电阻式温度传感器.docx

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1、电阻式温度传感器课题 项目：温度传感器 任务一：电阻式温度传课程名称 感器 传感器基础知识 授课类型 新授 班级 日期 课时 6 知识目标：掌握温度报警器工作原理，理解电阻式温度传感器工作原理，热电阻测量电路 教学目标 能力目标：能安装，调试温度报警器 情感目标：认识温度传感器工作原理 教学重点 传感器常用技术指标的检测方法 教学难点 温度报警器安装，调试 教学方法 讲述法，实践操作法；练习法 课前准备 热敏电阻，万用表，酒精灯，温度计 教学后记及改进措施 课 堂 教 学 安 排 1、温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度单位是国际单位制中七个基本单位之一 2、温度标志着物质内部大量分子

2、无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。 3、温标是衡量物体温度的标准尺度，是温度的数值表示方法，是规定温度的读数起点和测量的基本单位。温标的种类很多，目前国际上常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。 A、摄氏温标是根据液体受热后体积膨胀的性质建立起来的。 摄氏温标规定在标准大气压下纯水的冰融点为0，水沸点为100，在0100之间分一百等份，每一等份定义为1摄氏度。 单位符号为，变量符号记作t。 B、华氏温标也是根据液体受热后体积膨胀的性质建立起来的。 华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰融点为32，水沸点为212，中间180等份，每一等份定义为1华氏度

3、。 单位符号为F，变量符号记作tF。 C、热力学温标又称开氏温标； 是以热力学第二定律为基础的理论温标，与物体任何物理性质无关，是国际统一的基本温标。 单位符号为K，变量符号记作T。 热力学温标有一个绝对零度，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，因此它又称为绝对温标。 温标单位大小定义为水三相点的热力学温度的1/273.16， 4、. 温度检测的主要方法 利用物质热膨胀与温度关系测温 用以测温的选择物体可以是固体、气体或液体，其受热后体积膨胀，在一定温度范围内体积变化与温度变化呈连续、单值的关系，且复现性好。 如双金属温度计、压力式温度计和玻璃液体温度计。 利用热效应测温 课 堂 教 学 安

4、 排 两种不同的导体两端短接形成闭合回路，当两接点处于不同温度时，回路中出现热电势。 利用这一原理制成生产中广泛使用的热电偶温度计。 利用导体或半导体的电阻与温度关系测温 对于铂、铜等金属导体或半导体热敏电阻，其阻值随温度变化发生相应变化，根据R-t关系测量温度。 如铂电阻温度计。 利用热辐射原理测温 物体辐射能随温度而变化，利用这一性质制成选择物质不与被测物质相接触而测温的辐射式温度计。 如单色辐射高温计、光学高温计和比色高温计等 5、在温度检测系统中，感受温度变化的元件称为感温元件； 6、将温度转换成电量输出的仪表称为温度传感器。 习惯上，按测温范围不同，将600以上的测温仪表称为高温计；

5、把测量600以下的测温仪表称为温度计。 7、根据感温元件与被测物质是否接触，将温度检测仪表分为接触式和非接触式两大类。 热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 A、接触式测温 温度敏感元件与被测对象相接触，使其进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等 测温传感器的输出大小即反映了被测温度的高低。 1）常用的接触式测温仪表有将温度转化为非电量的热膨胀式；将温度转化为电量的热电偶、热电阻和热敏电阻等。 2）接触式测温传感器的优点：是结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定性好、价格低； 3）、缺点： 、由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度

6、场分布，从而造成测量误差 、有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。 (3)、在接触过程中，介质腐蚀性，高温对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。 B、非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测 1）常用的非接触式测温仪表： (1) 辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射温度计，比色温度计。 (2) 光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。 2）优点：不从

7、被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。 3）、缺点：精度一般不高。 8、温度传感器的主要发展方向 1）超高温与超低温传感器，如+3000以上和250以下的温度传感器。 2）提高温度传感器的精度和可靠性。 3）研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。 4）发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。 5）发展适应特殊测温要求的温度传感器。 6）发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。 物理现体积热膨胀 1.气体温度

8、计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 电阻变化 铂测温电阻、热敏电阻 种温差电现象 热电偶 类 1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金 导磁率变化 电容变化 压电效应 BaSrTiO3陶瓷 石英晶体振动器 超声波传播速度变化 物质 颜色 超声波温度计 示温涂料 液晶 PN结电动势 半导体二极管 晶体管特性变1超晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅动作特性变化 可控硅 热、光辐射 辐射温度传感器 光学高温计 电阻式电阻式温度传感器 温度传一、热电阻效应 感器 1、热电阻效应 导体或半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的现象 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的

9、电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。 2、热电阻分类： 1）、热电阻：感温元件制成的金属热电阻：绝大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高，电阻越大，简称热电阻。 2）、热敏电阻：半导体材料制成的感温元件：利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成，简称热敏电阻。 3）.测温范围 低温：15K；高温：10001300 二、测温热电阻材料必须满足： u 1）电阻温度系数大 u 电阻系数：温度变化1 0C时电阻值的相对变化量 u 2）在测温范围内物理及化学性质稳定。 u 3）有较大的电阻率。 u 4）线性度好。 u 5）复现性好， u 6）价格便

10、宜。 u 5）、热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。 u 热电阻主要缺点是需要电源激励、有自热现象以及测量温度不能太高 三、热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻体由电阻丝、引出线、骨架等组成。 1、电阻温度系数 电阻温度系数表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化，单位为ppm/）。定义式如下： TCR=dR/R.dT 实际应用时，通常采用平均电阻温度系数，定义式如下： TCR=(R2-R1)/R1 2、在各类工业测温的场合中，热电阻是中低温区最常用的一种温度传感器: 铂热电

11、阻的测温的范围：一般为零下200-800摄氏度。 铜热电阻的测温的范围：一般为零下40到140摄氏度。 其中的铂热电阻以其精度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点，成为工业测控系统中广泛使用的一种温度传感器。 四：铂热电阻 1、特点：稳定性好、准确度高、性能可靠。 2、原因：铂在氧化气体、甚至高温下物理、化学性质非常稳定,铂电阻的输出 输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。 3、测温范围：-200850 0C 4、应用：广泛应用于工业和实验室中，标准温度计，高精

12、度工业测温，高低温测试 注意：铂在还原性气体尤其在高温还原性气体中，容易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关系。因此必须用保护套管把电阻体与有害气体隔离。 5、构成：金属铂丝(0.02-0.07mm)绕制成线圈 特点：(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好。不能用于还原介质。 (2) 输入输出特性接近线性 (3) 测量精度高：0: 1、0-100: 0.5、 100-650: 0.5% (4) 贵重金属，成本较高 6、铂热电阻的特性方程为： 在-2000的温度范围内 Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的温度范围内 Rt = R0(1+At+

13、Bt2) 在ITS90 中，这些常数规定为 A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 R0：0时的温度 热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。 目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值 五、铜热电阻 1、构成：金属铜丝(0.02-0.07mm)绕制成线圈 2、特点：(1) 在-50-150范围内性能稳定，线性好 (2) 成本低

14、(3) 电阻率低，体积较大 (Cu50, Cu100) (4) 高温易被氧化，易被腐蚀 (5) 测量精度低于铂电阻： -50-50: 0.5、50-150: 1% 3、应用：小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替 铂 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0=4.2810-3/ 两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100和铠装式。目前现场应用较多的装配式热电阻主要包括分度号为Pt100的铂热电阻和分度号为Cu50的铜热电阻两大类。 热电阻测温反映出来的是电阻值的变化。但有时候应用中会加一个模块 ，模块将电阻信号转换成电流信号或是电压信号

15、来进行远传的。 六、热敏电阻 1、材料：半导体 - 半导体热电阻 金属氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成。 2、结构：珠状、片状、杆状、垫圈 3、特点：温度系数大 灵敏度高 结构简单，体积小 可以测量点温度 电阻率高、热惯性小 适于动态测温 易于维护、使用寿命长 适于现场测温 互换性差，非线性严重，精度低 成本低，应用广泛 4、热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器和负温度系数热敏电阻器。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体

16、器件。 5、根据电阻温度特性分类 正温度系数热敏电阻器 电阻温度系数随温度升高而增大，主要用于过热保护； 主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 负温度系数缓变型热敏电阻器 电阻温度系数随温度升高而下降，用于测温、补偿； 主要材料是金属氧化物半导体陶瓷。 临界温度系数热敏电阻器、热敏电阻测温 u 2）、热敏电阻用于温度补偿 u 3）、热敏电阻用于温度控制 七、热电阻测量桥路 用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。 不采用两线制连接，因为各种电阻在常温下电阻值

17、小，而生产现场的热电阻与控制室的只是仪表中间的引线很长，引线电阻的阻值便会啊就会给测量结果造成较大的误差。 1、三线制单臂电桥电路 要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的检流计端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上。 当桥路平衡时，通过计算可知： Rt=R1R3/R2+R3r/R2-r 当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差。(问题实质：r远远大于导线电阻) 注意:前提 1)必须为等臂电桥 2)并且在 电桥平衡状态下 公式成立。 否则不可能完

18、全消除导线电阻的影响，但尽管如此，采用三线制仍可大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。 电阻体电阻体电阻体二线制三线制四线制两线制热电阻测量电桥 R2EsR3rR1mARtr图9.17 两线制 这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。 两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。 三线制 2、四线制恒流源测量电路 +UCC3Rt1234A/D转换器去计算机图210 四线制恒流源测量电路1连接导线 2屏蔽层 3恒流源 RP1调零电位器 RP2调满度电位器八、电阻式温度传感器 1、热电阻温度传感器 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值岁温

19、度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。 它分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200+850C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000C。 n 温度测量 温度补偿 3）温度控制：用热敏电阻与一个电阻相串联，并加上恒定的电压，当周围介质温度升到某一数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安。因此可以用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值时，继电器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻可用作温度控制。 过热保护 2、热敏电阻温度传感器 应用 一、彩色电视机自动消磁电路图 彩色电视机自动消磁电路图彩色显像管内外的许多铁

20、制部件在使用过程中往往会被磁化而产生杂散磁场,这些磁场会影响电子束的正常偏转,导致色纯度和会聚遭到破坏,直接损害了图像的质量。因此,现代彩色电视机都加有自动消磁电路。自动消磁电路的作用是每次开机时均自动对显像管及周围部件进行消磁。一种消磁电路如图10-25(a),由消磁线圈L串一正温度系数的热敏电阻RH组成,接在电源整流桥堆前面。消磁线圈安装在显像管锥体部分的安全防爆 彩色显像管内外的许多铁制部件在使用过程中往往会被磁化而产生杂散磁场, 这些磁场会影响电子束的正常偏转, 导致色纯度和会聚遭到破坏, 直接损害了图像的质量。 因此, 现代彩色电视机都加有自动消磁电路。 自动消磁电路的作用是每次开机

21、时均自动对显像管及周围部件进行消磁。 一种消磁电路如图10-25(a), 由消磁线圈L串一正温度系数的热敏电阻RH组成, 接在电源整流桥堆前面。 消磁线圈安装在显像管锥体部分的安全防爆箍附近, 热敏电阻常温下阻值约20。 开机时有1A以上的大电流流过L与RH串联支路, 产生很强的交变磁场。 热敏电阻因消耗功率而发热, 使阻值急剧增加导致电流很快衰减(图(b)所示), 相应的交变磁场也由强趋弱。 最后达到平衡状态, 热敏电阻的高阻值维持一最小电流, 而此电流又使热敏电阻维持一最崐小电流, 而此电流又使热敏电阻维持较高的温度而稳定的处于高阻状态。 这个最小的维持电流产生的磁场已足够弱, 不会再影响

22、电子束的正常扫描偏转。 在上述过程中, 显像管及周围部件的剩磁则在由强渐弱的交变磁场中被消去。 普通彩色电视机中的自动消磁电路一般者由两部组成，即消磁线圈和消磁电阻， 普通彩色电视机中作用的消磁电阻是一种非线性电阻， 一般称为PTC电阻(PTC是正温度系数的英文词头缩写)。这种电阻的R-t特性非常特殊(见图2所示)， 它是由BaTiO3为基料经过掺杂改性而形成的半导体化的陶瓷材料制成，而BaTiO3具有一个居里点(见图2中的te点，在制造时，通过调整配方，可以改变材料的居里点，以适应各种不同的用途)，在居里点附近，由于相变的原因而使阻值急剧上升，在此温度以上范围，材料呈开路状态。彩电中使用的消

23、磁电阻的居里点一般为数十度，在常温下，其阻值一般为十几欧至数十欧。 在开机的瞬间，通过消磁回路(见图1所示)的电流很大(一般约数安培左右)，此电流在消磁线圈中产生消磁磁场， 对显像管进行消磁。同时，由于电流的热效应，使消磁电阻的温度急剧上升，当温度达到居里点后，其阻值急剧上升， 使得消磁回路呈开路状态。实际上，这类消磁电阻在消磁回路中起了一个开关作用： 在电源接通瞬间，此“开关”闭合，使消磁回路对彩电消磁，消磁结束，“开关”断开，使消磁回路停止工作。 上述的“开关”断开、消磁回路停止工作时，PTC电阻上仍有约10mA左右的残余电流存在，这一电流的作用会使消磁电阻上维持一定的温度(故彩电在工作过程中， 消磁电阻表面温度较高)，在此温度下才能保持其高阻值。但是，残余电流在关机瞬间是突然截止的，这种突然变化的电流也会使显像管被瞬间磁化。