第一章温度传感器1.

第一章温度传感器

一、简介温度传感器的定义

是一种将温度变化转换为电学量变化的装置, 用于检测温度和热量,也叫做热电式传感器二、分类

将温度变化转换为电阻变化的元件:主要有热电阻、热敏电阻和高分子NTC、PTC 热敏电阻;

将温度变化转换为电势的传感器:主要有热电偶和PN 结式传感器; 将热辐射转换为电学量的器件:有热释电探测器、红外探测器;

还有集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等

三、讲述内容

1、热电阻、热电偶的测温原理和测量方法;

2、热敏电阻的温度特性和应用电路;

3、非结型半导体温度传感器的原理;

4、结型半导体温度传感器的原理及其典型的应用电路;

5、集成温度传感器的原理及其应用;

6、温度的测量和控制原理。

§1.1 电阻型温度传感器

1.1.1 热电阻

利用感温材料把测量温度转化为测量电阻的测温系统

主要有金属热电阻式和半导体热电阻两大类,前者简称热电阻,后者简称热敏电阻。它们的阻值随温度的升高有正温度系数热电阻,有负温度系数热电阻。一、热电阻的特性

大多数金属导体的电阻随温度变化的特性方程:

](1[00t t a R R t −+= (1-1-1

a 是热电阻的温度系数(1/℃。对于绝大多数金属导体, a 并不是一个常数,但在

一定的温度范围内,可近似地看成一个常数。不同的金属导体, 保持常数所对应的温度范围也不同。

a

一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求:

⑴电阻温度系数要高,以提高灵敏度。纯金属的比合金的大 a ⑵在测温范围内化学、物理性能稳定,以保证热电阻的测温准确性。⑶在测温范围内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系。⑷具有比较高的电阻率,以减小热电阻的体积和重量。

⑸具有良好的可加工性,且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、铁、镍等。

几种正温度系数金属热电阻的温度特性

1. 铂热电阻

在-190~0℃范围内为:电阻值与温度之间的关系可以近似表示

]100(1[320t t C Bt At R R t −+++= (1-1-2

在0~630.755℃范围内为: (1-1-3 1(20Bt At R R t ++= 由于铂为贵金属,一般用于高精度或标准电阻温度计, 2. 铜热电阻

铜丝在-50~150℃范围内性能很稳定,铜电阻的阻值与温度的关系表示为:

(1-1-4

]1[320Ct Bt At R R t +++=但-50~150℃范围内为线性变化,可用二项式表

示: ](1[00t t a R R t −+=

灵敏度比铂电阻高,为(4.25—4.28 ×10-3 / ℃。 a 3. 其它热电阻

铁和镍的电阻电阻率较大,故可做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。其缺点是易氧化,且电阻值与温度的关系是非线性的

铟电阻适宜在-269~-258℃范围内使用,测量精度高,灵敏度很高,

锰电阻适宜在-271~-210℃范围内使用,灵敏度高,但脆性高易损坏;

碳电阻适宜在-273~-268.5℃范围内使用,热容量小,灵敏度高。

二、热电阻的结构及测量电路

热电阻的结构:一般将电阻丝双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上,经过固定,外面再加上保护套管。

热电阻的测量电路采用精度较高的电桥电路。为消除连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差, 常采用三线和四线连接法。

其中,R

1、R

2

、R

3

为固定电阻,R

a

为调零电阻,r

1

、r

2

、r

3

、r

4

为导线补偿电阻。要求

接相邻桥臂上r

1和r

2

的长度和相等,电阻的变化不影响电桥的状态。a

图1-1-2 热电阻测温电桥的三线连接法

图1-1-3 热电阻测温电桥的四线连接法

热电阻R A 通过电阻r 1,r 2,r g 的三根导线和电桥连接;电桥在零位调整时用R 4=R a +Rt 0,( Rt 0为热电阻在参考温度t 0时的电阻值。三线接法中可调电阻的触点,接触电阻和电桥臂的电阻相连,可能导致电桥的零点不稳定。四线接法中,调零的R 0电位器的接触点和检流计串联,这样接触点的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作。

1.1.2 热敏电阻

热敏电阻是用金属氧化物和添加剂,采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器,其电阻温度系数比金属的大很多,被称为热敏电阻。

热敏电阻分为三种类型:

正温度系数(PTC—Positive Temperature Coefficient热敏电阻, 负温度系数(NTC—Negative Temperature Coefficient热敏电阻临界温度系数(CTR—Critical Temperature Resistor热敏电阻。

107106

105104

103

102101

100比电阻P (Ωc m

温度(

℃ 200

PTC

NTC

CTR

图1-1-4 三种热敏电阻的电阻-温度特性

一、热敏电阻特性参数

1. 标称电阻值(R 25:是热敏电阻在25℃时的零功率状态下的阻值。则按下式计算: ]25(1[2525−+⋅=t R R t α (1-1-6

2. 电阻温度系数(αT :指在规定的温度下,单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的相对值。表示: %1001×⋅=

dT

dR R T

T T α (1-1-7

3. 时间常数(τ:等于热敏电阻在零功率测量状态下,当环境温度突变时,热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间。

4. 额定功率(P E :指在标准压力(750mmHg和规定的最高环境温度下,电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。二、PTC 热敏电阻

常用的基体材料是BaTiO 3,以稀土元素为添加剂经陶瓷工艺烧结制成。

1. 电阻温度特性如图PTC 的电阻值随温度变化的特性曲线。曲线Ⅰ中曲线很陡,称为突变型(开关型。曲线中出现一个电阻最小值R min ,

当温度高于T b 后阻值才开始随温度很快地变化,则把T b 称为开关温度,

在开关温度以上,温度为T 时的阻值R T 与温度T 对应的阻值为开关电阻(R b 的关系近似为, (1-1-8 exp(0AT R R T =式中R 0 为常温下热敏电阻的阻值,A 为材料常数。可以求出这种突变型PTC 热敏电阻的温度系数αT 为: