KC04020203-m03熱電阻的介紹、包含工作原理

1、教案任務(wù)二智能冰箱內(nèi)的溫度檢測(cè)教師姓名授課形式授課時(shí)數(shù)授課日期班月日第周（周）第節(jié)授課班級(jí)知識(shí)點(diǎn)：熱電阻的介紹知識(shí)點(diǎn)：熱電阻的工作原理【知識(shí)目標(biāo)】了解智能冰箱功能理解智能冰箱溫度控制作用掌握智能冰箱溫度檢測(cè)方法知識(shí)點(diǎn)4.掌握熱電阻分類掌握熱電阻工作原理教學(xué)目標(biāo)【能力目標(biāo)】1 具備整理、分析、制作、并向他人展示的能力。2 具備問(wèn)題分析與數(shù)據(jù)處理的能力?！舅刭|(zhì)目標(biāo)】1 具備與工作伙伴的溝通交流能力，具備團(tuán)隊(duì)工作、協(xié)調(diào)能力。2 具備善于觀察、 學(xué)習(xí)和思考， 系統(tǒng)分析解決問(wèn)題的能力，成員間的溝通、協(xié)調(diào)能力。【教學(xué)重點(diǎn)】掌握智能冰箱溫度檢測(cè)方法掌握熱電阻分類教學(xué)重點(diǎn)3. 掌握熱電阻工作原理教學(xué)難點(diǎn)【教學(xué)

2、難點(diǎn)】理解智能冰箱溫度控制作用掌握智能冰箱溫度檢測(cè)方法掌握熱電阻分類- 1 -使用教具傳感器檢測(cè)實(shí)訓(xùn)室、電腦、投影儀等。課外作業(yè)舉例說(shuō)明智能工業(yè)系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)典型案例。備注授課主要內(nèi)容或板書設(shè)計(jì)一、 智能冰箱智能冰箱，就是能對(duì)冰箱進(jìn)行智能化控制、對(duì)食品進(jìn)行智能化管理的冰箱類型。具體點(diǎn)說(shuō)，就是能自動(dòng)進(jìn)行冰箱模式調(diào)換，始終讓食物保持最佳存儲(chǔ)狀態(tài)，可讓用戶通過(guò)手機(jī)或電腦，隨時(shí)隨地了解冰箱里食物的數(shù)量、保鮮保質(zhì)信息，可為用戶提供健康食譜和營(yíng)養(yǎng)禁忌，可提醒用戶定時(shí)補(bǔ)充食品等。智能冰箱功能1） 食品管理功能。了解冰箱內(nèi)的食物數(shù)量。 了解食物的保鮮周期。 自動(dòng)提醒食物保質(zhì)期時(shí)間。 提醒飲食合理搭配。2）

3、物聯(lián)云服務(wù)功能。可以通過(guò) Web在線查詢冰箱內(nèi)食物信息。 可以設(shè)置購(gòu)物清單，提醒用戶購(gòu)買食物。 可以通過(guò)手機(jī)短信接收冰箱食物信息。3） 冰箱控制系統(tǒng)冰箱數(shù)字化溫控。多種調(diào)節(jié)模式，根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)節(jié)。實(shí)際溫度查詢，可以查詢當(dāng)前箱內(nèi)溫度。分時(shí)記電，電費(fèi)一目了然。4) 其他功能看電影、聽音樂、玩游戲、電子相冊(cè)、上網(wǎng)沖浪等。智能冰箱優(yōu)缺點(diǎn) ：優(yōu)點(diǎn)：（ 1） 盡享舌尖美味- 2 -可讓用戶通過(guò)手機(jī)或電腦，隨時(shí)隨地了解冰箱里食物的數(shù)量、保鮮保質(zhì)信息，可為用戶提供健康食譜和營(yíng)養(yǎng)禁忌，可提醒用戶定時(shí)補(bǔ)充食品等。（ 2） 降低冰箱能耗能夠根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，并有多種調(diào)節(jié)模式，根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)節(jié)。（ 3）

4、保鮮效果出眾通過(guò)引入電腦控制溫度以及多級(jí)溫度調(diào)節(jié)，快速制冷等迅速鎖住食物營(yíng)養(yǎng)成分，避免食物水分的過(guò)渡流失。（ 4） 抗菌除味為了保證冰箱環(huán)境衛(wèi)生以及抑制異味的產(chǎn)生，智能冰箱通常會(huì)配備抗菌凈味裝置，再也不用擔(dān)心食材受細(xì)菌感染和串味情況發(fā)生。缺點(diǎn)：1） 智能冰箱市場(chǎng)占有率僅為 1%，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，很多 APP解決方案未夠成熟，功能未夠完善。2） 一般智能冰箱為多門或?qū)﹂_門的超大容量冰箱，價(jià)格較為昂貴，無(wú)論是購(gòu)買成本還是占用空間對(duì)普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)仍難以承受。智能冰箱中的溫度檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)中 2、 3 都是依靠溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)進(jìn)而進(jìn)行溫度控制，以熱電阻為例進(jìn)行溫度控制。二、 熱電阻介紹熱電阻材料雖然各

5、種金屬材料的電阻率均隨著溫度變化而變化，但要利用它作為測(cè)量用的熱電阻材料，還必須要滿足以下要求：1） 電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度。2） 電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸。3） 熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度。4） 在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。5） 電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性。6） 應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。- 3 -根據(jù)以上要求，純金屬是制造熱電阻的主要材料。目前應(yīng)用較多的熱電阻材料主要有鉑、銅、鎳、鐵等。熱電阻廣泛用于測(cè)量-200 +800范圍的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)至-272，高溫可達(dá) 1000。常用熱電阻1） 鉑電阻圖 1 鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示意

6、圖鉑是比較理想的熱電阻材料，易于提純，在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定， 且在較寬的溫度范圍內(nèi)可以保持良好的特性。因此鉑電阻溫度計(jì)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)的傳遞。其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 K ，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下易被玷污，使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系，同時(shí)價(jià)格較昂貴。 鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)，鉑絲的純度用百度電阻比W100 來(lái)表示，它是鉑電阻在100時(shí)的阻值與0時(shí)的阻值之比。按IEC 標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑電阻的W1001.385 。百度電阻比R0 一般為100、 50兩種。W100

7、 越高，表示鉑絲純度越高。 目前技術(shù)水平已達(dá)到W100 1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W100 為1.387 1.390。 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 t 在 200 t 0時(shí)： RtR0 (1AtBt 2C t 100 C t 3 )當(dāng)溫度 t 在 0 t 650時(shí)： RtR0 (1AtBt 2 )式中， Rt 溫度為t 時(shí)的電阻值；R0 溫度為0時(shí)的電阻值；任意溫度；A、 B、 C常數(shù)。鉑的W100 =1.391 時(shí)， A3.96810 3 / , B5.84710 7 / ,- 4 -C4.2210 12 / ；鉑的 W100 =1.389 時(shí)， A 3.94

8、9 10 3 / , B5.851 10 7 / ,C4.0410 12/。從式中可以看出，熱電阻在溫度t 時(shí)的電阻值與R0 有關(guān)，目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑電阻R0 分為50和 100兩種，分度號(hào)分別為Pt和 Pt，其中又以 Pt100為常用。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，只要測(cè)得熱50100電阻的阻值 Rt ，便可以根據(jù)分度表查得對(duì)應(yīng)的溫度值。列出Pt100 的分度表，如表4-1 所示。表 1鉑電阻 Pt100 分度表分度號(hào) Pt 100=100.00R(0）溫度/ -200-190-180-170-160-150-140-130-120-110-100電阻/ 18.5222.8327.1031.3435.54

9、39.7243.8848.0052.1156.1960.26溫度/ -90-80-70-60-50-40-30-20-100電阻/ 64.3068.3372.3376.3380.3184.2788.2292.1696.09100.00溫度/ 0102030405060708090100電阻/ 100.0103.9107.7111.6115.5119.4123.2127.0130.9134.7138.500974048011溫度/ 110120130140150160170180190200210電阻/ 142.2146.0149.8153.5157.3161.0164.7168.4172.11

10、75.8179.597383578763溫度/ 220230240250260270280290300310320電阻/ 183.1186.8190.4194.1197.7201.3204.9208.4212.0215.6219.194701108515溫度/ 330340350360370380390400410420430溫度/ 222.6226.2229.7233.2236.7240.1243.6247.0250.5253.9257.381210849368溫度/ 440450460470480490500510520530540電阻/ 260.7264.1267.5270.9274.2

11、277.6280.9284.3287.6290.9294.288639480221溫度/ 550560570580590600610620630640650電阻/ 297.4300.7304.0307.2310.4313.7316.9320.1323.3326.4329.695159122084溫度/ 660670680690700710720730740750760電阻/ 332.7335.9339.0342.1345.2348.3351.4354.5359.5360.6363.693688863947溫度/ 770780790800810820830840850電阻/ 366.7369.7

12、372.7375.7378.6381.6384.6387.5390.8011085054（ 2） 銅電阻- 5 -圖 銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖銅的電阻溫度系數(shù)大，易加工提純， 其電阻值與溫度呈線性關(guān)系，價(jià)格便宜， 在 -50 150內(nèi)有很好的穩(wěn)定性。由于鉑是貴重金屬，故在一些測(cè)量精度要求不高，測(cè)溫范圍不大的情況下，可以采用銅電阻來(lái)代替鉑電阻，從而降低成本，同時(shí)也能達(dá)到精度要求。但溫度超過(guò)150后易于氧化，而失去線性特性，因此一般只用于150以下的低溫測(cè)量和沒有水分及無(wú)侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。在 -50 150之間，銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為RtR0 1

13、t式中， Rt 為銅電阻在 t 時(shí)的電阻值；R0 為銅電阻在0時(shí)的電阻值；為銅電阻的電阻溫度系數(shù)，0.004280 -1。工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0 按國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和 100兩種，分度號(hào)分別為Cu50和 Cu100，這里給出Cu50 的分度表，如表所示，其他相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。表 2銅電阻 Cu50 分度表分度號(hào)： Cu50=50.00 R(0 ）溫度 /0102030405060708090電阻 /050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.

14、4073.5475.6877.8379.9882.133） 其他熱電阻鐵和鎳這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高，電阻率較大，因此可以制成體積小，靈敏度高的電阻溫度計(jì)，但由于有易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性差、不易提純和非線性等嚴(yán)重缺點(diǎn)，目前應(yīng)用較少。由于鉑電阻和銅電阻對(duì)于低溫和超低溫的測(cè)量性能不理想，故近年來(lái)一些新型的熱電阻如銦電阻、錳電阻、碳電阻等逐步成為測(cè)量低溫和超低溫的理想熱電阻。- 6 -三 熱敏電阻熱敏電阻是由金屬氧化物（NiO 、 MnO 2、CuO、 TiO 2 等）的粉末按照一定比例混燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10 100 倍以上，能檢測(cè)出 10

15、-6 的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于 -55 315，高溫器件適用溫度高于 315（目前最高可達(dá)到 2000），低溫器件適用于 -273 55；體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1 100k 間任意選擇；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過(guò)載能力強(qiáng)由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨(dú)特的性能，所以在應(yīng)用方面， 它不僅可以作為測(cè)量元件（如測(cè)量溫度、流量、液位等） ，還可以作為控制元件（如熱敏開關(guān)、限流器）和電路補(bǔ)償元件熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊熱敏電阻的溫度特性及其類型（

16、1） 熱敏電阻的溫度特性RT熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系可以用下式表示：B( 11 )R R0 eTT0(4.5)式中， R 為溫度為 T 時(shí)的電阻值；R0 為溫度為 T0 時(shí)的電阻值； B 為常數(shù)，由材料、工藝及結(jié)構(gòu)決定。0T圖 4-15熱敏電阻的熱電特性熱敏電阻的熱電特性曲線如圖右圖所示。熱敏電阻的類型按半導(dǎo)體電阻 - 溫度特性，如圖所示，熱敏電阻典型可分為為三類，即正溫度系數(shù)（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)（ NTC）熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻（CTR）。電阻RT/01CTRPTC8 6B/RT1阻000K電 4BBB40500B202000NTC0KKK3000K0溫度 T/ 0C040801

17、20160200圖4-15三種熱敏電阻的溫度特性曲線- 7 -溫度T/ 0CNTC型熱敏電阻的電阻溫度特性圖三種熱敏電阻的溫度特性曲線圖 NTC 型熱敏電阻的電阻溫度特性（一）正溫度系數(shù)（ PTC）熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coeff1Cient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器。該材料是以BaTiO3 或 SrTiO3 或 PbTiO3為主要成分的燒結(jié)體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi 、Sb、Y、La 等氧化物進(jìn)行原子價(jià)控制而使之半導(dǎo)化，常將這種半導(dǎo)體化的BaTiO3 等材料簡(jiǎn)稱為半導(dǎo)（體）瓷；同時(shí)還

18、添加增大其正電阻溫度系數(shù)的 Mn、Fe、 Cu、Cr 的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化，從而得到正特性的熱敏電阻材料。其溫度系數(shù)及居里點(diǎn)溫度隨組分及燒結(jié)條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化。鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是一種鐵電材料，純鈦酸鋇是一種絕緣材料。在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素， 進(jìn)行適當(dāng)熱處理后， 在居里溫度附近， 電阻率陡增幾個(gè)數(shù)量級(jí)， 產(chǎn)生 PTC效應(yīng)，此效應(yīng)與 BaTiO3 晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關(guān)。鈦酸鋇半導(dǎo)瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面。該半導(dǎo)瓷當(dāng)達(dá)到某一特定溫度或電壓，晶體粒界就發(fā)生變化

19、，從而電阻急劇變化。鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)起因于粒界（晶粒間界）。對(duì)于導(dǎo)電電子來(lái)說(shuō)，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘。當(dāng)溫度低時(shí)，由于鈦酸鋇內(nèi)電場(chǎng)的作用，導(dǎo)致電子極容易越過(guò)勢(shì)壘，則電阻值較小。當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度）附近時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)受到破壞，它不能幫助導(dǎo)電，電子越過(guò)勢(shì)壘。這相當(dāng)于勢(shì)壘升高，電阻值突然增大，產(chǎn)生PTC效應(yīng)。鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)的物理模型有海望表面勢(shì)壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢(shì)壘模型，它們分別從不同方面對(duì)PTC效應(yīng)作出了合理解釋。NTC型熱敏電阻的電阻溫度特性如圖4-17 所示，實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻 - 溫度特性可近似用實(shí)驗(yàn)公式表示：

20、RTRT0 eBp TT0式中 RT 、 RT0 表示溫度為 T 、 T0 時(shí)電阻值，Bp 為該種材料的材料常數(shù)。PTC效應(yīng)起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質(zhì)，并隨雜質(zhì)種類、濃度、燒結(jié)條件等而產(chǎn)生顯著變化。最近，進(jìn)入實(shí)用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件，這是體型且精度高的PTC熱敏電阻，由n 型硅構(gòu)成，因其中的雜質(zhì)產(chǎn)生的電子散射隨溫度上升而增加，從而電阻增加。PTC熱敏電阻于1950 年出現(xiàn)，隨后1954 年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻。 PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測(cè)量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷

21、庫(kù)的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風(fēng)速機(jī)等方面。 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時(shí)還能起到“開關(guān)”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開- 8 -關(guān)三種功能， 稱之為“熱敏開關(guān)”。利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對(duì)電器起到過(guò)熱保護(hù)作用。（二）負(fù)溫度系數(shù)（ NTC）熱敏電阻NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料。該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻。其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)的溫度系數(shù)