热电阻传感器.doc

1、1热电传感器热电阻传感器的介绍 专业 ： 生物医学工程班级 ： 生物 1201组员 ： 刘少杰 刘小斌日期 ： 2015.9.182新 技 术 革 命 的 到 来 ， 世 界 开 始 进 入 信 息 时 代 。 在 利 用 信 息 的 过 程 中 ， 首先 要 解 决 的 就 是 要 获 取 准 确 可 靠 的 信 息 ， 而 传 感 器 是 获 取 自 然 和 生 产 领 域 中信 息 的 主 要 途 径 与 手 段 。 传 感 器 早 已 渗 透 到 诸 如 工 业 生 产 、 宇 宙 开 发 、 海 洋探 测 、 环 境 保 护 、 资 源 调 查 、 医 学 诊 断 、 生 物 工 程

2、 、 甚 至 文 物 保 护 等 等 极 其之 泛 的 领 域 。 可 以 毫 不 夸 张 地 说 ， 从 茫 茫 的 太 空 ， 到 浩 瀚 的 海 洋 ， 以 至 各 种复 杂 的 工 程 系 统 ， 几 乎 每 一 个 现 代 化 项 目 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 传 感 器 。热 电 阻 测 温 是 基 于 金 属 导 体 的 电 阻 值 随 温 度 的 增 加 而 增 加 这 一 特 性 来 进行 温 度 测 量 的 。 热 电 阻 大 都 由 纯 金 属 材 料 制 成 ， 目 前 应 用 最 多 的 是 铂 和 铜 ，此 外 ， 现 在 已 开 始 采 用 镍 、

3、锰 和 铑 等 材 料 制 造 热 电 阻 。 热 电 阻 传 感 器 主 要是 利 用 电 阻 值 随 温 度 变 化 而 变 化 这 一 特 性 来 测 量 温 度 及 与 温 度 有 关 的 参 数 。在 温 度 检 测 精 度 要 求 比 较 高 的 场 合 ， 这 种 传 感 器 比 较 适 用 。 目 前 较 为 广 泛的 热 电 阻 材 料 为 铂 、 铜 、 镍 等 ， 它 们 具 有 电 阻 温 度 系 数 大 、 线 性 好 、 性 能 稳定 、 使 用 温 度 范 围 宽 、 加 工 容 易 等 特 点 。 用 于 测 量 -200 +500 范 围 内的 温 度 。温

4、度 测 量 系 统 应 用 广 泛 ， 涉 及 到 各 行 各 业 的 各 个 方 面 ， 在 各 种 不 同 的 领域 中 都 占 有 重 要 的 位 置 。 从 降 低 开 放 成 本 扩 大 适 用 范 围 、 系 统 运 行 的 稳 定 性 、可 靠 性 出 发 ， 设 计 一 种 以 Pt100 铂 热 电 阻 为 温 度 信 号 采 集 元 件 的 传 感 器 温 度测 量 系 统 。 才 测 量 系 统 不 但 可 以 测 量 室 内 的 温 度 ， 还 可 以 测 量 液 体 等 的 温 度 ，在 实 际 应 用 中 ， 该 系 统 运 行 稳 定 、 可 靠 ， 电 路 设

5、计 简 单 实 用 。热电阻传感器工作原理在 金 属 中 ， 载 流 子 为 自 由 电 子 ， 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 。 热 电 阻 就 要 是 利 用 电 阻 随 温 度升 高 而 增 大 这 一 特 性 来 测 量

6、 温 度 的 。热 敏 电 阻 是 一 种 新 型 的 半 导 体 测 温 元 件 。 半 导 体 中 参 加 导 电 的 是 载 流 子 ，由 于 半 导 体 中 载 流 子 的 数 目 远 比 金 属 中 的 自 由 电 子 数 目 少 得 多 ， 所 以 它 的 电阻 率 大 。 随 温 度 的 升 高 ， 半 导 体 中 更 多 的 价 电 子 受 热 激 发 跃 迁 到 较 高 能 级 而产 生 新 的 电 子 空 穴 对 ， 因 而 参 加 到 电 的 载 流 子 数 目 增 加 了 ， 半 导 体 的 电 阻率 也 就 降 低 了 （ 电 导 率 增 加 ） 。 因 为 载 流

7、子 数 目 随 温 度 上 升 按 指 数 规 律 增 加 ，所 以 半 导 体 的 电 阻 率 也 就 随 温 度 上 升 按 指 数 规 律 下 降 。 热 敏 电 阻 正 是 利 用 半导 体 这 种 载 流 子 数 随 温 度 变 化 而 变 化 的 特 性 制 成 的 一 种 温 度 敏 感 元 件 。 当 温度 变 化 1 时 ， 某 些 半 导 体 热 敏 电 阻 的 阻 值 变 化 将 达 到 （ 36）%。在一定条件下，根据测量热敏电阻值的变化得到温度的变化。3与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只

8、要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200500范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。热电阻的信号连接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影

9、响1 二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻 r，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合2 三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。3 四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流 I，把 R 转换成电压信号 U，再通过另两根引线把 U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于

10、高精度的温度检测它的分类热 电 阻 传 感 器 按 不 同 的 分 类 方 式 可 以 分 为 多 种 。 按 材 料 分 ， 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 。 按 结 构 分 ， 普 通 型 热 电 阻 、 锴 装 热 电 阻 、 薄 膜 热 电 阻 。 按 用 途分 ， 工 业 用 热 电 阻 、 精 密 标 准 电 阻 。 以 下 是 按 照 第 一 类 来 介 绍 热 电 阻 传 感 器 。金属热电阻传感器金属热电阻传感器目 前 较 为 广 泛 应

11、用 的 热 电 阻 材 料 是 铂 、 铜 、 镍 、 铁 和 铑 铁 合 金 等 ， 而 常用 的 是 铂 、 铜 ， 他 们 的 电 阻 温 度 系 数 在 范 围 内 。 作 为 测 温 用3610/C的 热 电 阻 材 料 ， 希 望 电 阻 温 度 系 数 要 大 ， 以 提 高 热 电 阻 的 灵 敏 度 ； 电 阻 率 尽4可 能 大 ， 以 便 减 小 电 阻 体 尺 寸 ； 热 容 量 要 小 ， 以 便 提 高 热 电 阻 的 响 应 速 度 ；在 测 量 范 围 内 ， 应 具 有 稳 定 的 物 理 和 化 学 性 能 ； 电 阻 与 温 度 的 关 系 最 好 接 近

12、于 线 性 ； 应 有 良 好 的 可 加 工 性 ， 且 价 格 便 宜 。 在 铂 、 铜 中 ， 铂 的 性 能 最 好 ，采 用 特 殊 的 结 构 可 以 制 成 标 准 温 度 计 ， 它 的 适 用 范 围 为 ； 铜0296C电 阻 价 廉 并 且 线 性 较 好 ， 但 温 度 高 易 氧 化 ， 故 只 适 用 于 温 度 较 低的 环 境 中 ， 目 前 已 逐 渐 被 铂 电 阻 所 取 代 。051C铂热电阻铂 材 料 的 优 点 为 ： 物 理 、 化 学 性 能 极 为 稳 定 尤 其 是 耐 氧 化 能 力 很 强 ， 并且 在 很 宽 的 温 度 范 围 内

13、（ 1200 以 下 ） 均 可 保 持 上 述 特 性 ； 易 于 提 纯 ， 复 制性 好 ， 有 良 好 的 工 艺 性 ， 可 以 制 成 极 细 的 铂 丝 或 极 薄 的 铂 箔 ； 电 阻 率 较 高 。缺 点 是 ： 电 阻 温 度 系 数 较 小 ； 在 还 原 介 质 中 工 作 时 易 被 沾 污 变 脆 ； 价 格 较 高 。铂 热 电 阻 的 阻 值 与 温 度 的 关 系 近 似 线 性 ， 其 特 性 方 程 为当 -200 t 0 时 ： 230R1(10)tAtBCt当 0 t 960 时 ： ()t式中 温度为 t时铂热电阻的阻值，单位为 ；Rt温度为 0时

14、铂热电阻的阻值，单位为 ；0A、 B、 C温度系数，它们的数值分别为 ，302.9081(/)AC， 。705.821(/)C24475铜热电阻铂 金 属 贵 重 ， 因 此 在 一 些 测 量 精 度 要 求 不 高 且 温 度 较 低 的 场 合 ， 普 遍 地采 用 铜 热 电 阻 来 测 量 -50 +150 的 温 度 。 铜 热 电 阻 有 如 下 特 点 。在 上 述 使 用 的 温 度 范 围 内 ， 阻 值 与 温 度 的 关 系 几 乎 呈 线 性 关 系 ， 即 可 近似 表 示 为0()tRt式中 电阻温度系数， 。304.25.8)1/C1.电 阻 温 度 系 数 比

15、 铂 高 ， 而 电 阻 率 则 比 铂 低 。2.容 易 提 纯 ， 加 工 性 能 好 ， 可 拉 成 细 丝 ， 价 格 便 宜 。3.易 氧 化 ， 不 宜 在 腐 蚀 性 介 质 或 高 温 下 工 作 。鉴 于 上 述 特 点 ， 在 介 质 温 度 不 高 、 腐 蚀 性 不 强 、 测 温 元 件 体 积 不 受 限 制5的 条 件 大 都 采 用 铜 热 电 阻 。表一 热电阻的主要技术性能材料 铂（WZP） 铜（WZC）使用温度范围/ -200+960 -50+150电阻率 6/(10)m0.09810.106 0.017间电阻温度系数平均值0(C)/10.00385 0.

16、00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温情况下。 超过 100易氧化特性 特性近于线性、性能稳定、精度高 线性较好、价格低廉、 体积大应用适用于较高温度的测量，可作为标准测温装置适用于测量低温、无水分、无腐蚀性介质的温度热电阻的结构普 通 型 热 电 阻 由 感 温 元 件 （ 金 属 电 阻 丝 ） 、 支 架 、 引 出 线 、 保 护 套 管 及接 线 盒 等 基 本 部 分 组 成 。 为 避 免 电 感 分 量 ， 热 电 阻 丝 常 采 用 双 线 并 绕 ， 制 成无 感 电 阻 。1、 感 温 元 件 （ 金 属 电 阻 丝 ）由 于 铂 的

17、 电 阻 率 较 大 ， 而 且 相 对 机 械 强 度 较 大 ， 通 常 铂 丝 的 直 径 在0.03 0.07 0.005 之 间 。 可 单 层 绕 制 ， 若 铂 丝 太 细 ， 电 阻 体 可 做 的 小 ，但 强 度 低 ； 若 铂 丝 粗 ， 虽 强 度 大 ， 但 电 阻 体 积 大 了 ， 热 惰 性 也 大 ， 成 本 高 。由 于 铜 的 机 械 强 度 较 低 ， 电 阻 丝 的 直 径 需 较 大 。 一 般 为 （ 0.10.005） 的 漆 包 铜 线 或 丝 包 线 分 层 绕 在 骨 架 上 ， 并涂 上 绝 缘 漆 而 成 。 由 于 铜 电 阻 的 温

18、 度 低 ，故 可 以 重 叠 多 层 绕 制 ， 一 般 多 用 双 绕 法 ，即 两 根 丝 平 行 绕 制 ， 在 末 端 把 两 个 头 焊 接起 来 ， 这 样 工 作 电 流 从 一 根 热 电 阻 丝 进 入 ，从 另 一 根 热 电 阻 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 。2、骨架6热电阻是绕制在骨架上的，骨架是用来支持和固定电阻丝的。骨架应使用电绝缘性能好，高温下机械强度高，

19、体膨胀系数小，物理化学性能稳定，对热电阻丝无污染的材料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。3、引线引线的直径应当比热电阻丝大几倍，尽量减少引线的电阻，增加引线的机械强度和连接的可靠性，对于工业用的铂热电阻，一般采用 1的银丝作为引线。对于标准的铂热电阻则可采用 0.3的铂丝作为引线。对于铜热电阻则常用 0.5的铜线。在骨架上绕制好热电阻丝，并焊好引线之后，在其外面加上云母片进行保护，在装入外保护套管，并和接线盒或外部导线相连接，即得到热电阻传感器。铂、铜热电阻外形如 2.1-1 所示，结构如图2.1-2、2.1-3。 图 2.1-1 热电阻外形 1保护套管 2测温元 3紧固螺栓4接线盒 5引出线密封套管 图 2.1-2 铂电阻结构1-铆钉 2-铂热电阻 3-银质引脚图 2.1-3 铜电阻结构1-线圈骨架 2-保护层 3-铜电阻丝4-扎线 5-补偿绕组 6-铜质引脚