自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第二章專題-熱電阻

1、自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)專題：熱電偶物理及電子工程學(xué)院 楊恒Tel:-mail: 一、熱電阻測溫原理及特點一、熱電阻測溫原理及特點 1) 原理：通過測阻值變化反應(yīng)溫度。2）分類：電阻是測量溫度的敏感元件，包括金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體兩種。3）測溫范圍：200+5000C優(yōu)點：優(yōu)點：準確度高。準確度高。靈敏度高。中低溫下（靈敏度高。中低溫下（5000C以下），輸出信號比熱電偶大。以下），輸出信號比熱電偶大。輸出電信號輸出電信號, 便于遠傳和切換。便于遠傳和切換。缺點：缺點：不能測量太高溫度。不能測量太高溫度。熱慣性大。熱慣性大。只能測量平均溫度。只能測量平均溫度。需要外供電源，連接導(dǎo)

2、線產(chǎn)生測量誤差。需要外供電源，連接導(dǎo)線產(chǎn)生測量誤差。二、標準化熱電阻二、標準化熱電阻測溫?zé)犭娮璨牧媳仨殱M足：1）電阻溫度系數(shù)大 電阻系數(shù)：溫度變化1 0C時電阻值的相對變化量2）在測溫范圍內(nèi)物理及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。3）有較大的電阻率。（電阻體積?。?。4）線性度好。5）復(fù)現(xiàn)性好，6）價格便宜。 工業(yè)用的熱電阻材料有鉑、銅、鐵、鎳。鐵工業(yè)用的熱電阻材料有鉑、銅、鐵、鎳。鐵難提純，我國目前只生產(chǎn)難提純，我國目前只生產(chǎn)鉑、銅、鎳鉑、銅、鎳dtdRRdtRdR110000100RRR1、鉑電阻 特點：穩(wěn)定性好、準確度高、性能可靠。 原因：鉑在氧化氣體、甚至高溫下物理、化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,鉑電阻的輸出 輸入特性

3、接近線性，且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。按國際溫標IPTS-68規(guī)定，在-259.34630.73溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。 測溫范圍：-200850 0C 應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于工業(yè)和實驗室中 注意：鉑在還原性氣體尤其在高溫還原性氣體中，容易被污染，導(dǎo)致鉑絲變脆，并改變電阻與溫度間的關(guān)系。因此必須用保護套管把電阻體與有害氣體隔離。 熱電阻溫度計由熱電阻、顯示儀表和連接導(dǎo)線組成，熱電阻由電阻體、絕緣管和保護套管等主要部件組成。電阻絲在支架上繞制，由玻璃或陶瓷作外保護層，防止有害氣體腐蝕和氧化。繞制中采用中間對折雙繞方式，避免感應(yīng)電動勢。熱電阻實用結(jié)構(gòu)工業(yè)用熱電阻溫度計的

4、分度公式和分度號 工業(yè)用鉑電阻溫度計工業(yè)用鉑電阻溫度計 v -2000v 0850230(1(100) )tRRAtBtC tt201tRRAtBt其中：其中：A=3.9083*10-13/ B=-5.775*10-7/ C=-4.183*10-12/國產(chǎn)標準化工業(yè)國產(chǎn)標準化工業(yè)鉑電阻的分度號：鉑電阻的分度號：Pt10和和Pt100。例例: （熱電阻測量橋路）（熱電阻測量橋路）熱電阻型傳感器熱電阻型傳感器Rt的輸出的輸出信號為熱電阻值的變化。信號為熱電阻值的變化。為便于處理，通常需設(shè)計為便于處理，通常需設(shè)計一個四臂電橋，把隨被測一個四臂電橋，把隨被測溫度變化的熱電阻阻值轉(zhuǎn)溫度變化的熱電阻阻值轉(zhuǎn)

5、換成電壓信號換成電壓信號使用時的注意事項使用時的注意事項 1 自熱誤差 電阻消耗電功率，造成電阻值的變化。使用中要盡量減小由于電阻器通電產(chǎn)生的自熱引起的誤差。限制電流=6mA 2 引線電阻的影響 金屬電阻其本身電阻較小，引線電阻值及其變化不能忽略。引線采用三線式或四線三線式或四線式接法式接法。 特點：電阻值與溫度關(guān)系幾乎線性，電阻溫度系數(shù)較大，材料易提純，價格較便宜。 測溫范圍：50150 0C 應(yīng)用范圍：測量準確度要求不是很高，溫度較低的場合。 缺點：250 0C以上容易氧化，故只能在低溫及沒有腐蝕的介質(zhì)中應(yīng)用，銅的電阻率較小，=0.017.mm2/m，銅的熱電阻體積較大。國產(chǎn)標準化工業(yè)國產(chǎn)

6、標準化工業(yè)銅銅電阻的分度號：電阻的分度號：Cu50和和Cu100。20(1(100)(100)tRRtt ttt=4.28*10-3/；=-9.31=-9.31* *1010-8-8C C-2-2; ;=1.23=1.23* *1010-9-9C C-3-3銅電阻溫度計銅電阻溫度計2 、銅電阻、銅電阻薄膜型及普通型鉑熱電阻 汽車用水溫傳感器及水溫表 銅熱電阻銅熱電阻鉑電阻溫度顯示、變送器0200400600800-2001234CuPtNit/價格便宜，線性程度好，但溫度高易于氧化。精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、耐氧化能力強、測溫范圍寬。但電阻溫度系數(shù)比較小，電阻值與溫度之間呈非線性關(guān)系，且價格

7、較貴。 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的?；@著變化的特性實現(xiàn)測溫的。 半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多，靈敏度比熱電阻高得多，故動態(tài)特性好故動態(tài)特性好。而且。而且體體積可以做得很小積可以做得很小，特別適于在，特別適于在-50-50300300之間之間測溫。測溫。熱敏電阻的缺點是其熱電特性是非線性的。熱敏電阻的缺點是其熱電特性是非線性的。三、半導(dǎo)體熱敏電阻三、半導(dǎo)體熱敏電阻/,B TTRAeA B其中是取決于半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù)1717熱敏電阻主要有三種類

8、型熱敏電阻主要有三種類型正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)(PTC)負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)(NTC) 臨界溫度系數(shù)臨界溫度系數(shù)(CTR)各種電器設(shè)備的各種電器設(shè)備的過熱保護，過熱保護， 發(fā)熱源的定溫發(fā)熱源的定溫控制，限流元件?？刂?，限流元件。點溫、表面溫度、溫差、點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量自動控制及溫場等測量自動控制及電子線路的熱補償線路電子線路的熱補償線路溫度開關(guān)溫度開關(guān)NTCNTC熱敏電阻的阻值熱敏電阻的阻值- -溫度關(guān)系為：溫度關(guān)系為：T0011R R expB- T TNTCNTC熱敏電阻的電阻熱敏電阻的電阻 溫度特性溫度特性B B 為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般B B 為

9、為20006000K20006000K，高溫下高溫下B B 將增大。將增大。這種測溫電阻靈敏度高，這種測溫電阻靈敏度高，R0R0常用范圍是幾百歐到一常用范圍是幾百歐到一百千歐，測溫電阻引線電阻影響小，可忽略。百千歐，測溫電阻引線電阻影響小，可忽略。(273+25)KNTCNTC型熱敏電阻的溫度系數(shù)型熱敏電阻的溫度系數(shù) /21B TTTTTRAedRBRdTT 電阻溫度系數(shù)并非常數(shù)；低溫段電阻溫度系數(shù)并非常數(shù)；低溫段比高溫段要更靈敏；溫度系數(shù)為比高溫段要更靈敏；溫度系數(shù)為負數(shù)。負數(shù)。 NTC型熱敏電阻主要由錳、鐵、型熱敏電阻主要由錳、鐵、鎳、鈷、鈦、鉬、鎂等復(fù)合氧化鎳、鈷、鈦、鉬、鎂等復(fù)合氧化物

10、高溫?zé)Y(jié)而成，通過不同的材物高溫?zé)Y(jié)而成，通過不同的材質(zhì)組合，能得到不同的電阻值質(zhì)組合，能得到不同的電阻值R0及不同的溫度特性。及不同的溫度特性。 優(yōu)點：優(yōu)點： 靈敏度高。靈敏度高。一般來說，是金屬熱電阻的十多倍，一般來說，是金屬熱電阻的十多倍，因此，可大大降低顯示儀表的精度要求；因此，可大大降低顯示儀表的精度要求；電阻值高。電阻值高。半導(dǎo)體熱敏電阻在常溫下的阻值很大，半導(dǎo)體熱敏電阻在常溫下的阻值很大，通常在數(shù)通常在數(shù)K上，這樣引線電阻幾乎對測溫沒有影上，這樣引線電阻幾乎對測溫沒有影響；響；體積小，熱慣性也小體積小，熱慣性也小，時間常數(shù)通常在，時間常數(shù)通常在0.53s；結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，化學(xué)

11、穩(wěn)定性好，使用壽命結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，化學(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長。長。缺點缺點：非線性嚴重；溫度測量范圍有一定限制，只：非線性嚴重；溫度測量范圍有一定限制，只能達到能達到-50300左右。左右。 一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（CoCo）、錳（）、錳（MnMn）、）、鎳（鎳（NiNi）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入粘合劑，埋入適當(dāng)引線（鉑絲），擠壓成形再經(jīng)高溫入粘合劑，埋入適當(dāng)引線（鉑絲），擠壓成形再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有燒結(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀珠狀、

12、片狀、桿狀、墊圈狀等。等。（b b）片狀）片狀（c c）桿狀）桿狀（d d）墊圈狀）墊圈狀熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a a）珠狀）珠狀玻璃殼玻璃殼熱敏電阻熱敏電阻引線引線工業(yè)測量主要用珠形。 將珠形熱敏電阻燒結(jié)在兩根鉑絲上，外面涂敷玻璃層，并用杜美絲與鉑絲相接引出，外面再用玻璃管作保護套管，保護套管外徑在3-5mm之間，若把熱敏電阻配上不平衡電橋和指示儀表，則成為半導(dǎo)體點溫度計。熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號a a）圓片型熱敏電阻）圓片型熱敏電阻 b b）柱型熱敏電阻）柱型熱敏電阻 c c）珠型熱敏電阻）珠型熱敏電阻 d d）鎧裝）鎧裝型型 f f）圖形符號）

13、圖形符號1 1熱敏電阻熱敏電阻 2 2玻璃外殼玻璃外殼 3 3引出線引出線 4 4紫銅外殼紫銅外殼 5 5傳熱安裝孔傳熱安裝孔 聚脂塑料封裝聚脂塑料封裝熱敏電阻熱敏電阻MF12MF12型型NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻珠型貼片式貼片式NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻玻璃玻璃2828熱敏電阻用于熱水器的溫度控制熱敏電阻用于熱水器的溫度控制熱敏電阻溫度面板表 熱敏電阻LCD熱敏電阻用于熱敏電阻用于CPUCPU溫度測量溫度測量熱敏電阻體溫表 3 測溫范圍：-100+3000C4 特點：與金屬熱電阻相比1）優(yōu)點：（1）靈敏度高。（2）電阻率很大，體積很小，連接導(dǎo)線電阻變化的影響可忽略。（3）結(jié)構(gòu)簡單，可測量

14、點的溫度。（4）熱慣性小，響應(yīng)快。2 2）缺點）缺點（1）互換性差）互換性差（2）電阻和溫度的關(guān)系不穩(wěn)定，隨時間變化）電阻和溫度的關(guān)系不穩(wěn)定，隨時間變化四、工業(yè)用四、工業(yè)用熱電阻熱電阻的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一 結(jié)構(gòu) 由熱電阻體、引出線、絕緣骨架、保護套管、接線盒等部分組成1） 絕緣骨架作用：纏繞、支撐和固定熱電阻絲的支架。 它的質(zhì)量影響技術(shù)指標。目前常用的材料: 云母,玻璃,石英,陶瓷,塑料(1)云母骨架熱電阻云母骨架熱電阻(2)玻璃骨架熱電阻玻璃骨架熱電阻(3)陶瓷骨架熱電阻陶瓷骨架熱電阻(4)塑料骨架熱電阻塑料骨架熱電阻2） 熱電阻體（1）云母骨架熱電阻：用直徑為0.03-0.07 mm 的鉑絲，采

15、用雙線無感繞制法繞在鋸齒形云母骨架上，兩面再各加云母片絕緣，外面用鉚釘及陶瓷卡件夾持而成。在裝入保護套管時，云母骨架熱電阻體的兩面各綁一個完成半圓形的彈簧片，它的作用是把電阻體固定在保護套管中間，這樣即可增加抗震及抗沖擊性能，又可加強熱傳導(dǎo)，減小測溫后的之后和自熱影響絲。使用溫度500 0C以下。3 ）引出線 定義：由熱電阻體至接線端子的連接導(dǎo)線稱為引出線。 問題：引出線有電阻值，影響測量精度。 解決方法： （1）選擇特定材料 內(nèi)引出線要選用純度高，與電阻絲、接線端子之間產(chǎn)生的熱電勢小，而且在最高使用溫度下不揮發(fā)、抗氧化、不變質(zhì)的材料。工業(yè)用鉑電阻用銀絲作引出線，高溫下用鎳絲作引出線。銅和鎳電

16、阻可用銅絲和鎳絲作引出線。引出線的直徑比電阻絲的直徑大得多，這樣可減少引出線電阻。國產(chǎn)熱電阻有二線制，三線制，四線制。1）兩線制：在熱電阻的電阻絲兩端各連接一根導(dǎo)線的引出線方式。這種熱電阻測溫時都存在引出線電阻變化產(chǎn)生的附加誤差。 2) 三線制：在熱電阻體的電阻絲的一端連接兩根引出線，另一端連接一根引出線。測溫時它可以消除引出線電阻的影響，故測溫準確度高于兩線制電阻。（2）接線方式見教材）接線方式見教材p44,p45熱電阻接入結(jié)構(gòu)一: 二線制 熱電阻位于熱溫現(xiàn)場，而儀表顯示或變送位于遠離現(xiàn)場的部分，兩者之間的連線電阻會對熱電阻精度構(gòu)成影響。理想值 r的影響不容忽視。誤差)(tREIt實際值 r

17、tREIt)(rtRIIIt)(11電橋平衡時：1342()()tRRR RR RR4213tRRRRRRR（）-3421tRRRRRR當(dāng)時，與 無關(guān)2)2)熱電阻接入結(jié)構(gòu)二: 三線制三線制：在熱電阻體的電阻絲的一端連接兩根引出線，另一端連接一根引出線。測溫時三線制：在熱電阻體的電阻絲的一端連接兩根引出線，另一端連接一根引出線。測溫時它可以消除引出線電阻的影響，故測溫準確度高于兩線制電阻。它可以消除引出線電阻的影響，故測溫準確度高于兩線制電阻。3)四線制:在熱電阻體的電阻絲兩端各連出兩根引出線。測溫時，它不僅可以消除引出線電阻的影響，還可以消除連接導(dǎo)線間接觸電阻及其阻值變化的影響。四線制多用在

18、標準鉑電阻的引出線上。 2、 鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻1)工藝：將電阻體（感溫元件)焊到由金屬保護套管，絕緣材料和金屬導(dǎo)線三者拉伸而成的細管導(dǎo)線上形成的，然后再外面再焊一段短管做保護套管，在熱電阻體與保護套管之間填滿絕緣材料，最后焊上封頭。2）優(yōu)點：）優(yōu)點：（1) 尺寸小，響應(yīng)速度快。尺寸小，響應(yīng)速度快。（2）機械性能好，耐震動和沖擊。）機械性能好，耐震動和沖擊。（3）除感溫元件外，其它部分可彎曲，適合復(fù)雜結(jié)除感溫元件外，其它部分可彎曲，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)。構(gòu)。（4) 不易侵蝕，壽命長不易侵蝕，壽命長3、 膜式鉑電阻 厚膜和薄膜。1）.厚膜鉑電阻是在一陶瓷基片上印制出條狀鉑膜形成的。由于鉑膜很薄，又在陶

19、瓷基片上，所以測溫響應(yīng)時間很小，約0.1s。2）.薄膜鉑電阻則是利用真空鍍膜的方法將鉑鍍在陶瓷基片上形成的，其形狀和厚膜差不多，只是尺寸更小，響應(yīng)時間更短。熱電熱電阻阻名稱名稱代代號號分分度度號號R0R100/R0測量測量范圍范圍基本誤差基本誤差公稱公稱值值允許允許誤差誤差名義名義值值允許允許誤差誤差溫度溫度范圍范圍（）允許允許值值（）銅熱銅熱電阻電阻WZCCu50Cu100500.051.4280.002-50150-501501000.1鉑熱鉑熱電阻電阻WZPPt10Pt10010A級級0.006B級級0.0121.3850.001-200850-200850100A級級0.006B級級0

20、.012鎳熱鎳熱電阻電阻WZNNi100Ni300Ni5001003005000.10.20.31.6170.003-60180-6000180五、熱電阻阻值測量五、熱電阻阻值測量 1、平衡電橋1）手動平衡電橋2）自動平衡電橋 2、不平衡電橋六、熱電阻多路溫度檢測通道1、恒流驅(qū)動法2、電橋測量法七、熱電阻溫度計的應(yīng)用 誤差分析 1）動態(tài)誤差-熱平衡后測量 2）連線電阻引起的誤差-三線，四線制 3）熱電阻通電發(fā)熱引起的誤差-I=6mA 4）機械力引起的誤差-沖擊，振動，內(nèi)應(yīng)力 5）氧化帶來的誤差-高溫氧化 6）淬火效應(yīng)的誤差-高溫快速冷卻，內(nèi)應(yīng)力一、集成溫度傳感器一、集成溫度傳感器 集成溫度傳感

21、器是利用晶體管集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補償電路等部分集成化封裝在大電路和補償電路等部分集成化封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它除了與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣有體積小、它除了與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣有體積小、反應(yīng)快的優(yōu)點外，還具有反應(yīng)快的優(yōu)點外，還具有線性好、性能高、線性好、性能高、價格低等特點。價格低等特點。新型溫度傳感器新型溫度傳感器 集成溫度傳感器（溫度集成溫度傳感器（溫度IC）將溫度敏感）將溫度敏感元件和放大、運算和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮釉头糯?、運算

22、和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)技術(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)成集測量、放大、電源供電回路于一體的高成集測量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測溫傳感器。性能的測溫傳感器。4848 PN結(jié)的結(jié)的 溫度特性溫度特性 二極管的正向二極管的正向電壓降電壓降UD以以 -2mV/ 變化變化 集成溫度傳感器的測溫原理集成溫度傳感器的測溫原理VI 集成溫度傳感器從集成溫度傳感器從8080年代進入市場，由年代進入市場，由于它有線性度好、精度適中、靈敏度高、體積于它有線性度好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用簡便等優(yōu)點，得到廣泛地使用。小、使用簡便等優(yōu)點，得到廣泛地使用。

23、它的輸出形式分為電壓型和電流型兩種。它的輸出形式分為電壓型和電流型兩種。 電壓型的靈敏度一般為電壓型的靈敏度一般為10mV/10mV/； 電流型的靈敏度為電流型的靈敏度為luA/kluA/k。AD590AD590絕對零度時輸出電量為零，利用這一特性，可絕對零度時輸出電量為零，利用這一特性，可以容易地測量絕對溫度值。以容易地測量絕對溫度值。1、電流型溫度傳感器、電流型溫度傳感器 1）AD590外型、電路符號和引腳. 2）主要特性和應(yīng)用(P49) 電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流作為輸出的電流作為輸出,AD590,AD590是電流輸

24、出型溫度傳感器的的典型是電流輸出型溫度傳感器的的典型產(chǎn)品產(chǎn)品. .5252在電腦中在電腦中, ,集成溫度傳感器集成溫度傳感器用于用于CPUCPU散熱保護電路散熱保護電路AD590是一種電流型溫度傳感器，它的輸出是一種電流型溫度傳感器，它的輸出電流與溫度成正比。電流與溫度成正比。AD590適用于適用于-55150的溫度測量范圍，其供電電壓的溫度測量范圍，其供電電壓為為+4V30V,溫度與電流的關(guān)系可用下式溫度與電流的關(guān)系可用下式表示表示: I=T,其中其中I表示電流表示電流,單位為單位為uA；T表示絕對溫度，表示絕對溫度，單位為單位為K。2、電壓型溫度傳感器電壓型溫度傳感器 LM35 LM35外型、電路符號和引腳p70. 2）內(nèi)部電路 3）主要特性和應(yīng)用 LM35靈敏度為10mv/0c