機(jī)械工程測試技術(shù)-第三章

第三章：

熱電阻式傳感器石河子大學(xué)機(jī)械(jīxiè)電氣工程學(xué)院電氣工程系石河子大學(xué)機(jī)械電氣(diànqì)工程學(xué)院干燥技術(shù)與裝備實(shí)驗(yàn)室《機(jī)械工程測試技術(shù)》精品資料第三章 熱電阻式傳感器內(nèi)容提示(tíshì)：3.1溫標(biāo)及測溫方法3.2金屬熱電阻傳感器3.3半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器3.4集成式溫度傳感器精品資料3.1溫標(biāo)(wēnbiāo)及測溫方法3.1.1溫度的基本概念溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)(cānshù)，它反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。表示衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度稱溫標(biāo)。精品資料3.1溫標(biāo)(wēnbiāo)及測溫方法3.1.2溫標(biāo)溫標(biāo)的概念：用來衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度(chǐdù)常用溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)列式溫標(biāo)三者間的轉(zhuǎn)換熱力學(xué)溫標(biāo)國際實(shí)用溫標(biāo)精品資料3.1溫標(biāo)(wēnbiāo)及測溫方法3.1.3溫度檢測的主要方法及分類溫度檢測方法一般(yībān)可分為兩大類，即接觸測量法和非接觸測量法。 其中，接觸測量法是測溫敏感元件直接與被測介質(zhì)接觸，使被測介質(zhì)與測溫敏感元件進(jìn)行充分的熱交換，使兩者具有同一溫度，達(dá)到測量的目的。 由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時(shí)，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。精品資料3.1溫標(biāo)(wēnbiāo)及測溫方法非接觸測量法是利用物質(zhì)的熱輻射原理，測溫敏感元件不與被測介質(zhì)接觸，通過輻射和對(duì)流實(shí)現(xiàn)熱交換，達(dá)到測量目的。 其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測物體(wùtǐ)上吸收熱量；不會(huì)干擾被測對(duì)象的溫度場；連續(xù)測量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。精品資料3.1溫標(biāo)(wēnbiāo)及測溫方法3.1.4各溫度段所使用的標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)儀器低溫鉑電阻溫度計(jì)（13.81K—273.15K）鉑電阻溫度計(jì)（273.15K—903.89K）鉑銠-鉑熱電偶溫度計(jì)（903.89K—1337.58K）光測溫度計(jì)（1337.58K以上）精品資料3.2金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器主要是利用溫度變化時(shí)傳感器電阻發(fā)生變化的原理進(jìn)行溫度測量，這種溫度傳感器在常溫和低溫區(qū)具有非常(fēicháng)高的靈敏度，其阻值與被測溫度具有極佳的線性關(guān)系（溫度升高，阻值增加）。精品資料3.2金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器3.2.1熱電阻的類型理論上講，任何金屬都可作為熱電阻傳感器，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在以下要求：溫度系數(shù)值要大，熱電阻的靈敏度就越高在測量范圍內(nèi)，其材料的物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定，以保持電阻基值的穩(wěn)定性在測量范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)要保持常數(shù)，以確保輸入——輸出線性，提高測量精度具有較高的電阻率,采用較高電阻率的感溫材料，可以減少(jiǎnshǎo)熱電阻體積和熱慣性材料容易提純，確保較好的復(fù)制性。目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑、銅和鎳。精品資料3.2金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)鉑電阻在-200℃～0℃范圍內(nèi)，鉑電阻的電阻值Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t2]在0℃～850℃范圍內(nèi)，Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt=R0(1+At+Bt2)其中Rt——溫度為t℃時(shí)鉑電阻的電阻值； R0——0℃時(shí)鉑電阻的電阻值；A、B、C分別為常數(shù)(chángshù)，其數(shù)值為：A=3.90802×10-3B=-5.802×10-7C=4.27350×10-12精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)銅電阻銅熱電阻在-50℃～150℃的使用范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系(guānxì)幾乎是線性的，可表示為：式中，Rt——溫度為t時(shí)的阻值 R0——溫度為0℃時(shí)的阻值α——銅電阻的電阻溫度系數(shù)精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)鎳電阻鎳電阻的使用范圍(fànwéi)為：-60℃～250℃，與鉑電阻和銅電阻相比，在使用范圍(fànwéi)內(nèi)其電阻值與溫度的線性關(guān)系稍差。精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)分度值Pt100、Pt1000、Cu50、Ni100等精品資料3.2.1熱電阻的類型(lèixíng)精品資料3.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)(jiégòu)繞組式——將鉑絲繞組密封在瓷棒的空腔內(nèi)的一種結(jié)構(gòu)(jiégòu)空腔內(nèi)松散填充氧化鋁或氧化鎂粉末，在不影響鉑絲延展性的前提下，保護(hù)鉑絲并改善導(dǎo)熱性能瓷棒的兩端以玻璃材料進(jìn)行密封整個(gè)傳感器的直徑最小可達(dá)到0.9mm，長度最短為7mm這種封裝結(jié)構(gòu)(jiégòu)可以保證鉑絲在瓷棒內(nèi)的延展性，但熱響應(yīng)速度較慢可在-200℃~+800℃范圍內(nèi)使用30μm100μm精品資料3.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)(jiégòu)繞線式——將鉑絲纏繞（雙層）在玻璃棒上，并以玻璃材料進(jìn)行外部封裝的一種結(jié)構(gòu)。由于(yóuyú)鉑絲完全被玻璃材料圍繞，因此傳感器抗沖擊和震動(dòng)的性能較好整個(gè)傳感器的直徑最小可達(dá)到0.9mm，長度最短為7mm外部不需要額外進(jìn)行封裝，熱響應(yīng)速度快可在-200℃~+400℃范圍內(nèi)使用精品資料3.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)(jiégòu)箔片式——箔片式是將鉑絲粘接在兩層聚酰胺(俗稱尼龍)薄膜間的一種結(jié)構(gòu)。厚度僅為0.17mm，具有極佳的柔韌性，可粘敷在管道表面或者嵌入繞組中進(jìn)行溫度(wēndù)測量可在-80℃~+230℃范圍內(nèi)使用精品資料3.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)(jiégòu)薄片(báopiàn)式——薄片(báopiàn)式是將一薄層的鉑沉積（厚度僅為1μm）在陶瓷基底上，并利用玻璃或環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封、絕緣的一種結(jié)構(gòu)。熱響應(yīng)速度要優(yōu)于繞線式價(jià)格低廉熱響應(yīng)速度快，且熱容小可在-50℃~+400℃范圍內(nèi)使用精品資料3.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)(jiégòu)精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路兩線制精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路四線制精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路自熱現(xiàn)象鉑電阻傳感器屬于電阻型器件，在實(shí)際工作中，需要有激勵(lì)電流流過鉑電阻方可獲得端電壓。但這個(gè)激勵(lì)電流在使鉑電阻處于工作狀態(tài)的同時(shí)，也會(huì)引起鉑電阻的自熱現(xiàn)象，這會(huì)引入誤差。因此，在滿足測量(cèliáng)需要的前提下，應(yīng)盡量減小激勵(lì)電流，或者僅在需要測量(cèliáng)時(shí)再施加激勵(lì)電流。精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路溫度(wēndù)變送器精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路電流(diànliú)輸出式（4～20mA）溫度變送器接法精品資料3.2.3熱電阻的測量(cèliáng)電路電壓(diànyā)輸出型溫度變送器接法精品資料關(guān)于(guānyú)金屬熱電阻傳感器1871年，WilliamSiemens發(fā)現(xiàn)了鉑電阻的阻值與溫度(wēndù)的變化之間的線性關(guān)系。1823-1883精品資料1887年，英國科學(xué)家HughCallendar推出了一款具有相當(dāng)精度的鉑電阻傳感器，并發(fā)表了一篇關(guān)于如何(rúhé)應(yīng)用鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測量的文章。1863-1930精品資料3.3半導(dǎo)體熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)傳感器熱敏電阻是利用一些金屬氧化物（半導(dǎo)體）按一定的比例混合壓制和燒結(jié)而成的固態(tài)感溫器件，利用其電阻率隨溫度變化而變化的特性(tèxìng)來測量溫度。精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性溫度(wēndù)特性 熱敏電阻按照其溫度(wēndù)系數(shù)可分為負(fù)溫度(wēndù)系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度(wēndù)系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度(wēndù)系數(shù)熱敏電阻（CTR）。精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性NTC熱敏電阻在測溫范圍內(nèi)，NTC的阻值隨溫度的升高而降低。NTC熱敏電阻的溫度-阻值關(guān)系：利用溫度-阻值表和Steinhart-Hart公式1/TT=a+bln(RT)+c[ln(RT)]3其中TT為被測開氏溫度、RT為NTC熱敏電阻的當(dāng)前阻值、a、b、c為常數(shù)，可通過廠商給出的溫度-阻值表求出。Steinhart-Hart公式在NTC熱敏電阻的工作溫度范圍內(nèi)非常準(zhǔn)確(zhǔnquè)，在-30～125℃范圍內(nèi)，該公式所引入的擬合誤差不超過0.1℃。精品資料3.3.1熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的類型及特性利用溫度-阻值特性公式 RT=R25exp(β/TT-β/T25)，某些廠商未給出溫度-阻值表，但給出了在25℃下該NTC熱敏電阻的阻值R25（又被稱為(chēnɡwéi)額定零功率電阻），以及熱敏電阻溫度常數(shù)β，利用這些常數(shù)，通過上式便可求出在指定溫度（開氏溫度）下的阻值。精品資料3.3.1熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的類型及特性PTC熱敏電阻在測溫范圍內(nèi)，PTC的阻值(zǔzhí)隨溫度的升高而增加。TC為居里溫度精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性CTR熱敏電阻在臨界溫度附近電阻值隨溫度的增加而急劇下降。由于(yóuyú)后兩者在溫度達(dá)到居里溫度后，其阻值后陡然增加，因此很少被用于溫度測量，而多被用于過流保護(hù)等場合。精品資料3.3.1熱敏電阻的類型(lèixíng)及特性伏安特性靜態(tài)(jìngtài)情況下熱敏電阻上的端電壓與通過熱敏電阻的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。精品資料3.3.2熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的主要參數(shù)標(biāo)稱電阻(diànzǔ)值耗散系數(shù)電阻(diànzǔ)溫度系數(shù)熱容量時(shí)間常數(shù)精品資料3.3.3熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的特點(diǎn)靈敏度高。半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大，這就意味著引線失衡所引起的誤差可以忽略不計(jì)，因此可用于遠(yuǎn)距離測量，并可大大降低對(duì)儀表的要求體積小、熱慣性小、結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)應(yīng)用場合制成各種形狀化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能強(qiáng)，價(jià)格低廉，壽命長復(fù)現(xiàn)(fùxiàn)性和互換性差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍窄，目前只能達(dá)到-50～+300℃精品資料3.3.4熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的應(yīng)用溫度測量(cèliáng)溫度補(bǔ)償溫度控制過熱保護(hù)精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式非標(biāo)式精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式PTC保護(hù)(bǎohù)用熱敏電阻的外觀精品資料熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的形式加熱(jiārè)用PTC熱敏電阻精品資料關(guān)于(guānyú)熱敏電阻實(shí)際上，Steinhart-Hart模式已經(jīng)是一種進(jìn)行熱敏電阻標(biāo)定的工業(yè)(gōngyè)標(biāo)準(zhǔn)。但考慮到利用該模型進(jìn)行標(biāo)定時(shí)至少需要三個(gè)溫度點(diǎn)，因此，當(dāng)要求精度不高，成本敏感或者應(yīng)用溫度范圍較窄時(shí)，通常會(huì)考慮其他的模型。精品資料關(guān)于(guānyú)熱敏電阻高精度、快速(kuàisù)響應(yīng)的封裝形式精品資料3.4集成式溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償(bǔcháng)電路等部分集成化，并把它們封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它的體積小、反應(yīng)快、線性化、抗干擾能力強(qiáng)，但測溫范圍主要集中在-50～150℃。精品資料3.4.1集成溫度傳感器的工作原理(yuánlǐ)及分類工作原理(yuánlǐ)

式中，n——VT1和VT2的發(fā)射結(jié)面積比 K——波爾茲曼常數(shù) q——電子電量精品資料3.4.1集成(jíchén