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传感器与检测技术. 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系. 主讲教师：苏永清. 作业！. 5-6 5-7 7-10 7-11 7-12 7-13. 上讲内容回顾. 重点掌握 热电效应？热电式组成 热电偶基本定律 一般了解 常用热电偶材料 热电偶冷端补偿方法. 热电偶输出端. 交流接触器. 请将右图各有关设备 正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。. 电炉. 三相 空气开关. 接大地铜排. 接零. L 1. L 2. L 3. 黄. 绿. 红. L 1. L 2. L 3. 黄. 绿. 红.
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传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系 主讲教师：苏永清
作业！ 5-6 5-7 7-10 7-11 7-12 7-13
上讲内容回顾 重点掌握 热电效应？热电式组成 热电偶基本定律 一般了解 常用热电偶材料 热电偶冷端补偿方法
热电偶输出端 交流接触器 请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。 电炉 三相 空气开关 接大地铜排 接零 L1 L2 L3 黄 绿 红
L1 L2 L3 黄 绿 红 热电偶 “3”端接何处 380V线圈的交流接触器连接过程 当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。 电炉 接大地铜排 接零
热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。 §7-2热电阻传感器
一. 热电阻 1.热电阻材料的特点 热电阻材料必须具有以下特点： (1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。 (2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。 (3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。 (4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。 适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。
2.铂、铜热电阻的特性 • 铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。 铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。 • ⑴ 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。 • ⑵ 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为―50～150℃。
⑴ 铂热电阻 目前最好材料 铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高， 国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925 目前技术水平已达到W（100）＝1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。
铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在－200℃≤ t ≤0℃时： 当温度t在0℃≤ t ≤650℃时： 国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391， R0分为50Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt50和Pt100， 其分度表（给出阻值和温度的关系）
⑵ 铜热电阻 • 应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：―50～150℃ • 优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。 • 缺 点： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。
铜电阻的阻值与温度之间的关系为 关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的R0 按国内统一设计取50Ω和100Ω两种， 分度号分别为Cu50和Cu100， 相应的分度表可查阅相关资料。
二. 热电阻的结构 普通工业用热电阻式温度传感器
铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图
三、热电阻测温线路 工业用热电阻安装在生产现场，而其指示或记录仪表安装在控制室，其问的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值必然和热电阻的阻值串联在一起，造成测量误差。如果每根导线的阻值是r，测量结果中必然含有绝对误差2r。实际上这种误差很难修正，因为导线阻值r是随其所处环境温度而变的，而环境温度变化莫测，这就注定了用两线制连接方式不宜在工业热电阻上应用。 （一）三线制 （二）四线制
四线制接法 三线制测量电桥
§7-3 热敏电阻温度传感器 问题1 简述 热敏电阻的主要特点 2 热敏电阻的典型结构 3 热敏电阻的主要材料
二、热敏电阻的基本参数 1. 标称电阻R25（冷阻） 标称电阻值是热敏电阻在25±0.2℃时的阻值。 2. 材料常数BN 是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能∆E,具有BN=∆E／2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。 3. 电阻温度系数（αt） 热敏电阻的温度变化1 ℃时电阻值的变化率。 4. 耗散系数H 热敏电阻器温度变化1℃所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。
5. 时间常数τ 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系 6. 最高工作温度Tmax 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度： T0—环境温度；PE—环境温度为T0时的额定功率；H—耗散系数 7. 最低工作温度Tmin 热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。 8. 转变点温度Tc 热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。
9. 额定功率PE 热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。 10. 测量功率P0 热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1％时所消耗的功率 11. 工作点电阻RG 在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。 12. 工作点耗散功率PG 电阻值达到RG时所消耗的功率。 UG——电阻器达到热平衡时的端电压。
三、热敏电阻器主要特性 （一）热敏电阻器的电阻——温度特性（RT—T） ρT—T与RT—T特性曲线一致。 106 RT/Ω 105 2 3 104 4 103 1 102 101 铂丝 100 40 60 120 160 0 温度T/ºC 热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4 PTC
1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性 NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为： RT、RT0——温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； BN ——NTC热敏电阻的材料常数。 由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450℃），都能利用该式，它仅是一个经验公式。 如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。
105 104 电阻/Ω 103 102 -10 85 0 30 10 120 70 50 100 T/ºC NTC热敏电阻器的电阻--温度曲线 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。
RT/R25 3.5 3 2.5 2 1.5 (25ºC,1) 1 0.5 0 25 50 75 100 125 T RT / RT0--T特性曲线 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： RT/R25——BN关系如下表。
BN RT／R25 R50／R25 R0／R25 R75／R25 R-20／R25 R150／R25 R100／R25 2200 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 5000 0.565 0.500 0.483 0.458 0.435 0.413 0.392 0.372 0.354 0.273 3.175 4.720 5.319 5.993 6.751 7.609 8.6571 9.660 10.88 19.77 1.963 2.221 2.362 2.512 2.671 2.840 3.020 3.211 3.414 4.642 0.347 0.288 0.259 0.236 0.214 0.194 0.176 0.160 0.146 0.092 0.227 0.173 0.149 0.132 0.115 0.101 0.088 0.077 0.067 0.034 0.113 0.076 0.062 0.051 0.042 0.034 0.028 0.023 0.019 0.007 RT／R25～BN系数表
2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻—温度特性2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻—温度特性 其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图 10000 电阻/Ω 1000 Tp2 100 R20=120Ω R20=36.5Ω 10 R20=12.2Ω Tp1 Tc=175 ºC 0 50 100 200 250 150 T/ºC PTC热敏电阻器的电阻—温度曲线
PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数αtp。PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数αtp。 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示： 式中 RT、RT0——温度分别为T、T0时的电阻值； BP——正温度系数热敏电阻器的材料常数。 若对上式取对数，则得： 以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。
lnRr ） lnRr1 mR BP β lnRr2 mr BP=tgβ=mR/mr lnRr0 T2 T1 T lnRT~T 表示的PTC热敏电阻器电阻—温度曲线 若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数αtp 可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数αtp，正好等于它的材料常数BP的值。
U/V b Um a c U0 d α β I/mA I0 Im NTC热敏电阻的静态伏安特性 （二）热敏电阻器的伏安特性（U—I） 热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。 1.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性 该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U—I曲线。 热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系： T0——环境温度； △T——热敏电阻的温升。
105 104 103 102 101 Im Um 10-1 100 102 103 101 2．正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性 曲线见下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。 当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。 PTC热敏电阻器的静态伏安特性
四、热敏电阻器的应用 （一）检测和电路用的热敏电阻器 检测用的热敏电阻在仪表中的应用 伏安特性 的位置 在仪器仪表中的应用 温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、热传导测定、比热测定 Um的左边 Um的附近 液位测定、液位检测 Um的右边 流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析 旁热型 热敏电阻器 风速计、液面计、真空计 （Um—峰值电压）
电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类 伏安特性 的位置 在仪器仪表中的应用 偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿 Um的左边 恒压电路、延迟电路、保护电路 Um的附近 Um的右边 自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路 测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏电阻的伏安特性决定。
