第二章电阻传感器第二讲气敏与湿敏传感器

教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第二章电阻式传感器第二讲第三节测温热传感器第四节气敏与湿敏传感器教学目的与要求【知识目标】1、理解测温热传感器的工作特性及应用、掌握测量转换电路2、理解气敏与湿敏电阻的工作特性与应用【能力目标】提高并培养学生实际仪表接线技能及理论联系实际的能力。

【职业目标】通过学生二线、三线、四线接线培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点重点：掌握测温热传感器的测量转换电路难点：三线制测量转换电路教具教学辅助活动教具：铂热电阻、气敏、湿敏传感器实物、多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、电位器式传感器的测量原理、转换电路、应用2、应变片的工作原理及应变片特性3、单臂半桥、双臂半桥、四臂全桥的输出电压及优点4、举例说明应变式电阻传感器的应用5分钟讲课1、测温热电阻原理、二线、三线、四线测量转换电路的特点，重点掌握三线制仪表的特点及应用2、气敏电阻及湿敏电阻原理、测量转换电路及应用。

掌握选用不同类型气敏电阻的方法。

70分钟小结1、小结见内页之后2、利用10分钟时间与学生互动答疑13分钟作业习题册第二章温热、气敏、湿敏传感器习题2分钟任课教师：叶睿2011年1月18日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】上节课知识点：1、电位器式传感器的测量原理、转换电路、应用2、应变片的工作原理及应变片特性3、单臂半桥、双臂半桥、四臂全桥的输出电压及优点4、举例说明应变式电阻传感器的应用第二节测温热传感器【新课导入】测量温度的方法有很多：本课程主要学习热电阻以及热电偶测量温度，热电偶传感器将在第九章学习到，本次课学习测温热电阻传感器。

热电阻在工业上被广泛用来测量–200～+9600C范围内的温度。

热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻。

前者仍简称热电阻，后者的灵敏度比前者高十倍以上，又称为热敏电阻。

【本节内容设计】通过测量温度的方法学习测温热传感器的工作特性、测量转换电路以及测温热传感器的应用。

【授课内容】一、金属热电阻1、测量原理热电阻利用电阻随温度的升高而增大的特性。

需要电阻温度系数大、线性好、性能稳定、测量温度范围宽、价格容易。

目前工业常用铜热电阻–50～+1500C 、铂热电阻–200～+9600C。

正温度系数：温度升高，电阻增大。

用PTC表示。

负温度系数：温度升高，电阻减小。

用NTC表示。

测温热电阻利用正温度系数的电阻制成。

实验说明：取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484Ω。

2、热电阻的主要技术性能指标比较：表2-2 热电阻的主要技术性能材料铂（WZP）铜（WZC）使用温度范围/℃-200～+960 -50～+150电阻率/（Ω⋅m⨯10-6）0.098～0.106 0.0170～100℃间电阻温度系数α（平均值）/℃-10.00385 0.00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中超过100℃易氧化使用，尤其在高温情况下特性特性近于线性、性能稳定、准确度高线性较好、价格低廉、体积大应用适于较高温度的测量，可作标准测温装置适于测量低温、无水分、无腐蚀性介质的温度ITS-90标准：国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值R0值有25Ω、100Ω等，分度号分别用Pt25、Pt100等表示。

薄膜型铂热电阻有100Ω、1000Ω等数种。

3、热电阻的外形—见课件4、学习查热电阻分度表：热电阻的阻值R t与t之间并不完全呈线性关系。

因此必须每隔一度测出铂热电阻和铜热电阻在规定的测温范围内的R t与t之间的对应电阻值，并列成表格，如附录F。

（见教材P310）课堂提问：检查分度表的使用情况（1）为什么Cu50的分度表格数比Pt的分度表少很多？（2）查附录C，铂热电阻在0℃时的阻值为_____Ω，与型号有何关系？100℃时的阻值为_____Ω，200℃时的阻值为_____Ω，说明该Pt100是否线性？在理想线性的情况下，200℃时的阻值应为_____Ω。

5、热电阻的测量转换电路：二线制电桥测量电路的缺点：（1）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失去了平衡，需重新调零。

（2）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样，阻值也会升高，叠加在Rt的变化上，引起测量误差，且无法纠正。

四线制电桥测量电路的缺点：（1）由于输出电压是直接从R t两端引出的，所以激励电流I i在r1a、r1b上的压降就不被包括到U o中，因此可以克服引线电阻的影响。

（2）四线制测量电路的缺点是：A/D转换器得到的电压中，本底电压U o0所占比例较大，而反映温度变化的ΔU o相对较小，降低了系统的分辨力。

三线制电桥测量电路的特点：（1）三芯屏蔽线的作用：热电阻R t用三根导线①、②、③引至测温电桥。

其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，引线的长度变化不影响电桥的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。

r i与激励源E i串联，不影响电桥的平衡，可通过调节R P2来微调电桥的满量程输出电压。

减小环境电、磁场的干扰（2）电桥的调零电路作用为了尽量减小误差，提高灵敏度，我们取R2＝R3＝R4等于R 1的初始值（100Ω）。

由于元件的误差等原因，安装完成的电桥仍存在微小的不平衡，因此必须在电桥中加入一个调零电位器。

RP1的阻值：应大于桥臂电阻的50倍以上（例如10kΩ），以免影响电桥的线性度和灵敏度。

（3）减法差动放大电路：只对b、d两点的输入电压之差U o1＝Ud－Ub才有放大作用，叠加在Ud、Ub上的对地共模电压将自动抵消，基本不会在放大器的输出电压U o2中反映出来。

放大倍数：K＝R f /R 11。

选择低温漂运算放大器OP-07，它的共模抑制比可达80dB以上。

（4）C f、C2容量对电路的影响：数值越大，对交流干扰的滤波效果越好，但放大器的响应速度就越慢难点突破：两线制、三线制、四线制仪表的连接以及特点是本次课的重点也是难点，教师配合课件重点讲解。

二、热敏电阻1.热敏电阻的类型及特性热敏电阻（Thermistor）按其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两大类。

正温度系数：电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同。

负温度系数：当温度上升时，电阻值反而下降。

NTC的电阻值与温度之间的负指数关系：图2-15中的曲线2，关系式为：突变型：又称临界温度型（CTR）。

当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。

各种热敏电阻的特性曲线课堂提问指出1－突变型NTC 2－负指数型NTC 3－线性型PTC 4－突变型PTC2、热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片形热敏电阻 b）柱形热敏电阻 c）珠形热敏电阻 d）铠装型e）厚膜型 f）贴片式 g）图形符号C）d）两图中1－热敏电阻 2－玻璃外壳 3－引出线 4－纯铜外壳 5－传热安装孔3．热敏电阻的应用（1）测温度选用线性PTC测量电路如图例（2）热敏电阻用于温度补偿在动圈式仪表在动圈回路串入由负温度系数热敏电阻，从而抵消由动圈电阻因温度升高阻值增高而引起的误差。

图例见课件。

热敏电阻体温表原理图a)桥式电路b)调频式电路1—热敏电阻2—指针式显示器3—调零电位器4—调满度电位器3、温度控制Rt应选用NTC）型。

温度升高时， Rt应的阻值骤降，电路电流增大，继电器KA得电常闭触点断开，从而切断电路，VD为续流二极管防止继电器误动作。

热敏电阻与继电器的接线图第三节气敏电阻【新课导入】使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。

气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

【本节内容设计】对气敏电阻工作原理、分类进行学习，针对还原性气体和测量氧气浓度的两大类传感器测量原理以及应用进行学习。

【授课内容】一、还原性气体传感器1、测量还原性气体传感器的工作原理。

所谓还原性气体就是200～3000C时在化学反应中能给出电子气体。

还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。

测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

当还原性气体释放电子吸附到气敏电阻表面，使气敏电阻电阻率下降，电阻减小。

2、MQN型气敏电阻符号、结构及转换电路a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路 1—引脚 2—塑料底座 3—烧结体 4—不锈钢网罩 5—加热电极 6—工作电极 7—加热回路电源 8—测量回路电源MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。

一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200 300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。

观察右图这些曲线，这些曲线的特点是灵敏度较高，被测气体的浓度较低时已有较大的阻值变化，浓度变大时，阻值变化不明显，有较大的非线性。

这种特性较适用于气体的微量测量，例如管道气体漏检、煤气报警器、酒精测试仪。

二、二氧化钛氧浓度传感器1、二氧化钛氧浓度传感器的工作原理：半导体材料二氧化钛（TiO2），对氧气十分敏感。

其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。

当周围氧气浓度较大时，其电阻率增大，使其电阻值增大。

2、 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路第四节湿敏电阻传感器【本节内容设计】了解湿度的有关概念，进行湿敏传感器的原理及应用进行学习。

【授课内容】一、湿度的有关概念1、绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。

2、相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。

当相对湿度达100%时，称饱和状态。