第三章第三节热电阻传感器()

第三章第三节热电阻传感器利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为热电阻温度计。大多数金属在温度升高1℃时电阻将增加0.4%～0.6%。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1℃，电阻约减小2%～6%。热电阻温度计最大的特点是测量精度高，在测量500℃以下温度时，其输出信号比热电偶大得多，性能稳定，灵敏度高，可在－272.3～1100℃范围内测温。热电阻温度计输出为电信号，便于远传、多点测量和自动控制，不需要冷端温度补偿。缺点是需要电源激励，有自热现象、引线误差等影响测量精度。热电阻传感器是指某些导体或半导体等其他材料做成的传感器，当温度发生变化时，它们的电阻值发生变化，利用这种性质来测量温度。本节主要介绍金属热电阻传感器。金属热电阻的测温原理是基于导体的电阻随温度变化而变化的特性，只要测出热电阻阻值的变化，就可以测得被测温度。工业上常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻。一、热（敏）电阻的一些特性参数二、热电阻传感器及其特性三、热电阻的结构形式四、热电阻的引线方式五、半导体测温传感器（见教材P41~P42，留作自学作业）内容提示1.零功率电阻值是指在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的温度下，测量热电阻的电阻值，测量时应保证该电阻的功耗低到其本身的功耗引起的电阻值的变化量小到可以忽略的地步，此时测得的电阻值即为零功率电阻值。2.电阻温度系数在一定温度下，热电阻的零功率电阻值的相对变化率与产生这种变化的温度增量之比。3.热容量指热电阻本体温度每变化1℃所耗散或吸收的热量。一、热（敏）电阻的一些特性参数4.热时间常数决定传感器反应快慢的重要参数。指热电阻在零功率状态下，当环境温度从一个特定值向另一个特定值变化时，电阻体温度变化了这两个特定温度值之差的63.2%所需要的时间。5.电阻温度特性指在静止的空气中测得的热电阻的零功率电阻值与温度之间的依赖关系。1对制作热电阻的材料的要求：要有尽可能大且稳定的电阻温度系数α，纯度越高，α越大，精度越高；电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸，使得热容量和热惯性小一些，这样对温度变化的响应比较快；在测温范围内，物理和化学性质要稳定；材料的复现性要好，复制性强，便于大批生产，价格要便宜；电阻值随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系。二、热电阻传感器及其特性制作热电阻常用的材料有铜、铂、镍、铁及半导体热敏电阻。目前热敏电阻的发展非常迅速，出现了各类热敏传感器。2铂电阻和铜电阻温度传感器(1)两种常用的热电阻的情况见下表：-200~850100Pt1000~85010Pt10铂100Cu100-50~15050Cu50铜测温范围（℃）0℃的电阻（Ω）分度号材质（2）电阻温度特性分度表：见教材P307~310附表3-1和附表3-2分别列出Pt100和Cu100的分度表。电阻温度特性曲线：见教材P125图3.52。由图可知，铜电阻的特性曲线比较接近直线；而铂电阻的特性呈现一定的非线性，在高温段，非线性更加明显，温度越高，电阻的变化率越小。分度公式（参考函数）对于铂电阻，在-200~850℃的温度范围内，其电阻温度特性很难用一个公式准确表示，所以把测温范围分成两段：-200~0℃Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]0~850℃Rt=R0(1+At+Bt2)式中，R0为0℃时的电阻值，Rt为t℃时的电阻值A、B、C为常数，A=3.9083×10-13/℃B=-5.775×10-7/℃C=-4.183×10-12/℃对于铜电阻，在-50~150℃的温度范围内，Rt=R0(1+t)，=4.28×10-3/℃(3)特点铜电阻和铂电阻温度传感器的比较：铂电阻测温精度高，测温范围宽，稳定性好，性能可靠，但电阻与温度为非线性关系，价格高；铜电阻的电阻温度系数大，电阻温度特性近似线性，铜易加工和提纯，价格低。金属热电阻和热电偶的比较：金属热电阻在同样的温度下，输出信号大，易于测量；热电阻的阻值测量必须借助于外加电源，热电偶输出热电势，可直接测量，但热电偶需要冷端温度补偿，而热电阻不需要；热电阻感温体体积大，热容量大，不适宜测量体积狭小或变化快的温度信号，抗机械冲击与振动的性能也较差；同样材质做成的热电阻不如热电偶测温上限高，但在小于0℃的低温区，热电阻测温较好。工业用热电阻主要由电阻体、绝缘体、保护套管和接线盒等组成，通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置相连接的部件。工业热电阻具有普通型（装配型）、铠装型和薄膜型等形式。请见教材P125~126(自学为主)。普通型为工业用热电阻温度计的基本结构。其造型与普通热电偶温度计相类似，尤其是接线盒、保护管的外观相像，见下图。三、热电阻的结构形式工业用热电阻结构1－出线孔密封圈；2－出线孔螺母；3－链条；4－面盖；5－接线柱；6－密封圈；7－接线盒；8－接线座；9－保护管；10－绝缘子；11－引出线；12－感温元件。铠装型铠装热电阻的结构同铠装热电偶的结构类似。热电阻体与保护管封装成一个整体，因此，它具有良好的力学性能，耐振动与冲击，有良好的饶性，便于安装；不受有害介质侵蚀；外形尺寸可以做得很小（国产定型标准外径为3～8mm），反应速度快。薄膜型薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上的热电阻。铂膜热电阻有厚膜和薄膜两种。厚膜热电阻铂膜厚度为7μm，薄膜热电阻铂膜厚度为2μm。薄膜热电阻减小了热惯性，提高了灵敏度和响应速度。普通型热电阻铠装热电阻WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300℃)隔爆热电阻WZC-111/Φ12*1000mmCu50铜热电阻WZPK2-103/B级Φ6*515mm(0-300℃)铂热电阻热电阻温度计一般由热电阻、引线、连接导线、测量桥路和显示仪表组成，热电阻作为测量桥路的一个桥臂电阻。引线是热电阻出厂时自身具备的，使热电阻丝能与外部测量桥路连接，通常位于保护套管内。引线的电阻在环境温度变化的情况下会发生变化，对测量结果影响较大。目前常用的引线方式由两线制、三线制和四线制三种，如下图所示。四、热电阻的引线方式热电阻的几种引线方式1－热电阻感温元件；2、4－引线；3－接线盒；5－显示仪表；6－转换开关；7－电位差计；8－标准电阻；9－电池；10－滑线电阻（1）两线制（2）三线制（3）四线制两线制是指在热电阻体的两端各连接一根导线的引线方式，如右图所示。这种引线方式比较简单，但由于两根引线都接在电桥的一个桥臂上，引线电阻及其变化值会给测量结果带来附加误差，适用于引线较短，测量精度要求不高的场合。1－热电阻感温元件；2、4－引线；3－接线盒；5－显示仪表1两线制三线制是指在热电阻体的一端连接两根导线，另一端连接一根导线的引线方式，如右图所示。由于热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化对电桥的影响相互抵消，电源连线电阻的变化，对供桥电压影响是极其微小的，可忽略不计，因此这种引线方式可以较好地消除引线电阻的影响，测量精度比两线制高，应用比较广泛。工业热电阻通常采用三线制接法，尤其在测温范围窄、导线长、架设铜导线途中温度易发生变化等情况下，必须采用三线制接法。2三线制1－热电阻感温元件；2、4－引线；3－接线盒；5－显示仪表四线制是指热电阻体的两端各连接两根导线的引线方式，如右图所示。其中两根引线为热电阻提供恒流源，在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。这种接线方式能完全消除引线电阻带来的附加误差，且在连接导线阻值相同时，也可消除连接导线的影响。这种引线方式主要用于高精度的温度检测。3四线制1－热电阻感温元件；2、4－引线；3－接线盒；5－显示仪表；6－转换开关；7－电位差计；8－标准电阻；9－电池；10－滑线电阻