熱電阻傳感器

1、熱電傳感器熱電阻傳感器的介紹專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程班級(jí)：生物1201組員：劉少杰劉小斌日期：2015918新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中， 首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng) 域中信息的主要途徑與手段。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、 海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等 等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋， 以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的 傳感器。熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性 來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬

2、材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑 和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測(cè)量溫度及與溫度有關(guān) 的參數(shù)。在溫度 檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器比較適用。目前 較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性 好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測(cè)量-200 C+500 C范圍內(nèi)的溫度。溫度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，涉及到各行各業(yè)的各個(gè)方面，在各種不同的 領(lǐng)域中都占有重要的位置。從降低開放成本擴(kuò)大適用范圍、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn) 定性、可靠性出發(fā)，設(shè)計(jì)一種以Pt100鉑熱電阻為溫度信號(hào)采集元件的傳感器溫度測(cè)量系統(tǒng)。

3、才測(cè)量系統(tǒng)不但可以測(cè)量室內(nèi)的溫度，還可以測(cè)量液 體等的溫度，在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用。 熱電阻傳感器工作原理在金屬中，載流子為自由電子，當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然自由電子數(shù)目基 本不變（當(dāng)溫度變化范圍不是很大時(shí)），但每個(gè)自由電子的動(dòng)能將增加， 因而在一定的電場(chǎng)作用下，要使這些雜亂無章的電子作定向運(yùn)動(dòng)就會(huì)遇到 更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻就要是利用電 阻隨溫度升高而增大這一特性來測(cè)量溫度的。熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件。半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流 子，由于半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目遠(yuǎn)比金屬中的自由電子數(shù)目少得多，所以 它的電阻率大。隨溫度的升高，半導(dǎo)體中

4、更多的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較 高能級(jí)而產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì)，因而參加到電的載流子數(shù)目增加了，半 導(dǎo)體的電阻率也就降低了（電導(dǎo)率增加）。因?yàn)檩d流子數(shù)目隨溫度上升按 指數(shù)規(guī)律增加，所以半導(dǎo)體的電阻率也就隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律下降。熱 敏電阻正是利用半導(dǎo)體這種載流子數(shù)隨溫度變化而變化的特性制成的一種 溫度敏感元件。當(dāng)溫度變化C時(shí)，某些半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化將達(dá)到（36） %在一定條件下，根據(jù)測(cè)量熱敏電阻值的變化得到溫度的變化。 與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。目前主要有

5、金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。 相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大， 常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以 上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測(cè)溫范圍只有 -50300 C左右，大量用于家 電和汽車用溫度檢測(cè)和控制。金屬熱電阻一般適用于-200500 C范圍內(nèi)的溫度測(cè) 量，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。熱電阻的信號(hào)連接方式熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn) 場(chǎng)，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的影 響O1二線制：在熱電阻的兩端各連接

6、一根導(dǎo)線來引出電阻信號(hào)的方式叫二線制：這種引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合O2三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的 方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影 響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻。O3四線制：在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中 兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U,再通過另兩根引線 把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響， 主要用于高 精度的溫度檢測(cè) 它的分類熱電阻傳感器

7、按不同的分類方式可以分為多種。按材料分，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(jiǎn)稱熱電阻，后 者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。按結(jié)構(gòu)分，普通型熱電阻、錯(cuò)裝熱電阻、薄膜熱電阻。 按用途分，工業(yè)用熱電阻、精密標(biāo)準(zhǔn)電阻。以下是按照第一類來介紹熱電 阻傳感器。金屬熱電阻傳感器目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑、銅、鎳、鐵和銠鐵合金等，而 常用的是鉑、銅，他們的電阻溫度系數(shù)在36 10/ C范圍內(nèi)。作為測(cè)溫用的熱電阻材料，希望電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度；電阻率 盡可能大，以便減小電阻體尺寸；熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速 度；在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系

8、最 好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。在鉑、銅中，鉑的性 能最好，采用特殊的 結(jié)構(gòu)可以制成標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，它的適用范圍為 一2 0 09°C0；銅電阻價(jià)廉并且線性較好，但溫度高易氧化，故只適用于溫 度較低-150°C的環(huán)境中，目前已逐漸被鉑電阻所取代。鉑熱電阻鉑材料的優(yōu)點(diǎn)為：物理、化學(xué)性能極為穩(wěn)定尤其是耐氧化能力很強(qiáng)， 并且在很寬的溫度范圍內(nèi)(1200 C以下)均可保持上述特性；易于提純，復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔；電阻率 較高。缺點(diǎn)是：電阻溫度系數(shù)較??；在還原介質(zhì)中工作時(shí)易被沾污變脆； 價(jià)格較高。鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似線性，其

9、特性方程為當(dāng)-200t < 0°C時(shí)：Rt = r°At Bt2 c (1°°) t3當(dāng) 0Cw t < 960C時(shí)： Rt 二 R0(1 At Bt2)式中Rt 溫度為t C時(shí)鉑熱電阻的阻值，單位為Q；&溫度為0C時(shí)鉑熱電阻的阻值，單位為Q；A、B、C溫度系數(shù)，它們的數(shù)值分別為3.90802 10(1/0C2)，B = -5.802 10(1/0C)，C =-4.27350 102(1/0C4)。銅熱電阻鉑金屬貴重，因此在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，普遍地采用銅熱電阻來測(cè)量 -50+150C的溫度。銅熱電阻有如下特點(diǎn)。在上

10、述使用的溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性關(guān)系，即可近似表示為Rt 二 R0(1： t)式中 :電阻溫度系數(shù)，=(4.254.28) 10/0C。1. 電阻溫度系數(shù)比鉑高，而電阻率則比鉑低。2. 容易提純，加工性能好，可拉成細(xì)絲，價(jià)格便宜。3. 易氧化，不宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。鑒于上述特點(diǎn)，在介質(zhì)溫度不高、腐蝕性不強(qiáng)、測(cè)溫元件體積不受限制的條件大都采用銅熱電阻。表一熱電阻的主要技術(shù)性能材料鉑（WZP銅（wzc使用溫度范圍/C-200 +960-50+150電阻率/（Q m燈0 ）0.0981 0.1060.017間電阻溫度系數(shù)a（0 100 °C 平均值）/（1/ 0C）0

11、.003850.00428化學(xué)穩(wěn)定性在氧化性介質(zhì)中較穩(wěn) 定，不能在還原性介質(zhì)中 使用，尤其在高溫情況 下。超過100C易氧化特性特性近于線性、性能穩(wěn)定、精度高線性較好、價(jià)格低廉、 體積大應(yīng)用適用于較高溫度的測(cè) 量，可作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置適用于測(cè)量低溫、無水 分、無腐蝕性介質(zhì)的溫度熱電阻的結(jié)構(gòu)普通型熱電阻由感溫元件（金屬電阻絲）、支架、引出線、保護(hù)套管及接線盒等基本部分組成。為避免電感分量，熱電阻絲常采用雙線并繞， 制成無感電阻。1、感溫元件（金屬電阻絲）由于鉑的電 阻率較大，而且相對(duì) 機(jī)械強(qiáng)度 較大，通常 鉑絲的直 徑在0.030.07伽土 0.005伽之間?？蓡螌永@制，若鉑絲太細(xì)，電阻體可做的小

12、， 但強(qiáng)度低；若鉑絲粗，雖強(qiáng)度大，但電阻體積大了，熱惰性也大，成本高。由于銅的機(jī)械強(qiáng)度較低，電阻絲的直徑需較大。一般為（0.1 ± 0.005 的漆包銅線或絲包線分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆而成。由于銅電阻的溫度低，故可以重疊多層繞制，一般多用雙 繞法，即兩根絲平行繞制，在末端把兩個(gè) 頭焊接起來，這樣工作電流從一根熱電阻 絲進(jìn)入，從另一根熱電阻絲反向出來，形 成兩個(gè)電流方向相反的線圈，其磁場(chǎng)方向 相反，產(chǎn)生的電感就互相抵消，故又稱無 感繞法。這種雙繞法也有利于引線的引出。2、骨架熱電阻是繞制在骨架上的，骨架是用來 支持和固定電阻絲的。骨架應(yīng)使用電絕緣性能好，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，體膨脹系數(shù)小，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)熱電阻絲無污 染的材料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。3、引線引線的直徑應(yīng)當(dāng)比熱電阻絲大幾倍， 盡量減少引線的電阻，增加引線的機(jī)械 強(qiáng)度和連接的可靠性，對(duì)于工業(yè)用的鉑熱電阻，一般采用1伽的銀絲作為引線。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的鉑熱電阻則可采用 0.3伽的鉑絲作為引線。對(duì)于銅熱電阻則常用0.5 mm的銅線。在骨架上繞制好熱電阻絲，并焊好引