傳感器與檢測技術(shù)電阻式溫度傳感器

04電數(shù)字式體溫計

電阻式溫度傳感器地測試項目描述數(shù)字式體溫計是利用電阻式溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后通過顯示器(如液晶,數(shù)碼管,LED矩陣等)以數(shù)字形式顯示溫度,能快速準(zhǔn)確地測量體溫度。與傳統(tǒng)地水銀體溫計相比,具有讀數(shù)字方便,測量時間短,測量精度高,能記憶并有提示音等優(yōu)點,尤其是數(shù)字體溫計不含水銀,對體及周圍環(huán)境無害特別適合于醫(yī)院,家庭使用,如圖4-1所示。通過本項目地學(xué)習(xí),主要給大家介紹電阻式溫度傳感器（也稱為熱電阻傳感器）地工作原理及常見地?zé)犭娮鑲鞲衅?。?溫度測量地基本概念溫度標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動地劇烈程度。溫度越高,表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。模擬圖:在一個密閉地空間里,氣體分子在高溫時地運動速度比低溫時快！低溫高溫二,溫標(biāo)1,溫度地數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度地讀數(shù)地起點（即零點）以及溫度地單位。各類溫度計地刻度均由溫標(biāo)確定。2,際上規(guī)定地溫標(biāo)有:攝氏溫標(biāo),氏溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)等。幾種溫標(biāo)地對比正常體溫為37C,相當(dāng)于氏溫度多少度？知識準(zhǔn)備一,熱電阻傳感器熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻與半導(dǎo)體熱電阻兩大類,前者通常簡稱為熱電阻,后者稱為熱敏電阻。下面介紹金屬熱電阻傳感器。（一）金屬熱電阻地工作原理金屬熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系地特性,由金屬材料制成地感溫元件。當(dāng)被測溫度變化時,導(dǎo)體地電阻隨溫度變化而變化,通過測量電阻值變化地大小而得出溫度變化地情況及數(shù)值大小,這就是熱電阻測溫地基本工作原理。取一只100W/220V燈泡,用萬用表測量其電阻值,可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆,而計算得到地額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484。

（二）常用熱電阻及特性常用熱電阻材料有鉑,銅,鐵與鎳等,它們地電阻溫度系數(shù)在

(3～6)×10?3/℃范圍內(nèi),下面分別介紹它們地使用特性。1．鉑電阻又稱白金,是目前公認(rèn)地制造熱電阻地最好材料。它地優(yōu)點是性能穩(wěn)定,重復(fù)性好,測量精度高,其電阻值與溫度之間有很近似地線性關(guān)系。缺點是電阻溫度系數(shù)小,價格較高。鉑電阻主要用于制成標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計當(dāng)溫度t在?200℃～0℃范圍內(nèi)時,鉑地電阻值與溫度地關(guān)系可表示為當(dāng)溫度t在0℃～850℃范圍內(nèi)時,鉑地電阻值與溫度地關(guān)系為R0為溫度為0℃時地電阻值;Rt為溫度為t℃時地電阻值這些常數(shù)規(guī)定為;A=3.97×10-13/℃B=-5.85×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4特點:精度高,穩(wěn)定性好,性能可靠。測溫范圍廣。結(jié)構(gòu):用很細(xì)地鉑絲繞在云母片制成地平板性支架上,鉑絲繞組地出線端與銀絲引出線相焊,并穿上瓷套管加以絕緣與保護。微型鉑電阻:特點是體積小,熱慣性小氣密性好熱電阻地結(jié)構(gòu)電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀地云母,石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撐與絕緣作用。感溫元件結(jié)構(gòu)

鎧裝熱電阻優(yōu)點:①外徑尺寸小（可達Φ1.0mm）,熱慣性小,響應(yīng)速度快;②機械性能好,耐振動與沖擊;③可繞性好,適應(yīng)面寬; ④閉封性好,壽命長鎧裝式鉑電阻外保護套管采用不銹鋼,內(nèi)充滿高密度氧化物絕緣體,因此具有很強地抗污染性能與優(yōu)良地機械強度,適合安裝在環(huán)境惡劣地場合。鎧裝式鉑電阻比裝配式鉑電阻直徑小,易彎曲,抗震性好,適宜安裝在裝配式鉑電阻無法安裝地場合?？芍苯佑勉~導(dǎo)線與二次儀表相連接使用。由于它具有良好地電輸出特性,可為顯示儀,記錄儀,調(diào)節(jié)器,掃描器,數(shù)據(jù)記錄儀以及計算機提供準(zhǔn)確地溫度變化信號。薄膜鉑熱電阻元件,把金屬鉑研制成粉漿,采用先進地激光噴濺薄膜技術(shù),及光刻法與干燥蝕刻法把鉑附著在陶瓷基片上形成膜,引線經(jīng)過激光調(diào)阻制成。鉑金屬地長期穩(wěn)定性,可重復(fù)操作性,快速響應(yīng)及較寬地工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應(yīng)用。薄膜型及普通型鉑熱電阻

小型鉑熱電阻

防爆型鉑熱電阻

目前內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計地工業(yè)用鉑電阻地R0值有46Ω,100Ω等幾種,并將R0與t相應(yīng)關(guān)系列成表格形式,稱為分度表2．銅電阻銅電阻地特點是價格便宜,純度高,重復(fù)性好,電阻溫度系數(shù)大,α=(4.25～4.28)×10?3/℃（鉑地電阻溫度系數(shù)在0℃～100℃地平均值為3.9×10?3/℃）,其測溫范圍為?50℃～+150℃,當(dāng)溫度再高時,裸銅就氧化了。銅熱電阻地主要缺點是電阻率?。▋H為鉑地一半左右）,所以制成一定電阻時與鉑材料相比,銅電阻要細(xì),造成機械強度不高,或要長則體積較大,而且銅電阻容易氧化,測溫范圍小,銅電阻地R0值有50Ω與100Ω兩種。分度號分別為Cu50,Cu100。銅熱電阻地特點銅熱電阻地電阻溫度系數(shù)較大,線性性好,價格便宜。缺點:電阻率較低,電阻體地體積較大,熱慣性較大,穩(wěn)定性較差,在100℃以上時容易氧化,因此只能用于低溫及沒有浸蝕性地介質(zhì)。汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻3．其它熱電阻除了鉑與銅熱電阻外,還有鎳與鐵材料地?zé)犭娮?。鎳與鐵地電阻溫度系數(shù)大,電阻率高,可用于制成體積大,靈敏度高地?zé)犭娮琛５捎谌菀籽趸?化學(xué)穩(wěn)定性差,不易提純,重復(fù)性與線性度差,目前應(yīng)用還不多。鎳使用溫度范圍是-50～100℃與-50～150℃。但目前應(yīng)用較少:鎳非線性嚴(yán)重,材料提取也困難。但靈敏度都較高,穩(wěn)定性好,在自動恒溫與溫度補償方面地應(yīng)用較多。（我定為標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻）銦電阻適宜在-269～-258℃溫度范圍內(nèi)使用,測溫精度高,靈敏度是鉑電阻地10倍,但是復(fù)現(xiàn)性差。錳電阻適宜在-271～-210℃溫度范圍內(nèi)使用,靈敏度高,但是質(zhì)脆易損壞。碳電阻適宜在-273～-268.5℃溫度范圍內(nèi)使用,熱容量小,靈敏度高,價格低廉,操作簡便,但是熱穩(wěn)定性較差。（三）熱電阻地測量電路

最常用地?zé)犭娮铚y溫電路是電橋電路其Rt是熱電阻,Rq與RM分別是調(diào)零與調(diào)滿刻度地調(diào)整電阻（電位器）。測量時先將切換S扳到"1"位置,調(diào)節(jié)Rq使儀表指示為零,然后將S扳到"3"位置,調(diào)節(jié)RM使儀表指示到滿刻度,作這種調(diào)整后再將S扳到"2"位置,則可進行正常測量熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制,三線制與四線制三種。

為了消除導(dǎo)線電阻地影響,一般采用三線制連接法,圖4-4（a）所示地?zé)犭娮栌?根引出線,而圖4-4（b）所示地?zé)犭娮柚挥袃筛鼍€,但都采用了三線制連接法。采用三線制接法,引線地電阻分別接到相鄰橋臂上且電阻溫度系數(shù)相同,因而溫度變化時引起地電阻變化亦相同,使引線電阻變化產(chǎn)生地附加誤差減小。三線制測溫消除導(dǎo)線產(chǎn)生誤差原理相臨兩橋臂增加同一阻值地電阻,對電橋地平衡無影響。在進行精密測量時,常采用四線制連接法,調(diào)零電阻Rq分為兩部分,分別接在兩個橋臂上,其接觸電阻與檢流計G串聯(lián),接觸電阻地不穩(wěn)定不會影響電橋地平衡與正常工作狀態(tài)

二,半導(dǎo)體熱敏電阻與集成溫度傳感器

（一）熱敏電阻傳感器熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成地?zé)崦羝骷?。相對于一般地金屬熱電阻而?它主要具備如下特點:電阻溫度系數(shù)大,靈敏度比一般金屬電阻大10～100倍;結(jié)構(gòu)簡單,體積小,可以測量點溫度;電阻率高,熱慣性小,適宜動態(tài)測量;阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系;穩(wěn)定性與互換性較差。1．熱敏電阻結(jié)構(gòu)大部分半導(dǎo)體熱敏電阻是由各種氧化物按一定比例混合,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成,其外形,結(jié)構(gòu)及符號如圖4-6所示。熱敏電阻外形MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻帶安裝孔地?zé)崦綦娮璐蠊β蔖TC熱敏電阻貼片式NTC熱敏電阻MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達電子有限公司資料）非標(biāo)熱敏電阻2．熱敏電阻地?zé)犭娞匦园礈囟认禂?shù)不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）與負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）兩種。NTC又可分為兩大類:第一類電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格地負(fù)指數(shù)關(guān)系;第二類為突變型（CTR）,PTC也分為正指數(shù)型與突變型（CTR）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）特性:電阻隨溫度升高而急劇下降。應(yīng)用:廣泛運用于溫度測量與溫度調(diào)節(jié),還可用作補償電阻作起動電阻使用,克服沖擊電流。特性:電阻隨溫度升高而急劇增大。應(yīng)用:通常用于小范圍地溫度測量,過熱保護與延時開關(guān)。PTC熱敏電阻鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成用途:彩電消磁,各種電器設(shè)備地過熱保護,發(fā)熱源地定溫控制,限流元件。CTR熱敏電阻 以三氧化二釩與鋇,硅等氧化物,在磷,硅氧化物地弱還原氣氛混合燒結(jié)而成用途:溫度開關(guān)。NTC熱敏電阻由Mn,Co,Ni,Fe,Cu等過渡金屬氧化物混合燒結(jié)而成應(yīng)用:點溫,表面溫度,溫差,溫場等測量自動控制及電子線路地?zé)嵫a償線路熱敏電阻體溫表熱敏電阻溫度面板表熱敏電阻LCD溫度測量熱敏電阻用于CPU地溫度測量（參考小熊在線公司資料）熱敏電阻用于電熱水器地溫度控制（二）集成溫度傳感器集成溫度傳感器就是在一塊極小地半導(dǎo)體芯片上集成了包括敏感器件,信號放大電路,溫度補償電路,基準(zhǔn)電源電路等在內(nèi)地各個單元,它使傳感器與集成電路融為一體。集成溫度傳感器地輸出形式有電壓型與電流型兩種。1．AD590系列集成溫度傳感器AD590（美AD公司生產(chǎn)）是電流輸出型集成溫度傳感器,結(jié)構(gòu)外形與電路符號如圖4-8所示。2．AD22100集成溫度傳感器AD22100是美AD公司生產(chǎn)地一種電壓型單片式溫度傳感器,如圖4-11所示。U+電源輸入端,一般為+5V;GND為接地端;NC管腳在使用時連接在一起,并懸空;Uo為電壓輸出端。此外還有一些其它類型地產(chǎn)集成溫度傳感器,如SL134M集成溫度傳感器,是一種電流型三端器件,SL616ET集成溫度傳感器,是一種電壓輸出型四端器件項目實施一,Pt100熱電阻測溫傳感器地工作原理Pt100熱電阻測溫傳感器地基本結(jié)構(gòu),工作原理在知識準(zhǔn)備已作介紹,不再重復(fù)。二,實訓(xùn)內(nèi)容1.實訓(xùn)原理2.實訓(xùn)器件與單元本項目需用地器件與單元有:K型熱電偶,Pt100熱電阻,數(shù)顯單元（主控臺電壓表）,萬用表,直流穩(wěn)壓電源±15V與+2V。3.實訓(xùn)步驟（1）差動電路調(diào)零。首先對溫度傳感器實訓(xùn)模塊地三運放測量電路與后續(xù)地反相放大電路調(diào)零。（2）溫控儀表地使用。首先根據(jù)溫控儀表型號,仔細(xì)閱讀"溫控儀表操作說明",學(xué)會基本參數(shù)設(shè)定（出廠時已設(shè)定完畢）。（3）將溫度源模塊上地220V加熱輸入接線柱與主控箱面板溫度控制系統(tǒng)地加熱輸出接線柱連接。（4）將溫度源地"風(fēng)機電源"地正端（紅色接線柱）與主控箱"+2-+12V"電源地正端輸出連接（此時電源旋鈕打到最大值24V位置）,主控箱"+2-+12V"電源地負(fù)端（黑色接線柱）與溫度控制地信號輸出地ALM1地紅色接線端相連,最后將ALM1地黑色接線端與"風(fēng)機電源"地負(fù)端相連,閉合溫度源地開關(guān)。（5）將熱電偶插入模塊溫度源地一個傳感器安置孔。（6）將Pt100鉑電阻三根引線引入"Rt"輸入地a,b上:用萬用表歐姆檔測出Pt100三根引線短接地兩根線接b端。這樣Rt與R2,R3,R4,Rw1組成直流電橋,是一種單臂電橋工作形式。見圖4-13。（7）將橋路輸出端b與RP1心活動點接到放大器兩輸入端（R5,R6）,見圖4