电阻,可求出B常数为,如果被测温度比较低，且不需要很高的精度，可把B看成常数。这时计算温度的公式为,根据,10.3 热敏电阻,可得，热敏电阻的温度系数为,由,10.3 热敏电阻,例10.3 已知某负温度系数热敏电阻在温度

38、为298 K时阻值RT13 144 W；当温度为303 K时阻值RT22 772 W。试求该热敏电阻的材料常数B和温度为298 K时的电阻温度系数a为多大?解 按式(10.17)得,所以,10.3 热敏电阻,(2)热敏电阻的伏安特性 当通过的电流很小时，遵循欧姆定律；当电流增大时，热敏电阻自身开始发热，出现负阻效应(NTC型)，如图所示。,10.3 热敏电阻,(3)热敏电阻的安时特性 流过热敏电阻的电流与时间的关系，称为安时特性。它表示热敏电阻在不同电压下，电流达到稳定最大值所需要的时间。,10.3 热敏电阻,4.热敏电阻的非线性校正 热敏电阻输出输入特性的严重非线性是扩大测量范围和提高精度必

39、须解决的关键问题。解决办法是，利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或者并联，使串并联后的阻值在一定范围内呈线性关系。,10.3 热敏电阻,图(a)是金属电阻RS与热敏电阻RT串联实现非线性校正的一种方法。只要RS选得合适，在一定温度范围内可得到图(b)所示的近似双曲线特性，即温度与电阻的倒数成线性关系。从而使温度与电流成线性关系，如图(c)所示。还可利用微机实现非线性校正。,第10章 热电式传感器,10.1 热电偶传感器10.2 热电阻传感器10.3 热敏电阻10.4 PN结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例,10.4 PN结型温度传感器,利用半导体二极管、三极管、可控硅等的伏安特

40、性与温度的关系可制作温敏器件。它具有体积小、反应快、线性较好且价格低廉的优点。在不少仪表里用来进行温度补偿。特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护，也常用于简单的温度显示和控制。不过由于受PN结耐热性和特性范围的限制，只能用来测量150 以下的温度。,10.4 PN结型温度传感器,10.4.1 温敏二极管10.4.2 温敏三极管10.4.3 集成温度传感器,10.4.1 温敏二极管,1.工作原理 根据PN结理论，对于理想二极管，当正向压降UF大于几个kT/e时，UF与温度T之间满足,式中，C1为常数；Ug0为绝对零度时PN结材料的禁带宽度；K为玻尔兹曼常数。,10.4.1 温敏二极管,从上式可

41、以看出，二极管的正向电压与温度T之间呈线性关系。在一定的电流下，其正向电压随温度的升高而降低，故呈现负温度系数。对于实际的二极管来说，只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，又未发生在大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的。,10.4.1 温敏二极管,2.基本特性 对温敏二极管来说，基本特性主要指的是正向电压UF与温度T之间的关系特性。对于不同的工作电流，UFT关系是不同的，但是UFT之间总保持线性关系。,10.4.1 温敏二极管,图示为WM型温敏二极管在正向电流IF为100 mA时的UFT关系曲线。可以看出，在50150 范围内，UFT呈很好的

42、线性关系。,10.4.1 温敏二极管,3.测温电路 最常见的测温电路如图所示。利用DF的PN结在恒流状态下正向电压随温度升高而下降的特性。,10.4 PN结型温度传感器,10.4.1 温敏二极管10.4.2 温敏三极管10.4.3 集成温度传感器,10.4.2 温敏三极管,1.工作原理 若使三极管中的发射结处于正向偏置，并使集电极电流IC恒定，则三极管基极与发射极之间的电压Ube和温度T的关系可表示为,式中，C2为常数。可以看出，Ube和温度T之间呈线性关系。在IC恒定的情况下，Ube随T升高而降低，呈现负温度系数。,10.4.2 温敏三极管,2.基本特性 主要是指输出特性，即不同IC情况下，

43、温敏三极管的电压Ube和温度T之间的关系特性，如图所示。,10.4 PN结型温度传感器,10.4.1 温敏二极管10.4.2 温敏三极管10.4.3 集成温度传感器,10.4.3 集成温度传感器,集成温度传感器是将温敏晶体管及辅助电路集成在同一芯片上制成的。这种传感器自从20世纪80年代进入市场以来，由于具有线性好、灵敏度高、体积小、使用简便等优点，得到了广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压型和电流型两种。其中，电压型的灵敏度一般为10 mV/，电流型的灵敏度为1 mA/K。,10.4 PN结型温度传感器,10.4.1 温敏二极管10.4.2 温敏三极管10.4.3 集成温度传感器,第1

44、0章 热电式传感器,10.1 热电偶传感器10.2 热电阻传感器10.3 热敏电阻10.4 PN结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例,10.5 热电式传感器应用举例,10.5.1 测温热电偶10.5.2 气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器,10.5.1 测温热电偶,在锅炉节能控制系统中，需要对炉膛、蒸汽、水等的温度进行测定。可选用热电偶并利用AD590对热电偶进行冷端温度补偿。在使用中，只需将热电偶的冷端与集成温度传感器

45、AD590置于同一环境中即可。,10.5.1 测温热电偶,如图所示。条件：R4R5，R6R7。,10.5 热电式传感器应用举例,10.5.1 测温热电偶10.5.2 气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器,10.5.2 气体成分分析,左图为元素分析仪气体成分分析原理图。它主要由四个外壳用相同材料制成的分析室组成。四个分析室的电阻构成桥路。分析室的结构如右图所示。,10.5.2 气体成分分析,分析室Rk1和Rk2为参考室，室内充入洁净

46、的空气，另外两个分析室Rx1和Rx2内充入被分析的混合气体。测量前先将惰性气体通入分析室，使电桥达到平衡，而后使被测混合气体进入分析室，电桥失去平衡，其不平衡输出是混合气体成分的函数。,10.5.2 气体成分分析,气体的导热系数与气体成分的浓度有关。导热系数不同，散热情况不同，热电阻温度不同。对于相互不发生化学反应的混合气体，其导热系数为各气体导热系数的平均值。设氢气的导热系数为l1、气体的百分数含量为a，氮气的导热系数为l2，两种混合气体的导热系数为l，则,10.5.2 气体成分分析,氢气和氮气的导热系数已知，只要测出l，就可获得氢气的的百分数含量a，进而获得氮气的百分数含量(1a)。大量实

47、验和理论计算表明，热电阻阻值与气体的导热系数在一定范围内成线性关系。通过测量热电阻阻值就可求得气体的导热系数，也就可以间接求得氮、氢气体的百分数含量。,10.5 热电式传感器应用举例,10.5.1 测温热电偶10.5.2 气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器,10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器,图示为一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路。三只特性相同的RRC6型负温度系数热敏电阻RS1、RS2、RS3(20 时阻值为10 k

48、W；100 时为1 kW；110 时为0.6 kW)串联在一起，固定在电机三相绕组附近。过载或缺相时保护电机。,10.5 热电式传感器应用举例,10.5.1 测温热电偶10.5.2 气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器,10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用,图示电路可测量300 m内某点的温度，由于使用了屏蔽的绞合电缆及在电缆两端串、并了1 kW电阻R和0.33 mF电容C，实验结果证明，输出噪声电压峰-峰值只有

49、10 mV，能够有效地消除噪声和干扰。,10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用,1 kW电阻上的输出电压接AD524仪表放大器的同相端，AD580输出的基准电压分压后得273.2 mV，接反相端，这样可以以摄氏度读出。AD524将差值放大100倍，其输出0.5510 V直接对应5.5100。,10.5 热电式传感器应用举例,10.5.1 测温热电偶10.5.2 气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器,10.5.5 用

50、热敏电阻测量流量,工作原理如图所示，Rt1、Rt2为热敏电阻，Rt1放入被测管道中，Rt2放入不受流体流速影响的容器内，R1、R2为一般电阻，四个电阻组成桥路。,10.5 热电式传感器应用举例,10.5.1 测温热电偶10.5.2 气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器,10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器,传感器由2只标准铂电阻温度计Pt100和Pt10组成，2只温度计的几何尺寸和结构完全相同，但阻值不同。,10.5.6 铠装铂