同濟(jì)大學(xué)蘇永清_傳感器與檢測技術(shù)第7章-B熱電阻傳感器

1、1傳感器與檢測技術(shù) 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：蘇永清 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系作業(yè)！5-6 5-77-10 7-117-12 7-13 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系上講內(nèi)容回顧重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握熱電效應(yīng)？熱電式組成熱電偶基本定律 一般了解一般了解 常用熱電偶材料熱電偶冷端補(bǔ)償方法 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 請將請將右圖各有右圖各有關(guān)設(shè)備關(guān)設(shè)備正正確地連接確地連接起來，組起來，組成熱電偶成熱電偶測溫、控測

2、溫、控溫電路。溫電路。黃黃綠綠紅紅L L1 L L2 L L3 接大地銅排接大地銅排接零接零熱電偶輸出端熱電偶輸出端電爐電爐交流接交流接觸器觸器三相三相 空氣開關(guān)空氣開關(guān) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系380V380V線圈的線圈的交流接觸器交流接觸器連接連接過程過程 當(dāng)溫當(dāng)溫度控制器度控制器測得的溫測得的溫度達(dá)到度達(dá)到設(shè)設(shè)定值時(shí)定值時(shí)，5-6兩端兩端開開路路，交流，交流接觸器接觸器失失電電，電爐，電爐回路被切回路被切斷斷。接大地銅排接大地銅排黃黃綠綠紅紅L L1 L L2 L L3 電爐電爐接零接零“3”端接何處端接何處熱電偶熱電偶 電子與信息工程學(xué)院控制

3、科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。7-2 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系一一. . 熱電阻熱電阻1.熱電阻材料的特點(diǎn)熱電阻材料必須具有以下特點(diǎn)：(1).高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反應(yīng)速度，提高靈敏度，減小體積和重量。(2).化學(xué)、物

4、理性能穩(wěn)定。以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測量準(zhǔn)確性。(3).良好的輸出特性。即必須有線性的或者接近線性的輸出。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2.鉑、銅熱電阻的特性鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因而用得不多。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測量精度高。n 鉑熱電阻鉑熱電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的主要作為標(biāo)準(zhǔn)

5、電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。傳遞。n 銅熱電阻銅熱電阻測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為50150。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 鉑熱電阻 目前最好材料鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān) 0100)100(RRW百度電阻比百度電阻比 W（100）越高，表示鉑絲純度越高，）越高，表示鉑絲純度越高，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）1.3925目前技術(shù)水平已達(dá)到目前技術(shù)水平已達(dá)到W（100）1.393

6、0，工業(yè)用鉑電阻的純度工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為）為1.3871.390。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下： 當(dāng)溫度當(dāng)溫度t在在200 t 0時(shí)：時(shí)： )100(1 320ttCtBtARRt當(dāng)溫度當(dāng)溫度t在在0 t 650時(shí)：時(shí)： 1 20tBtARRt國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）1.391，R0分為分為50和和100兩種，分度號(hào)分別為兩種，分度號(hào)分別為Pt50和和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）其

7、分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系） 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 銅熱電阻n應(yīng) 用：測量精度要求不高且溫度較低的場合測量范圍：50150n優(yōu) 點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。n缺 點(diǎn)：易于氧化，一般只用于150以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為)1 (0tRRt關(guān)系是線性的關(guān)系是線性的 工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的工業(yè)上

8、使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和和100兩種，兩種，分度號(hào)分別為分度號(hào)分別為Cu50和和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系二二. . 熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖 鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系三、熱電阻測溫線路 工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，而其指示或記錄儀表工業(yè)用

9、熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，而其指示或記錄儀表安裝在控制室，其問的引線很長，如果僅用兩根導(dǎo)線接在安裝在控制室，其問的引線很長，如果僅用兩根導(dǎo)線接在熱電阻兩端，導(dǎo)線本身的阻值必然和熱電阻的阻值串聯(lián)在熱電阻兩端，導(dǎo)線本身的阻值必然和熱電阻的阻值串聯(lián)在一起，造成測量誤差。如果每根導(dǎo)線的阻值是一起，造成測量誤差。如果每根導(dǎo)線的阻值是r，測量結(jié)，測量結(jié)果中必然含有絕對誤差果中必然含有絕對誤差2r。實(shí)際上這種誤差很難修正，因。實(shí)際上這種誤差很難修正，因?yàn)閷?dǎo)線阻值為導(dǎo)線阻值r是隨其所處環(huán)境溫度而變的，而環(huán)境溫度變是隨其所處環(huán)境溫度而變的，而環(huán)境溫度變化莫測，這就注定了用兩線制連接方式不宜在工業(yè)熱電阻化莫測，這就注

10、定了用兩線制連接方式不宜在工業(yè)熱電阻上應(yīng)用。上應(yīng)用。（一）三線制（一）三線制（二）四線制（二）四線制 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系16三線制測量電橋四線制接法 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 問題1 簡述 熱敏電阻的主要特點(diǎn) 2 熱敏電阻的典型結(jié)構(gòu) 3 熱敏電阻的主要材料 7-3 熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系1. 1. 標(biāo)稱電阻標(biāo)稱電阻R R2525（冷阻）（冷阻）標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在250.2時(shí)的阻值。時(shí)的阻值。

11、二、熱敏電阻的基本參數(shù)二、熱敏電阻的基本參數(shù)2. 2. 材料常數(shù)材料常數(shù)B BNN是表征負(fù)溫度系數(shù)是表征負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能值決定于材料的激活能E,具有具有BN=E2k的函數(shù)關(guān)系，式中的函數(shù)關(guān)系，式中k為波爾茲曼常數(shù)。一般為波爾茲曼常數(shù)。一般BN值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，越高。在工作溫度范圍內(nèi)，BN值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加的。的升高略有增加的。 3. 3. 電阻溫度系數(shù)（電阻溫度系數(shù)（t）熱敏電阻的溫度變

12、化熱敏電阻的溫度變化1 時(shí)電阻值的變化率。時(shí)電阻值的變化率。4. 4. 耗散系數(shù)耗散系數(shù)H H熱敏電阻器溫度變化熱敏電阻器溫度變化1所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),H值隨之變化值隨之變化,其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。 t/R RT 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系6. 6. 最高工作溫度最高工作溫度T Tmaxmax熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫?zé)崦綦娮杵髟谝?guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工

13、作所允許的最高溫度：度：T0環(huán)境溫度；環(huán)境溫度；PE環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為T0時(shí)的額定功率；時(shí)的額定功率；H耗散系數(shù)耗散系數(shù)7. 7. 最低工作溫度最低工作溫度T Tminmin熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。8. 8. 轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度T Tc c熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。HPTTE0max5. 5. 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突

14、變時(shí)電阻器的溫?zé)崦綦娮杵髟诹愎β蕼y量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的度變化量從開始到最終變量的63.2所需的時(shí)間。它與熱容量所需的時(shí)間。它與熱容量C和耗散系數(shù)和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系之間的關(guān)系HC 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系9. 9. 額定功率額定功率P PE E熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。在此功率下功率。在此功率下,它自身溫度不應(yīng)超過它自身溫度不應(yīng)超過Tmax。10. 10. 測量功率測量功率P P0 0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下熱敏電阻

15、器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過阻值變化不超過0.1時(shí)所消耗的功率時(shí)所消耗的功率11. 11. 工作點(diǎn)電阻工作點(diǎn)電阻R RG G在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。 12. 12. 工作點(diǎn)耗散功率工作點(diǎn)耗散功率P PG G電阻值達(dá)到電阻值達(dá)到RG時(shí)所消耗的功率。時(shí)所消耗的功率。UG電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。GGGRUP2 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與

16、工程系（一）熱敏電阻器的電阻溫度特性（RTT） 1234鉑絲4060120 1600100101102103104105106RT/溫度T/C熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC三、熱敏電阻器主要特性TT與RTT特性曲線一致。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系RT、RT0溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450），都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。 1 負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度

17、特性011exp0TTBRRNTTNTC的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：0ln11ln0TNTRTTBR如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為BN ，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線,如圖。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系105104103102 0 -101030507085100120T/C電阻/NTC熱敏電阻器的電阻-溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系為了

18、使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即T0=25），則NTC熱敏電阻器的電阻溫度關(guān)系式：29811exp25TBRRNTRT/R25BN關(guān)系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲線RT/R25T 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系RTR25BN系數(shù)表系數(shù)表RTR25BNR50R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195

19、.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R25 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工

20、程系2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC熱敏電阻器的電阻溫度曲線T/C電阻/Tp1Tp2Tc=175 C 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻溫度曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時(shí)，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2

21、時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對應(yīng)有較大的溫度系數(shù)tp 。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：式中 RT、RT0溫度分別為T、T0時(shí)的電阻值； BP正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。若對上式取對數(shù)，則得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 ）可見： 正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)tp ，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T

22、2lnRr0mrlnRTT 表示的PTC熱敏電阻器電阻溫度曲線lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100若對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)tp 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（U UI I）熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時(shí)的互相關(guān)系。功率相等）時(shí)的互相關(guān)系。1. 1.負(fù)溫度系數(shù)（負(fù)溫度系數(shù)（NTCNTC）熱敏電阻器的伏安特性）熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T0時(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)UI曲線。熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關(guān)系：0000exp11expTTTBIRTTBIRIRUNNTTT0環(huán)境溫度；T熱敏電阻的溫升。 電子與信息