熱敏電阻及集成溫度傳感器

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第4章環(huán)境量傳感器掌握溫度傳感器和氣敏、濕敏傳感器基本特性和工作原理、典型測(cè)量電路了解其典型應(yīng)用第一講溫度傳感器一、溫度傳感器二、熱電偶三、熱電阻四、熱敏電阻五、集成溫度傳感器一、溫度傳感器1、環(huán)境量傳感器溫度和濕度、空氣和水質(zhì)是人類生活的自然環(huán)境量，也是工業(yè)檢測(cè)的重要物理量。環(huán)境量傳感器不僅是科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要也是改善人類生活環(huán)境的需要。2、溫度傳感器溫度傳感器是利用材料或元件的溫度特性測(cè)溫的。但要求材料只對(duì)溫度敏感，且重復(fù)性好，滯后和時(shí)效小，靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠，來(lái)源容易，加工方便，價(jià)格便宜等。所以常用的有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及集成溫度傳感器。3、溫度傳感器的分類按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計(jì)和工業(yè)溫度計(jì)；按照測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測(cè)型等二、熱電偶各溫區(qū)中的熱電勢(shì)均符合國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。1、熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)它屬于自發(fā)電型傳感器：測(cè)量時(shí)可以不需外加電源，可直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈式儀表；測(cè)溫范圍廣：下限可達(dá)-270

C，上限可達(dá)1800

C以上；熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB2、熱電動(dòng)勢(shì)熱電偶兩結(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)等于熱端熱電勢(shì)與冷端熱電勢(shì)之差，是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差ΔT的函數(shù)：

EAB（T，T0）=EAB

（T）-EAB（T0）當(dāng)熱電偶材料均勻時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)大小與電極的幾何尺寸無(wú)關(guān)，僅與熱電偶材料的成分和冷、熱兩端的溫差有關(guān)。同種金屬導(dǎo)體不能構(gòu)成熱電偶；熱電偶兩端溫度相同不能測(cè)溫。3、熱電偶的測(cè)溫原理熱電動(dòng)勢(shì)與熱電偶兩端的溫度差成比例；若冷端溫度恒定時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)就與被測(cè)溫度成單值函數(shù)。4、熱電偶的符號(hào)、結(jié)構(gòu)和種類1）熱電偶的符號(hào)：

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定，熱電偶的電路符號(hào)有兩種，如圖4-1-1所示。圖中粗線表示負(fù)極，細(xì)線表示正極。圖4-1-1熱電偶的符號(hào)2）熱電偶的結(jié)構(gòu)：通常由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成。如圖4-1-2所示為普通熱電偶的外形和結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-1-2普通熱電偶的結(jié)構(gòu)

3）熱電偶的種類：八種國(guó)際通用熱電偶：J:鐵—銅鎳

T:銅—銅鎳

B:鉑銠30—鉑銠6

R:鉑銠13—鉑S:鉑銠10—鉑

K:鎳鉻—鎳硅

N:鎳鉻硅—鎳硅

E:鎳鉻—銅鎳分度號(hào)

名稱

測(cè)量溫度范圍

1000

C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820

C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768

C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768

C9.587K鎳鉻－鎳鉻

(鋁)-270～1370

C41.276幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)(a)(b)(c)(d)

132鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。測(cè)溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。

斷面如圖4-1-3所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖4-1-3

鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖

1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖4-1-4所示，其熱接點(diǎn)極薄(0.01～0.lμm)2341圖4-1-4快速反應(yīng)薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點(diǎn);3—絕緣基板;4—引出線

因此，特別適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí),用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。目前我國(guó)試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種?？焖俜磻?yīng)薄膜熱電偶圖4-1-5為一種測(cè)量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護(hù)鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點(diǎn)是熱慣性小，只要注意它的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，測(cè)量精度可達(dá)土5～7℃。1423567891110圖4-1-5快速消耗微型1—?jiǎng)偯保?—石英；3—紙環(huán)；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補(bǔ)償導(dǎo)線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線

快速消耗微型熱電偶5、熱電偶的特性按“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱ITS-90）標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0

C。

熱電偶的特性不是用公式計(jì)算，也不是用特性曲線來(lái)表示，而是用分度表給出的。多數(shù)情況下采用查表法。本教材p317的附錄E列出了工業(yè)中常用的鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶的分度表。

比較查出的3個(gè)熱電勢(shì)，可以看出熱電勢(shì)是否線性？K熱電偶的分度表6、熱電偶的冷端補(bǔ)償方式（1）參考端恒溫法mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0熱電偶工作時(shí)，必須保持冷端溫度恒定，并且熱電偶的分度表是以冷端溫度為0℃作出的。因在工程測(cè)量中冷端距離熱源近，且暴露于空氣中，易受被測(cè)對(duì)象溫度和環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，使冷端溫度難以恒定而產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除這種誤差，可采取下列溫度補(bǔ)償或修正措施。

將熱電偶的參考端放在有冰水混合的保溫瓶中，可使熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)與分度值一致，測(cè)量精度高，常用于實(shí)驗(yàn)室中。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可將參考端置于盛油的容器中，利用油的熱惰性使參考端保持接近室溫。2）補(bǔ)償導(dǎo)線法。采用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶延伸到溫度恒定或溫度波動(dòng)較小處。為了節(jié)約貴重金屬，熱電偶電極不能做得很長(zhǎng)，但在0～100℃范圍內(nèi)，可以用與熱電偶電極有相同熱電特性的廉價(jià)金屬制作成補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)延伸熱電偶。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，必須根據(jù)熱電偶型號(hào)選配補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩接點(diǎn)處溫度必須相同，極性不能接反，不能超出規(guī)定使用溫度范圍。熱電偶基本測(cè)量線路線路包括熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線，冷端補(bǔ)償器、連接用銅線、動(dòng)圈式顯示儀表。熱電偶基本測(cè)量電路3）熱電動(dòng)勢(shì)修正法由于熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系曲線(即刻度特性或分度表)是參考端保持在T0=0℃時(shí)獲得的，當(dāng)參考端溫度Tn≠0℃時(shí)，熱電偶的輸出熱電動(dòng)勢(shì)將不等于EAB(T,T0)，而等于EAB(T,Tn)。如不加以修正，則所得的溫度值必然小于實(shí)際值。根據(jù)熱電偶中間溫度定律：EAB(T,T0)＝EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,T0)將測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)的EAB(T,Tn)加上一個(gè)修正電動(dòng)勢(shì)EAB(Tn,T0)，算出EAB(T,T0)，再查分度表，方得實(shí)測(cè)溫度值。EAB(Tn,T0)可從分度表查出。4）電橋補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)可以補(bǔ)償熱電偶參考端因溫度變化而產(chǎn)生的熱電勢(shì)，稱為電橋補(bǔ)償法。如圖4-1-6所示，在熱電偶與儀表之間接入一個(gè)直流電橋(常稱為冷端補(bǔ)償器)，四個(gè)橋臂由R1、R2、R3(均由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制)及RCu(由電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制)組成，RCu和參考端感受相同的溫度，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，引起RCu值變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨著環(huán)境溫度的而變化，達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?電橋是在20℃時(shí)調(diào)平衡的，無(wú)補(bǔ)償，必須進(jìn)行修正或?qū)x表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到20℃處。圖4-1-6冷端補(bǔ)償器7、熱電偶的串聯(lián)使用利用熱電偶測(cè)量大型設(shè)備的平均溫度時(shí)，可將熱電偶串聯(lián)或并聯(lián)使用。1）串聯(lián)時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)大，精度高，可測(cè)較小的溫度信號(hào)或者配用靈敏度較低的儀表。缺點(diǎn)是只要一支熱電偶發(fā)生斷路則整個(gè)電路不能工作，而個(gè)別熱電偶的短路將會(huì)導(dǎo)致示值偏低。2）并聯(lián)時(shí)總電動(dòng)勢(shì)為各個(gè)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的平均值，可以不必更改儀表的分度。缺點(diǎn)是如果有一支熱電偶斷路，而儀表卻反映不出來(lái)。三、熱電阻薄膜型及普通型鉑熱電阻

熱電阻是利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化這一特性來(lái)測(cè)量溫度的，在測(cè)溫和控溫中廣泛應(yīng)用。熱電阻種類較多，如鉑、銅、鎳、鐵等，常用的有鉑電阻和銅電阻。1、熱電阻的測(cè)原理及分類鉑電阻主要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)。常用的有Pt100，測(cè)溫范圍為-200～960℃，電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3/℃，0℃時(shí)電阻值為100Ω。但鉑在高溫下，易受還原性介質(zhì)污染，使鉑絲變脆并改變鉑絲電阻與溫度間的關(guān)系，因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中。銅絲的特點(diǎn)是價(jià)格便宜、純度高、復(fù)制性好，電阻溫度系數(shù)為α＝(4.25～4.28)×10-3／℃，線性特性僅次于鉑和銀，但比鉑電阻有較高的靈敏度，常用來(lái)做-50～+150℃范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計(jì)。其缺點(diǎn)是電阻率較低，容易氧化，為此只能用在較低溫度和沒(méi)有水份及腐蝕性的介質(zhì)中。目前國(guó)標(biāo)規(guī)定的銅熱電阻有Cu50和Cu100兩種。鉑電阻的分度號(hào)

用于區(qū)別由同一材料組成的熱電阻在0℃時(shí)的不同阻值而采用的一種表示方法。如Pt100表示該熱電阻在0℃時(shí)的阻值為100Ω.說(shuō)明熱電阻的電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系也是由分度表給出，見(jiàn)附錄C-1。2、熱電阻的電阻與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

熱電阻的結(jié)構(gòu)通常由電阻體、絕緣體、保護(hù)套管和接線盒四部分組成。一般是將電阻絲繞在云母或石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架上，固定后套上保護(hù)套管，在熱電阻絲與套管間填上導(dǎo)熱材料即成。3、熱電阻的結(jié)構(gòu)圖4-1-7

鉑電阻a）電路符號(hào)b）鉑電阻測(cè)溫元件的結(jié)構(gòu)1—銅鉚釘2—鉑電阻絲3—引導(dǎo)線4、熱電阻的測(cè)量電路

熱電阻測(cè)溫電路是電橋，但采用普通電橋會(huì)因連接導(dǎo)線電阻受環(huán)境溫度變化造成測(cè)量誤差。消除這種誤差的方法可以用三線制或四線制電橋。圖4-1-8

熱電阻的三線制測(cè)溫電橋具有相同的長(zhǎng)度和電阻溫度系數(shù)的兩根導(dǎo)線，分別接在相鄰臂內(nèi)，溫度引起的電阻變化相同，根據(jù)差動(dòng)電橋原理，不會(huì)影響電橋的輸出。第三根導(dǎo)線接在檢流計(jì)或電源回路中，影響極小。圖4-1-8

熱電阻的三線制測(cè)溫電橋電路的缺點(diǎn)是調(diào)零電阻串在橋臂中，其觸頭的接觸電阻可能導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)不穩(wěn)。圖4-1-9熱電阻的四線制測(cè)溫電橋調(diào)零電位器的接觸電阻與檢流計(jì)串聯(lián)，不會(huì)影響電橋的平衡和正常工作狀態(tài)。四、熱敏電阻第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降。1、熱敏電阻的分類（按溫度特性分類）熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。NTC又可分為兩大類：第一類用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系；1）靈敏度高，是鉑熱電阻、銅熱電阻靈敏度的幾百倍。

2）可以根據(jù)不同的要求，將熱敏電阻制成各種不同形狀?？芍瞥?─10MΩ標(biāo)稱阻值的熱敏電阻，以供應(yīng)電路選擇。

3）穩(wěn)定性好，過(guò)載能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。2、熱敏電阻的主要特點(diǎn)3、熱敏電阻的電阻—溫度特性：1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC圖4-1-10熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；

3-4PTC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4、熱敏電阻的伏安特性：βabcUmU0I0ImU/VI/mA圖4-1-11NTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過(guò)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功率相等）時(shí)的互相關(guān)系。1）在峰值電壓降Um左側(cè)（a區(qū)）適用于檢測(cè)溫度及電路的溫度補(bǔ)償。2）在峰值電壓降Um附近（b區(qū)）可用作電路保護(hù)、報(bào)警等開(kāi)關(guān)元件。3）在峰值電壓降Um右側(cè)（c區(qū)）適用于檢測(cè)與耗散系數(shù)有關(guān)的流速、流量、真空度及自動(dòng)增益電路、RC振蕩器穩(wěn)幅電路等。5、熱敏電阻的應(yīng)用：通常補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是由熱敏電阻RT和與溫度無(wú)關(guān)的線性電阻R1和R2串并聯(lián)組成如圖4-1-12所示。

熱敏電阻做溫度補(bǔ)償用圖4-1-12熱敏電