热电阻式传感器原理

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RT
热敏电阻 绝缘套管 a) 图 结构
引线 b) 符号
热敏电阻的结构和符号
a)
珠状
b)
圆片状
c) 热敏电阻体 电极 基片
方片状
d)
棒状
e) 图
珠状
热敏电阻的常见形式
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3)热敏电阻的测量电路 用热敏电阻进行测温时,测量电路一般采用电桥电路。由于引 线电阻对热敏电阻的测量影响极小,一般不考虑引线电阻的补偿, 但由于热敏电阻的非线性特性,则在测量电路的设计和选择时必须 考虑线性化处理(当然也可以通过软件线性化处理)。这里简单介 绍一种热敏电阻非线性的线性化网络处理方法。 网络化处理方法就是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串 联或者并联而构成电阻网络,如图所示。 图a中热敏电阻 RT 与补偿电阻 rc 串联后的等效电阻为 , rc 只要 的阻值选择恰当,总可以使温度在某一范围内跟电阻的导数 成线性关系,从而电流I与温度T成线性关系;图b rc R T 中热敏电阻 RT 与补偿电阻 rc并联后的等效电阻为 。 R rc RT R R r
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热电阻 两线制
热电阻 三线制
热电阻 四线制
图 热电阻测量电路内部引线方式
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热电阻的接法
1-热电阻感温元件; 2、4-引线; 3-接线盒; 5-显示仪表; 图 三线制接法
热电阻结构
普通热电阻
接线盒 连接 法兰 保护 套管
阶段3 热电阻温度传感器的结构形式
2、铠装型热电阻
R0 100
90
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铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高,电阻率较大,因此可 制成体积小、灵敏度高的电阻温度计,但由于有易氧化、化学稳定 性差、不易提纯和非线性等严重缺点,目前应用较少。 由于铂热电阻和铜热电阻对于低温和超低温的测量性能不理 想,故在近年来一些新颖的热电阻如铟电阻、锰电阻、碳电阻等逐 步成为测量低温和超低温的理想热电阻。 4)热电阻的测量电路 用热电阻传感器进行测温时,测量电路一般采用电桥电路。但 是热电阻与检测仪表相隔距离一般较远,因此热电阻的引线对测量 结果有很大的影响。热电阻测温电桥的引线方式通常有两线制、三 线制和四线制三种。如图所示。 两线制中引线电阻对测量结果影响较大,一般用于测温精度不 高的场合;三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻 因环境温度变化所引起的测量误差;四线制可以完全消除引线电阻 对测量的影响,常用于高精度温度检测。
o
1 1 RT R0 expb( ) T T0
式中
(2-24)
R0 —温度 T0时的电阻值; b —材料常数,一般情况下 b 2000 ~ 6000 K ,在高温时, b 值要增大。 由上式可求得热敏电阻的温度系数
1 dRT b 2 RT dT T
(2-26)
随温度降低而迅速增大, 决定了NTC热敏电阻在全部工 可见, 作范围内的温度灵敏度。跟热电阻相比较,NTC型热敏电阻具有下
Rt R0 (1 t )
o 式中 Rt —温度为 t C 时的电阻值; R0—温度为 0 o C 时的电阻值;
(2.69)
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4.25103 ~ 4.28103 / o C 。 —铜热电阻的电阻温度系数,
铜电阻的缺点是电阻率较低,电阻体积较大,热惯性也大,而 且易于氧化,不适合在腐蚀性介质或高温下工作。 目前工业上使用的标准铜热电阻有分度号为G( R0 53 )、 Cu50(R0 50)和Cu100( R0 100 )三种。这里给出G分度表, 以供工程技术人员在使用时查阅,如表2.4所示。 3)其他热电阻
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
1、热敏电阻的特点与分类
(2)热敏电阻的分类 1)正温度系数热敏电阻器(PTC) 2)负温度系数热敏电阻器(NTC) 3)突变型负温度系数热敏电阻器(CTR)
电阻 (Ω) 负温度系数 106 (NTC) 临界温度 10
4
系数 (CTR)
正温度系数 (PTC)
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热电阻 导线 图 3.47 热电阻传感器
显示仪表
1)铂电阻 铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,并具有 良好的工艺性能,易于提纯,可以做成非常细的铂丝或极薄的铂箔, 缺点就是电阻温度系数较小,同时价格较昂贵。 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比 W100来表示,它是铂热电阻在 100o C 时的阻值 R100 与 0 o C 时的阻值 R 之比。按IEC标准,工业用铂 0 热电阻的。 铂热电阻除用作一般的工业测温外,在国际温标IPTS-68中还 被用来作为在 259.34o C ~ 630.74o C 温度范围内的温度基准器。
102
100
40 80 120 160 200
温度 (oC)
图 3.49
各种热敏电阻的温度特性曲线
从图3.49可以看出,CTR型在一定温度范围内,阻值随温度的 变化剧烈变化,故可作为理想的开关器件。在温度测量中,则主要 采用NTC或PTC型热敏电阻,而使用最多的又是NTC型热敏电阻。 因此这里我们就只对这种热敏电阻进行介绍。
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
1、热敏电阻的特点与分类
(1)热敏电阻的特点 1)电阻温度系数的范围甚宽 2)材料加工容易、性能好 3)阻值在1~10M之间可供自由选择 4)稳定性好 5)原料资源丰富,价格低廉
半导体热敏电阻
温度特性热敏电阻可分为两类,随温度上升电阻 增加的为正温度系数热敏电阻,反之为负温度系 数热敏电阻。
B 5.847 10 ,
7
/ o C,
3
B 5.851 107 / o C , / o C,
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从式(2.67)和式(2.68)可以看出,热电阻在温度 t 时的电 阻值与 R0有关,目前我国规定工业用铂热电阻有R0 10 和 R0 100 两种,对应的分度号分别为Pt10和Pt100,其中又以Pt100为常用。 在实际测量时,只要测得热电阻的阻值 Rt ,便可根据分度表查得对 应的温度值。 列出Pt100的分度表,如表2.3所示。 2)铜电阻 由于铂是贵重金属,故在一些测量精度要求不高,测温范围不 大的情况下,可以采用铜电阻来代替铂电阻,从而降低成本,同时 也能达到精度要求。在温度范围内,铜电阻阻值与温度关系几乎 是线性的,可用下式近似表示
2.7.2 热电阻 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化 的原理进行测温的。人们也常常把这种导体或半导体的电阻值随温 度变化而变化的现象称为热阻效应。热电阻传感器分为金属热电阻 和半导体热电阻两大类,通常把金属热电阻称为热电阻,而把半导 体热电阻称为热敏电阻。 (1)热电阻 事实上各种金属材料的阻值都会随温度的变化而变化,但要利 用它作为测量用的热电阻必须具体以下要求:电阻温度系数要尽可 能大和稳定,电阻率高,线性度好,并且能在较宽的温度范围内保 持稳定的物理和化学性能。目前应用较多的热电阻材料主要有铂、 铜、镍、铁等。目前热电阻广泛用来测量 200 ~ 800o C 范围内的温 度,少数情况下,低温可测至 1K ,高温达 1000o C。 热电阻传感器通常由热电阻、连接导线及显示仪表构成,如图 3.47所示。热电阻也可以与温度变送器连接,将温度转换成标准电 流信号输出。
表2.3 WZB型铜热电阻G分度表
3 o 温度系数: 4.25 10 / C
R0 53
30 40 50 60 70 80 90
温度 (0C) -50 0 -0 -1
0 41.74 53.00 53.00 75.52
10
20
电阻(Ω)
50.75 55.25 77.78 48.50 57.50 80.03 46.24 59.75 82.28 43.99 62.01 84.54 64.26 86.79 66.52 68.77 71.02 73.27
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表2.4 铂电阻Pt100 分度表 分度号:Pt100
温度 /℃ -200 -100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 电阻/Ω 18.49 60.25 100.00 100.00 138.50 175.84 212.02 247.04 280.90 313.59 345.13 375.51 56.19 96.09 103.90 142.29 179.51 215.57 250.48 284.22 316.80 348.22 378.48 52.11 92.16 107.79 146.06 183.17 219.12 253.90 287.53 319.99 351.30 381.45 48.00 88.22 111.67 149.82 186.82 222.65. 257.32 290.83 323.18 354.37 384.40 43.87 84.27 115.54 153.58 190.45 226.17 260.72 294.11 326.35 357.37 387.34 39.71 80.31 119.40 157.31 194.07 229.67 264.11 297.39 329.51 360.47 390.26 35.53 76.33 123.24 161.04 197.69 233.17 267.49 300.65 332.66 363.50 31.32 72.33 127.07 164.76 201.29 236.65 270.86 303.91 335.79 366.52 27.08 68.33 130.89 168.46 204.88 240.13 274.22 307.15 338.92 369.53 22.80 64.30 134.70 172.16 208.45 243.59 277.56 310.38 342.03 372.52
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阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
材料的不同或配方的比例和方法不同, 则BN也不同。用lnRT–1/T表示负电阻温度系 数热敏电阻—温度特性,在实际应用中比较 方便。 为了使用方便,常取环境温度为25℃作 为参考温度(即T0=25℃),则NTC热敏电阻 器的电阻—温度关系式:
根据半导体理论,在不太宽的温度范围内( 450 C),NTC型热 敏电阻在温度时的阻值可表示为
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列优点:灵敏度高,可用来测量微弱温度变化;体积小,元件可制 成片状,柱状,直径可到0.5mm,故热惯性小,响应快,时间常数 可小到毫秒级;元件本身的电阻值可达 3 ~ 700 K,故测量时引线电 阻的影响相当小,可以不考虑。 但是,热敏电阻的缺点是非线性大,在实际使用时要进行线性 化处理;同时它对环境温度敏感,测量时易受到干扰。 2)热敏电阻的结构 热敏电阻主要由热敏元件、引线、壳体组成,其结构及符号如 图所示。根据不同的使用情况,可封装成不同的形状,常见的 形状主要有珠型、圆片型、方片型、棒型、薄膜型。如图所示。
(2.68)
—任意温度(o C); A 3.968 10 A、、 B C —常数;铂的 W100 1.391 时, C 4.22 1012 / o C ; A 3.949 10 铂的W100 1.389时, C 4.04 1012 / o C ;
t
3
/o C
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铂电阻与温度的关系,可用下面的公式表示 在 200 C ~ 0 C 以内 Rt R0 [1 At Bt 2 C(t 100t 3 )]
o o
(2.67)
在 0 o C ~ 800o C 以内
Rt R0 (1 At Bt 2 )
o R t t 式中 —温度为 C 时的电阻值; R0 —温度为 0 o C时的电阻值;
阶段3 热电阻温度传感器的结构形式
3、端面型铂热电阻
阶段3 热电阻温度传感器的结构形式
4、防爆型铂热电阻
阶段3 热电阻温度传感器的结构形式
5、汽车用水温传感器及水温表
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻 率随温度变化而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有热电偶、 热电阻(如铂、铜电阻温度计等)和热敏电 阻。热敏电阻发展最为迅速,由于其性能得 到不断改进,稳定性已大为提高,在许多场 合下(-40~+350℃)热敏电阻已逐渐取代 传统的温度传感器。

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阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
图 7-25
带安装孔的热敏电阻
大功率 PTC 热敏电阻
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
阶段1 半导体热敏电阻传感器的工作原理
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