第三章：

熱電阻式傳感器石河子大學機械(jīxiè)電氣工程學院電氣工程系石河子大學機械電氣(diànqì)工程學院干燥技術與裝備實驗室《機械工程測試技術》精品資料第三章 熱電阻式傳感器內容提示(tíshì)：3.1溫標及測溫方法3.2金屬熱電阻傳感器3.3半導體熱敏電阻傳感器3.4集成式溫度傳感器精品資料3.1溫標(wēnbiāo)及測溫方法3.1.1溫度的基本概念溫度是反映物體冷熱狀態的物理參數(cānshù)，它反映了物體內部分子無規則運動的劇烈程度。表示衡量溫度高低的標準，這個標準尺度稱溫標。精品資料3.1溫標(wēnbiāo)及測溫方法3.1.2溫標溫標的概念：用來衡量溫度高低的標準尺度(chǐdù)常用溫標經驗溫標攝氏溫標華氏溫標列式溫標三者間的轉換熱力學溫標國際實用溫標精品資料3.1溫標(wēnbiāo)及測溫方法3.1.3溫度檢測的主要方法及分類溫度檢測方法一般(yībān)可分為兩大類，即接觸測量法和非接觸測量法。 其中，接觸測量法是測溫敏感元件直接與被測介質接觸，使被測介質與測溫敏感元件進行充分的熱交換，使兩者具有同一溫度，達到測量的目的。 由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。精品資料3.1溫標(wēnbiāo)及測溫方法非接觸測量法是利用物質的熱輻射原理，測溫敏感元件不與被測介質接觸，通過輻射和對流實現熱交換，達到測量目的。 其制造成本較高，測量精度卻較低。優點是：不從被測物體(wùtǐ)上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續測量不會產生消耗；反應快等。精品資料3.1溫標(wēnbiāo)及測溫方法3.1.4各溫度段所使用的標準(biāozhǔn)儀器低溫鉑電阻溫度計（13.81K—273.15K）鉑電阻溫度計（273.15K—903.89K）鉑銠-鉑熱電偶溫度計（903.89K—1337.58K）光測溫度計（1337.58K以上）精品資料3.2金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器主要是利用溫度變化時傳感器電阻發生變化的原理進行溫度測量，這種溫度傳感器在常溫和低溫區具有非常(fēicháng)高的靈敏度，其阻值與被測溫度具有極佳的線性關系（溫度升高，阻值增加）。精品資料3.2金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器3.2.1熱電阻的類型理論上講，任何金屬都可作為熱電阻傳感器，但實際應用時存在以下要求：溫度系數值要大，熱電阻的靈敏度就越高在測量范圍內，其材料的物理、化學性質應穩定，以保持電阻基值的穩定性在測量范圍內，電阻溫度系數要保持常數，以確保輸入——輸出線性，提高測量精度具有較高的電阻率,采用較高電阻率的感溫材料，可以減少(jiǎnshǎo)熱電阻體積和熱慣性材料容易提純，確保較好的復制性。目前較為廣泛應用的熱電阻材料是鉑、銅和鎳。精品資料3.2金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)鉑電阻在-200℃～0℃范圍內，鉑電阻的電阻值Rt與溫度t的關系為：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t2]在0℃～850℃范圍內，Rt與溫度t的關系為：Rt=R0(1+At+Bt2)其中Rt——溫度為t℃時鉑電阻的電阻值； R0——0℃時鉑電阻的電阻值；A、B、C分別為常數(chángshù)，其數值為：A=3.90802×10-3B=-5.802×10-7C=4.27350×10-12精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)銅電阻銅熱電阻在-50℃～150℃的使用范圍內其電阻值與溫度的關系(guānxì)幾乎是線性的，可表示為：式中，Rt——溫度為t時的阻值 R0——溫度為0℃時的阻值α——銅電阻的電阻溫度系數精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)鎳電阻鎳電阻的使用范圍(fànwéi)為：-60℃～250℃，與鉑電阻和銅電阻相比，在使用范圍(fànwéi)內其電阻值與溫度的線性關系稍差。精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)分度值Pt100、Pt1000、Cu50、Ni100等精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)精品資料3.2.2熱電阻的結構(jiégòu)繞組式——將鉑絲繞組密封在瓷棒的空腔內的一種結構(jiégòu)空腔內松散填充氧化鋁或氧化鎂粉末，在不影響鉑絲延展性的前提下，保護鉑絲并改善導熱性能瓷棒的兩端以玻璃材料進行密封整個傳感器的直徑最小可達到0.9mm，長度最短為7mm這種封裝結構(jiégòu)可以保證鉑絲在瓷棒內的延展性，但熱響應速度較慢可在-200℃~+800℃范圍內使用30μm100μm精品資料3.2.2熱電阻的結構(jiégòu)繞線式——將鉑絲纏繞（雙層）在玻璃棒上，并以玻璃材料進行外部封裝的一種結構。由于(yóuyú)鉑絲完全被玻璃材料圍繞，因此傳感器抗沖擊和震動的性能較好整個傳感器的直徑最小可達到0.9mm，長度最短為7mm外部不需要額外進行封裝，熱響應速度快可在-200℃~+400℃范圍內使用精品資料3.2.2熱電阻的結構(jiégòu)箔片式——箔片式是將鉑絲粘接在兩層聚酰胺(俗稱尼龍)薄膜間的一種結構。厚度僅為0.17mm，具有極佳的柔韌性，可粘敷在管道表面或者嵌入繞組中進行溫度(wēndù)測量可在-80℃~+230℃范圍內使用精品資料3.2.2熱電阻的結構(jiégòu)薄片(báopiàn)式——薄片(báopiàn)式是將一薄層的鉑沉積（厚度僅為1μm）在陶瓷基底上，并利用玻璃或環氧樹脂進行密封、絕緣的一種結構。熱響應速度要優于繞線式價格低廉熱響應速度快，且熱容小可在-50℃~+400℃范圍內使用精品資料3.2.2熱電阻的結構(jiégòu)精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路兩線制精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路四線制精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路自熱現象鉑電阻傳感器屬于電阻型器件，在實際工作中，需要有激勵電流流過鉑電阻方可獲得端電壓。但這個激勵電流在使鉑電阻處于工作狀態的同時，也會引起鉑電阻的自熱現象，這會引入誤差。因此，在滿足測量(cèliáng)需要的前提下，應盡量減小激勵電流，或者僅在需要測量(cèliáng)時再施加激勵電流。精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路溫度(wēndù)變送器精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路電流(diànliú)輸出式（4～20mA）溫度變送器接法精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路電壓(diànyā)輸出型溫度變送器接法精品資料關于(guānyú)金屬熱電阻傳感器1871年，WilliamSiemens發現了鉑電阻的阻值與溫度(wēndù)的變化之間的線性關系。1823-1883精品資料1887年，英國科學家HughCallendar推出了一款具有相當精度的鉑電阻傳感器，并發表了一篇關于如何(rúhé)應用鉑電阻傳感器進行溫度測量的文章。1863-1930精品資料3.3半導體熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)傳感器熱敏電阻是利用一些金屬氧化物（半導體）按一定的比例混合壓制和燒結而成的固態感溫器件，利用其電阻率隨溫度變化而變化的特性(tèxìng)來測量溫度。精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性溫度(wēndù)特性 熱敏電阻按照其溫度(wēndù)系數可分為負溫度(wēndù)系數熱敏電阻（NTC）、正溫度(wēndù)系數熱敏電阻（PTC）和臨界溫度(wēndù)系數熱敏電阻（CTR）。精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性NTC熱敏電阻在測溫范圍內，NTC的阻值隨溫度的升高而降低。NTC熱敏電阻的溫度-阻值關系：利用溫度-阻值表和Steinhart-Hart公式1/TT=a+bln(RT)+c[ln(RT)]3其中TT為被測開氏溫度、RT為NTC熱敏電阻的當前阻值、a、b、c為常數，可通過廠商給出的溫度-阻值表求出。Steinhart-Hart公式在NTC熱敏電阻的工作溫度范圍內非常準確(zhǔnquè)，在-30～125℃范圍內，該公式所引入的擬合誤差不超過0.1℃。精品資料3.3.1熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的類型及特性利用溫度-阻值特性公式 RT=R25exp(β/TT-β/T25)，某些廠商未給出溫度-阻值表，但給出了在25℃下該NTC熱敏電阻的阻值R25（又被稱為(chēnɡwéi)額定零功率電阻），以及熱敏電阻溫度常數β，利用這些常數，通過上式便可求出在指定溫度（開氏溫度）下的阻值。精品資料3.3.1熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的類型及特性PTC熱敏電阻在測溫范圍內，PTC的阻值(zǔzhí)隨溫度的升高而增加。TC為居里溫度精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性CTR熱敏電阻在臨界溫度附近電阻值隨溫度的增加而急劇下降。由于(yóuyú)后兩者在溫度達到居里溫度后，其阻值后陡然增加，因此很少被用于溫度測量，而多被用于過流保護等場合。精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性伏安特性靜態(jìngtài)情況下熱敏電阻上的端電壓與通過熱敏電阻的電流之間的關系稱為伏安特性。精品資料3.3.2熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的主要參數標稱電阻(diànzǔ)值耗散系數電阻(diànzǔ)溫度系數熱容量時間常數精品資料3.3.3熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的特點靈敏度高。半導體的電阻溫度系數比金屬大，這就意味著引線失衡所引起的誤差可以忽略不計，因此可用于遠距離測量，并可大大降低對儀表的要求體積小、熱慣性小、結構簡單，可根據應用場合制成各種形狀化學穩定性好，機械性能強，價格低廉，壽命長復現(fùxiàn)性和互換性差，非線性嚴重，測溫范圍窄，目前只能達到-50～+300℃精品資料3.3.4熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的應用溫度測量(cèliáng)溫度補償溫度控制過熱保護精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式非標式精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式PTC保護(bǎohù)用熱敏電阻的外觀精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式加熱(jiārè)用PTC熱敏電阻精品資料關于(guānyú)熱敏電阻實際上，Steinhart-Hart模式已經是一種進行熱敏電阻標定的工業(gōngyè)標準。但考慮到利用該模型進行標定時至少需要三個溫度點，因此，當要求精度不高，成本敏感或者應用溫度范圍較窄時，通常會考慮其他的模型。精品資料關于(guānyú)熱敏電阻高精度、快速(kuàisù)響應的封裝形式精品資料3.4集成式溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結的電流、電壓特性與溫度的關系，把敏感元件、放大電路和補償(bǔcháng)電路等部分集成化，并把它們封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它的體積小、反應快、線性化、抗干擾能力強，但測溫范圍主要集中在-50～150℃。精品資料3.4.1集成溫度傳感器的工作原理(yuánlǐ)及分類工作原理(yuánlǐ)

式中，n——VT1和VT2的發射結面積比 K——波爾茲曼常數 q——電子電量精品資料3.4.1集成(jíchén