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7 3熱電阻式傳感器 7 3 1金屬熱電阻7 3 2半導(dǎo)體熱敏電阻7 3 3熱電阻式傳感器的應(yīng)用 基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性 優(yōu)點 信號可以遠(yuǎn)傳 靈敏度高 無參比溫度 金屬熱電阻穩(wěn)定性好 準(zhǔn)確度高 可作為基準(zhǔn)儀表 缺點 電源激勵 自熱現(xiàn)象 影響精度 7 3 1金屬熱電阻 作為熱電阻的材料要求 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)系最好接近于線性 應(yīng)有良好的可加工性 且價格便宜 熱電阻 電阻體 最主要部分 絕緣套管 接線盒 使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅 1 常用熱電阻 鉑熱電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計 廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)的傳遞 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 50 150 鉑熱電阻目前最好材料 長時間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10 4K 是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計 鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān) 百度電阻比 W 100 越高 表示鉑絲純度越高 國際實用溫標(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W 100 1 3930 相當(dāng)于99 9995 工業(yè)用鉑電阻的純度W 100 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0 t 650 時 國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻 W 100 1 391 R0分為10 和100 兩種 分度號分別為Pt10和Pt100 并給出其分度表 給出阻值和溫度的關(guān)系 當(dāng)溫度t在 200 t 0 時 銅熱電阻 應(yīng)用 測量精度要求不高且溫度較低的場合測量范圍 50 150 優(yōu)點 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 價格便宜 復(fù)制性能好 缺點 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 銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為 工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計取50 和100 兩種 分度號分別為Cu50和Cu100 相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料 A B C為常數(shù) 常取A 4 25 4 28 10 3 銅熱電阻 2 熱電阻的結(jié)構(gòu) 普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器 熱電阻的結(jié)構(gòu) 電阻絲采用無感繞法 兩線圈電流流向相反 電感互相抵消 繞在絕緣支架上 圖b所示 1 電阻體 2 瓷絕緣套管 3 不銹鋼套管 4 安裝固定件 5 引線口 6 接線盒 7 芯柱 8 電阻絲 9 保護(hù)膜 10 引線端 熱電阻結(jié)構(gòu) 小型鉑熱電阻 汽車用水溫傳感器及水溫表 銅熱電阻 7 3 2半導(dǎo)體熱敏電阻 利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié)優(yōu)點 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大 4 9倍 電阻率大 體積小 熱慣性小 適于測量點溫 表面溫度及快速變化的溫度 結(jié)構(gòu)簡單 機(jī)械性能好 缺點 線性度較差 復(fù)現(xiàn)性和互換性較差 1 熱敏電阻特點與類型 正溫度系數(shù) PTC 負(fù)溫度系數(shù) NTC 臨界溫度系數(shù) CTR 熱敏電阻典型特性 PTC熱敏電阻 正溫度系數(shù)鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成用途 各種電器設(shè)備的過熱保護(hù) 發(fā)熱源的定溫控制 限流元件 CTR熱敏電阻 臨界溫度系數(shù)以三氧化二釩與鋇 硅等氧化物 在磷 硅氧化物在弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成 在某個溫度上電阻值急劇變化 具有開關(guān)特性 用途 溫度開關(guān) 熱敏電阻分類 熱敏電阻分類 NTC熱敏電阻 很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)主要由Mn Co Ni Fe Cu等過渡金屬氧化物混合燒結(jié)而成 改變混合物的成分和配比就可以獲得測溫范圍 阻值及溫度系數(shù)不同的NTC熱敏電阻 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的熱補(bǔ)償線路 2 熱敏電阻的結(jié)構(gòu) 構(gòu)成 熱敏探頭 引線 殼體二端和三端器件 為直熱式 即熱敏電阻直接由連接的電路獲得功率 四端器件 旁熱式體積達(dá)到小型化與超小型化 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式 熱敏電阻外形 MF12型NTC熱敏電阻 聚脂塑料封裝熱敏電阻 其他形式的熱敏電阻 玻璃封裝NTC熱敏電阻 MF58型熱敏電阻 其他形式的熱敏電阻 帶安裝孔的熱敏電阻 大功率PTC熱敏電阻 其他形式的熱敏電阻 貼片式NTC熱敏電阻 其他形式的熱敏電阻 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 非標(biāo)熱敏電阻 3 熱敏電阻的主要特性 溫度特性 NTC型熱敏電阻 在較小的溫度范圍內(nèi) 電阻 溫度特性 式中RT R0 熱敏電阻在絕對溫度T T0時的阻值 T0 T 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度 K t0 t 介質(zhì)的起始溫度和變化溫度 B 熱敏電阻材料常數(shù) 一般為2000 6000K 其大小取決于熱敏電阻的材料 若已知兩個電阻值以及相應(yīng)的溫度值 就可求得B值 一般取20 和100 時的電阻R20和R100計算B值 即將T 373K T0 293K代入上式 則 將B值及R0 R20代入式就確定了熱敏電阻的溫度特性 B和 值是表征熱敏電阻材料性能的兩個重要參數(shù) 熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬絲的電阻溫度系數(shù)高很多 所以它的靈敏度很高 熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) 熱敏電阻在其本身溫度變化1 時 電阻值的相對變化量 伏安特性 在穩(wěn)態(tài)情況下 通過熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關(guān)系 當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時 不足以使之加熱 電阻值只決定于環(huán)境溫度 伏安特性是直線 遵循歐姆定律 主要用來測溫 當(dāng)電流增大到一定值時 流過熱敏電阻的電流使之加熱 本身溫度升高 出現(xiàn)負(fù)阻特性 因電阻減小 即使電流增大 端電壓反而下降 其所能升高的溫度與環(huán)境條件 周圍介質(zhì)溫度及散熱條件 有關(guān) 當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時 熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速 流量 密度等散熱條件 可用它來測量流體速度和介質(zhì)密度 4 熱敏電阻的主要參數(shù) 標(biāo)稱電阻值RH 在環(huán)境溫度為25 0 2 時測得的電阻值 又稱冷電阻 其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸 材料常數(shù)B K 描述材料特性的一個常數(shù) 取決于熱敏電阻材料的激活能力 值大 靈敏度高 3 電阻溫度系數(shù) 指溫度升高1 時 電阻值的相對變化量 電阻率越高 溫度系數(shù)也越大 4 耗散系數(shù)H指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1 時熱敏電阻所耗散的功率 單位為mW 5 熱容量C熱敏電阻的溫度變化1 所需吸收或釋放的熱量 單位為J 6 能量靈敏度G W 使熱敏電阻的阻值變化1 所需耗散的功率 7 時間常數(shù) 溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質(zhì)中 熱敏電阻的溫度增量 T 0 63 T T0 時所需的時間 8 額定功率PE在標(biāo)準(zhǔn)壓力 750mmHg 和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下 熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率 單位為W 在實際使用時 熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率 5 熱敏電阻的線性化 NTC的幾種組合電路及其熱電特性 熱敏電阻的電阻 溫度特性呈指數(shù)關(guān)系 有較大非線性 一般處理方法是與溫度系數(shù)小的電阻進(jìn)行串并聯(lián) 使其等效電阻在一定溫度范圍內(nèi)是線性的 7 3 3熱電阻式傳感器的應(yīng)用 1金屬熱電阻傳感器 200 500 范圍的溫度測量特點 精度高 適于測低溫 2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器應(yīng)用范圍很廣 可在宇宙航船 醫(yī)學(xué) 工業(yè)及家用電器等方面用作測溫 控溫 溫度補(bǔ)償 流速測量 液面指示等 1 金屬熱電阻傳感器 工業(yè)廣泛使用 200 500 范圍溫度測量 在特殊情況下 測量的低溫端可達(dá)3 4K 甚至更低 1K左右 高溫端可測到1000 溫度測量的特點 精度高 適于測低溫 傳感器的測量電路 經(jīng)常使用電橋 精度較高的是自動電橋 為消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差 常采用三線制和四線制連接法 兩線制 這種引線方式簡單 費用低 但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差 兩線制適于引線不長 測溫精度要求較低的場合 2r R 10 3時 誤差才可忽略 三線制 熱電阻測溫電橋的三線制接法 工業(yè)用熱電阻一般采用三線制 消除引線電阻影響 提高測量精度 G 檢流計 R1 R2 R3 固定電阻 Ra 零位調(diào)節(jié)電阻 Rt 熱電阻 四線制接法 熱電阻測溫電橋的四線制接法 精密測量中 采用四線制接法 有效消除線路寄生電勢 調(diào)零電位器 四線制 實驗室用 高精度測量四根導(dǎo)線引到現(xiàn)場溫度計 當(dāng)壓表測量電流很小時 可完全消除引線電阻影響 恒流源供電 鉑測溫電阻傳感器 鉑測溫電阻缺點 響應(yīng)速度慢 容易破損 難于測定狹窄位置的溫度 現(xiàn)逐漸使用能大幅度改善上述缺點的極細(xì)型鎧裝鉑測溫電阻 因而使應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大 主要應(yīng)用 鋼鐵 石油化工的各種工藝過程 纖維等工業(yè)的熱處理工藝 食品工業(yè)的各種自動裝置 空調(diào) 冷凍冷藏工業(yè) 宇航和航空 物化設(shè)備及恒溫槽 金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應(yīng)用 1 連通玻璃管2 流通玻璃管3 鉑絲 a 真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感 實際應(yīng)用中有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置 可測到133 322 10 5Pa b 可檢測管內(nèi)氣體介質(zhì)成分比例變化 熱風(fēng)流速變化 2 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 溫度測量 溫度控制 溫度補(bǔ)償 流量測量 溫度測量 開關(guān)S旋到1處接通校正電路 調(diào)節(jié)R6使顯示儀表的指針轉(zhuǎn)至測量上限 用以消除由于電源E電壓變化產(chǎn)生的誤差 當(dāng)熱敏電阻感溫元件插入被測介質(zhì)后 再將切換開關(guān)旋到2處 接通測量電路 這時顯示儀表的示值即為被測介質(zhì)的溫度值 熱敏電阻點溫計 溫度控制 簡易溫度控制器 由VR設(shè)定動作溫度 如下 實際溫度低時 Rt大 VT1的be之間電壓大于導(dǎo)通電壓 VT1導(dǎo)通 相繼VT2也導(dǎo)通 繼電器吸合 電熱絲加熱 當(dāng)實際溫度達(dá)到要求控制的溫度時 由于Rt NTC型 的阻值降低 使VTl的be電壓過低 0 6V VTl截止 相繼VT2截止 繼電器斷開 電熱絲斷電而停止加熱 這樣便達(dá)到控制溫度的目的 加熱指示燈 溫度補(bǔ)償 儀表中的電阻溫度補(bǔ)償電路 金屬一般具有正的溫度系數(shù) 采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償 可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差 改善溫度系數(shù)非線性 4 流量測量 熱式質(zhì)量流量計原理 流體中熱傳遞與熱轉(zhuǎn)移與流體質(zhì)量的關(guān)系 利用外熱源對被測流體加熱 測量因流體流動造成的溫度場變化 從而測得流體的質(zhì)量流量 流量方程式 采用恒定功率法 測量溫差 T可以求出質(zhì)量流量 若采用恒定溫差法 求出輸入功率P就可求出質(zhì)量流量 非接觸式對稱結(jié)構(gòu)的熱式流量計示意 1 鎳管 導(dǎo)熱性能好 2 加熱線圈 3 測溫線圈 電阻 4 調(diào)零電阻 5 電表 原理 加熱器 測溫電阻安裝在小口徑金屬管壁外 兩個測溫電阻接電橋輸出 管內(nèi)流體靜止時 調(diào)節(jié)電橋平衡 當(dāng)有流體流過時形成變化溫度場 測溫電阻變化 電橋不平衡電壓輸出 正比于溫差 T 由此測出質(zhì)量 應(yīng)用 熱式流量計適用于微小流量測量 需測大流量時 要作分流 結(jié)構(gòu)簡單 壓力損失小 非接觸測量 缺點靈敏度低 需溫度補(bǔ)償 恒定功率法 液體流向 流量測量 利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以測量流量 流速 風(fēng)速等 熱敏電阻流量計 Rt1和Rt2分別置于管道中央和不受介質(zhì)流速影響的小室中 介質(zhì)靜止時 電橋平衡 當(dāng)介質(zhì)流動時 將Rt1的熱量帶走 阻值變化 橋路相應(yīng)輸出 介質(zhì)從Rt1上帶走的熱量大小與介質(zhì)流量有關(guān) 所以可以用它測流量 插入式熱式 氣體 質(zhì)量流量計 原理 由兩個基準(zhǔn)級熱電阻 鉑RTD 組成 一個是質(zhì)量速度傳感器T1 一個是測量氣體溫度變化的溫度傳感器T2 當(dāng)這兩個RTD置于被測氣體中時 其中傳感器T1被加熱到氣體溫度以上的一個恒定的溫差 另一個傳感器T2用于感應(yīng)被測氣體溫度 隨著氣體質(zhì)量流速的增加 氣流帶走更多熱量 傳感器T1的溫度下降 要維持T1 T2恒定的溫度差 T1的加熱功率就要增大 熱敏電阻溫度面板表 熱敏電阻 LCD 熱敏電阻體溫表 有保持功能 熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制 IC溫度傳感器的測溫原理 以溫敏晶體管為感溫元件 將其與外圍電路集成在一塊芯片上制成 基于半導(dǎo)體PN結(jié)電壓溫度特性 感溫電路用兩個溫敏晶體管差分構(gòu)成 使PN結(jié)溫度與輸出電壓或電流成線性關(guān)系 稱PTAT ProportionaltoAbsoluteTemperature 核心電路 具有體積小 反應(yīng)快 線性較好與廉價的優(yōu)點 測量范圍 50 150 適用于常溫測量 不在主傳感器系列 工業(yè)上用于溫度補(bǔ)償 主要輸出類型可分為電壓型 電流型與數(shù)字型3種 型號 LM135 LM235 LM335系列工作溫度 55 150 405 125 10 100 由PATA核心電路與放大電路組成 外部3個端子 電壓輸出型集成溫度傳感器 第三端 外部調(diào)節(jié)25 時 調(diào)節(jié)10k電位器 使輸出電壓 2 982V 提高精度 電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590 美國AD公司生產(chǎn) 國內(nèi)同類產(chǎn)品SG590器件電源電壓4 30V 測溫范圍 50 150 電流輸出型集成溫度傳感器 AD590引腳和符號表示 AD590伏安特性工作電壓 4V 30V I為一恒流值輸出 I Tk 即KT 標(biāo)定因子 AD590的標(biāo)定因子為1 A K I KT TK 4V 30V 0 I A U V AD590伏安特性曲線 55 25 150 218 298 423 其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項式之和 省略非線性項后則有 Tc 攝氏溫度 I的單位為 A 可見 當(dāng)溫度為0 時 輸出電流為273 2 A 在常溫25 時 標(biāo)定輸出電流為298 2 A I KT Tc 273 2 AD590溫度特性曲線 AD590典型應(yīng)用 輸出電流是以絕對溫度零度 273 2 為基準(zhǔn) 每增加1 它會增加1 A輸出電流 因此在室溫25 時 其輸出電流Iout 273 2 25 298 2 A 電流回路串接1個10k電阻 Vo的值為Io乘上10K 以室溫25 而言 輸出值為10K 298 2 A 2 982V AD590的測量電路 AD590在溫度25 298 2K 時 理想輸出為298 2 A 實際存在誤差 可通過電位器調(diào)整 使輸出電壓滿足1mV K的關(guān)系 AD590典型應(yīng)用 本章作業(yè) 思考題2 12 13 16 17練習(xí)題4 5 9