热电阻温度传感器ppt课件.ppt
2022年11月12日星期六,热电阻温度传感器,*,2,第3章 温度传感器,主讲：电子工程学院 张玉莲,*,3,3.1 温标及温度的测量方法3.2 膨胀式温度计 3.3 电阻式温度传感器 3.4 热电偶温度传感器 3.5 集成温度传感器 3.6 辐射式温度传感器,主要内容,*,4,3.1 温标及温度的测量方法,主讲：电子工程学院 张玉莲,2022/11/12,5,掌握温度的概念 熟悉温标的概念，常用温标的种类 掌握温度的测量方法及特点 熟悉膨胀式温度计的种类 掌握各种膨胀式温度计的工作原理 了解膨胀式温度计测温范围,学习目的,2022/11/12,6,3.1 温标及温度的测量方法,温度表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志,分子运动越剧烈，温度就越高。,资料,2022/11/12,7,3.1.1 温 标,用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。,三种温标的换算关系为,热力学温标（K）规定分子运动停止时的温度为绝对零度（0K），符号为T。热力学温标的零点绝对零度，是宇宙低温的极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K）,摄氏温标()在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为t,华氏温标（）在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为F,温标,2022/11/12,8,几种温标比较,2022/11/12,9,3.1.2 温度的测量方法,温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。温度传感器是由温度敏感元件（感温元件）和转换电路组成的，如图3-1所示。,2022/11/12,10,温度的测量方法,接触式感温元件与被测对象接触，彼此进行热量交换，使感温元件与被测对象处于同一环境温度下，感温元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器等,非接触式利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来测量温度的。通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测物的温度。常见的非接触式测温传感器有：辐射高温计、光学高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器等。,2022/11/12,11,接触测量,2022/11/12,12,非接触测量,红外线测温,2022/11/12,13,3.2 膨胀式温度计,工作原理利用物体受热体积膨胀的原理而制成的，多用于现场测量及显示。分类按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计3种类型。测温范围膨胀式温度计可以测量-200700范围的温度。在机械热处理测温中，常用于测量碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽及低温干燥箱的温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。特点这种温度计结构简单，制造和使用方便，价格低，但外壳薄脆、易损坏，大部分不适于远距离测温，必须接触测量。,2022/11/12,14,3.2.1 玻璃液体温度计,将酒精、水银、煤油等液体充入到透明有刻度的玻璃吸管中，两端密封，就制成玻璃液体温度计。它是利用玻璃感温泡内的液体受热体积膨胀与玻璃体积膨胀之差来测量温度的。,酒精温度计量度范围约为-11478,水银温度计大多用于液体、气体及粉状固体温度的测 量，测温范围为-30+300,玻璃液体温度计,煤油温度计量度范围约为-30150。,平常看到装有红色工作物质的温度计，温度计的刻度在100以下，一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。,2022/11/12,15,3.2.2 固体膨胀式温度计,工作原理利用膨胀系数不同的两种金属材料牢固地粘贴在一起制成的。典型的固体膨胀式温度计是双金属温度传感器，如图3-3所示。,双金属温度计测温范围为-100+600，探头长度可以达到1米长， 可用于测量液体、蒸汽及气体介质温度。 特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简单，牢固可 靠，使用寿命长，但精度不高。,2022/11/12,16,双金属温度计的结构,图3-5 带表头的双金属温度计的结构,可以做成轴向型、径向型、135型及万向型。连接方式有：可动外螺纹、可动内螺纹、固定螺纹、固定法兰、卡套螺纹、卡套法兰、无固定安装等连接,2022/11/12,17,双金属温度计的结构,图3-5b）其他双金属系列,工业恒温器,手动复位双金属,双金属基本系列,高温双金属,2022/11/12,18,双金属温度传感器常用于恒温箱、加热炉、电饭锅（电饭煲）、电熨斗等温度控制,图3-6 双金属温度传感器用于控制温度示意图,2022/11/12,19,220v,内锅,加热盘,磁钢盒,微动开关,温度到达105度时,磁钢杠杆,煮饭按钮,图中的感温磁钢是用感温磁性材料制成的温控元件，它的磁导率随本身温度的变化而呈非线形变化。在锅内温度小于100时，感温磁钢具有磁性，而与永久磁铁吸合，电流通过加热器加热。当锅内温度超过感温磁钢的居里点(1032)时，感温磁钢失去磁性，结果因永磁体的重力及弹簧的作用力下，导致开关触点分离，电路断开，加热器停止加热，指示灯熄灭，表明锅内米饭已煮熟。,图3-7 双金属控制电饭锅温度,2022/11/12,20,随着饭温的下降，当低于65时，双金属恒温器的常闭触点自动复位闭合，于是加热器又通电工作，锅内的饭又开始升温；但当高于65时，该触点又断开。如此循环，就使锅内的米饭温度始终保持在65上下。,图3-7 双金属控制电饭锅温度,2022/11/12,21,3.2.3 气体膨胀式温度计,图3-8 气体膨胀式温度计,气体膨胀式温度计是基于密封在容器中的气体和液体受热后体积膨胀，压力随温度变化而变化的原理测温的，所以该温度计又称为压力式温度计。,当温包受热后，其内部的工作介质温度升高，体积膨胀，压力增大，此压力经毛细管传到弹簧管内，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针偏转，指示相应的温度值。,2022/11/12,22,气体膨胀式温度计根据填充物的不同（氮气、氯甲烷、水银），可分为气体压力式温度计、蒸汽压力式温度计和液体压力式温度计。测温范围为-100+700。主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度测量，也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量。,2022/11/12,23,体积热膨胀式温度传感器,*,24,3.3 电阻式温度传感器,2022/11/12,25,掌握电阻式温度传感器工作原理 熟悉电阻式温度传感器的种类 掌握铂、铜金属热电阻传感器的电阻温度特性 熟悉热电阻传感器的测量电路 掌握半导体热敏电阻的分类及应用,学习要点,2022/11/12,26,电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度的，即材料的电阻率随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。,3.3 电阻式温度传感器,2022/11/12,27,3.3 电阻式温度传感器,由金属导体铂、铜、镍等制成的测温元件 称为金属热电阻传感器，简称热电阻传感器,由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻,分类,2022/11/12,28,3.3.1 金属热电阻传感器,工作原理 利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理 进行测温的。,图 3-9 金属热电阻传感器测量示意图,主要材料 铂和铜。,测温范围 -220850范围内的温度，少数情况下，低温可 测量至1K（-272），高温可测量至1000。,2022/11/12,29,1.铂热电阻的电阻-温度特性,铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的测量范围为 -200850。在-200 0 的温度范围内为：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)在 0 850的温度范围内为： Rt=R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分别为t和0时的铂电阻值；A、B、和C为常数，其数值为 A = 3.9684*10-3/ B = - 5.847*10-7/ C = - 4.22*10-12/,分度号分别为Pt10、Pt50、Pt100，其中Pt100最常用。铂热电阻不同分度号对应有相应分度表，即Rt t 的关系,2022/11/12,30,2022/11/12,31,2.铜热电阻的电阻-温度特性,由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50150时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为： Rt=R0(1+a1t+a2t2+a3t3)由于a2,a3比a1小得多，所以可以简化为：RtR0 (1+a1t) 式中，Rt是温度为t时铜电阻值；R0是温度为0时铜电阻值；a1是常数；a1=4.28*10-3-1铜电阻的R0常取100、50两种，分度号为Cu100、Cu50。,2022/11/12,32,2022/11/12,33,铜热电阻的电阻-特点,特点：铜易于提纯，价格低廉，电阻-温度特性线性较好。但电阻率仅为铂的几分之一。因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于100以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。因此，只能用于低温及无腐蚀性的介质中。,2022/11/12,34,3.热电阻传感器的结构,电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在0.03（0.07mm0.005）mm之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。,由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即先将铜丝对折，两根丝平行绕制，两个端头处于支架的同一端，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。,2022/11/12,35,活动卡套探杆式热电阻温度传感器,普通铂电阻传感器,端面热电阻元件由特殊处理的丝材绕制，能更正确和迅速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦或其他机件的端面温度,Pt100/Pt1000,2022/11/12,36,冰箱冰柜用低温型铂电阻温度传感器中央空调机组供热/制冷管道测温和控制，冰箱冰柜、轴瓦、缸体，油管，水管，汽管，纺机，平面设备，空调，热水器，体温计等狭小空间工业设备测温和控制，中央空调分户热能计量和工业领域测温控制，大气环境监测、工业过程控制、测量仪表等。,点钞机用高精度微型铂电阻传感器,适合土壤探测、医疗实验、物料仓储、食品加工、冷库冷藏等需要深入刺进物体、食品、水果包装内部测量温度的现场和环境,食品用探针型高温铂电阻传感器,2022/11/12,37,a) 铂电阻元件-陶瓷型 b) 铂电阻元件-薄膜型 c) 薄膜型温度探测器（不干胶板）,d) 带柔性引线的铂电阻温度探测器,图 3-10 常见铂热电阻传感器元件及外形结构,2022/11/12,38,图 3-10 常见铂热电阻传感器元件及外形结构,e) 铠装铂电阻电阻温度探测器,f) 外用/冷藏温度传感器器,2022/11/12,39,4.热电阻传感器的测量电路,热电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用三线制电桥连接法测量电路或四线恒流源测量电路。,图3-12 两线制测量,图3-13 三线制电桥测量电路,图3-14 四线制恒流源测量电路,当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，计算得出电阻值。,2022/11/12,40,图3-15热电阻引线方式,无论三线制或四线制测量电路，都必须从热电阻感温体的根部引出导线，不能从热电阻的接线端子上分出，如图3-15所示。否则同样会存在引线误差！,2022/11/12,41,3.3.2 半导体热敏电阻,半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。,热敏电阻分类,正温度系数（PTC）热敏电阻;负温度系数（NTC）热敏电阻; 临界温度电阻器（CTR）(在某一特定温度下电阻值会发生突变),图3-16 各种热敏电阻的特性曲线 1突变型NTC 2负温度NTC 3线形型PTC 4突变型PTC,温度的测量,温控开关电路,热敏电阻在电路中的符号：,2022/11/12,42,热敏电阻结构,MF12型NTC热敏电阻,聚酯塑料封装热敏电阻,2022/11/12,43,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58型热敏电阻,热敏电阻结构,2022/11/12,44,热敏电阻结构,资料,2022/11/12,45,资料,2022/11/12,46,4.热敏电阻的应用,用于测量温度的热敏电阻结构简单，价格便宜。没有外保护层的热敏电阻只能用于干燥的环境中，在潮湿、腐蚀性等恶劣环境下只能用密封的热敏电阻。如图3-18为热敏电阻测量温度的电路图。测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热敏电阻放入32（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节RP1，使指针在32上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到45。待热量平衡后，调节RP2，使指针指在45上。再加入冷水，逐渐降温，反复检查3245范围内刻度的准确性。,图3-18 热敏电阻体温表原理图,案例1：热敏电阻测温,2022/11/12,47,开机检测,关机检测,基准电压,图3-19 负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用,案例2：电冰箱温度控制,t升高,Rt减小,Ui2升高,U7U8,输出高电平,输出低电平,U4U5,输出高电平,导通,导通,吸合,工作,2022/11/12,48,图3-19 负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用,案例2：电冰箱温度控制,t下降,Rt增大,Ui2减小,U8U7,输出低电平,输出高电平,U5U4,输出低电平,截止,截止,断开,停止工作,2022/11/12,49,案例4：热敏电阻用于液位报警,图3-20 所示为具有音乐报警的液位报警器，适用于电池电压为6V 的摩托车。图中，G为KD930O型音乐信号集成块；A为TWH8778型功率放大集成块，在本电路中用作脉冲放大器；Rt1和Rt2 构成旁热式PTC热敏电阻液位传感器。其中，Rt1为旁热元件，常温阻值12 ,居里温度（电阻值开始陡峭地增高时的温度）Tc =40 ; Rt2为常温阻值100士50，Tc30，热态阻值600的PTC热敏电阻传感元件。当传感器处于汽油中时，G之的触发电压低于2V，电路截止，扬声器HA不发声。当传感器露出液面后，Rt2的阻值剧增，G触发导通输出音乐信号，并经A放大后推动HA发出足够的音乐报警声，为驾驶员提供加油信息。,图3-20 带音乐报警的液位报警器电路,2022/11/12,50,LED显示,案例5：其他温度测量与控制,资料,2022/11/12,51,案例5：其他温度测量与控制,资料,2022/11/12,52,小 结,温度、温标的概念温度的测量方法 - 接触测量、非接触测量膨胀式温度计测温原理-利用物体受热体积膨 胀的原理膨胀式温度计分类 - 液体膨胀式温度计、固 体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计,2022/11/12,53,电阻式温度传感器工作原理-利用导体或半导体材料 的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度的 电阻式温度传感器的种类-金属热电阻传感器（铂、 铜）、热敏电阻 热电阻传感器的测量电路三线制电桥、四线制恒流源 半导体热敏电阻的分类-正温度系数（PTC）热敏电阻; 负温度系数（NTC）热敏电阻;临界温度电阻器（CTR）,小 结,2022/11/12,54,1. 温度的测量方法有几种？各有何特点？2. 膨胀式温度计有几种？其工作原理是什么？各有何特点？,复习思考题 P87,
