热电阻传感器及其应用

机械工程测试技术作业电阻式传感器的应用姓名：李永贤班级：机械设计制造及其自动化13-1班学号：20131129热电阻传感器及其应用摘要：热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合。介绍了金属热电阻和热敏热电阻传感器的工作原理、分类、结构及应用。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、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。热电阻传感器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。1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（3～6）%。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。2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。2.1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（0.1±0.005）㎜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，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。2.2热敏电阻传感器热敏电阻是一种利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成，由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结的敏感元件。优点：热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）；电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点、表面温度及快速变化的温度；结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。2.2.1分类热敏电阻按照其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两的类。所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；所谓负温度系数是指温度上升时，电阻值反而下降的变化特性。1、NTC热敏电阻NTC热敏电阻研制的较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成的。如锰、钴、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成，其标辰阻值（25℃）视氧化物的比例，可以从0.1Ω至几兆欧范围内选择。2、PTC热敏电阻典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡中掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界点温度。它的温度—电阻特性呈非线性，如图2-7着的曲线4所示。它在电子线路中多起限流、保护作用。当流过PTC的电流超过一定限度或PTC个感受到的温度超过一定限度时，其电阻值突然增大。例如，电视机显像管的消磁线圈上就串联了一只PTC热敏电阻。大功率的PTC型陶瓷热电阻还可以用于电热暖风机。当PTC的体温达到设定值（例如210℃）时，PTC的阻值急剧上升，流过PTC的电流减小，使暖风机的温度基本恒定于设定值上，提高了安全性。近年来还研制出掺有大量杂质的Si单晶PTC。它的电阻变化接近向性，其最高工作温度上限约为140℃左右。2.2.2结构及外形热敏电阻可根据使用要求封装加工成各种形状的探头，如圆片型、柱型、珠型、铠装型、薄膜型、厚膜型等，如图2.2-2所示。图2.2-2热敏电阻的外形、结构及符号a)圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）参考文献1黄素逸．动力工程现代测试技术.华中科技大学出版社，20012王芳．热电阻式温度传感器的测温原理与应用．黑龙江冶金，2007（2）：33~353刘振全，王汉芝．金属热电阻温度传感器在多路温度监控系统中的应用．传感器世界，2006（12）4张志刚，胡胜川．工业过程温度测量－热电偶热电阻温度传感器的主要技术指标．医药工程设计杂志，2005（3）:37~405唐新平，赵金，万椒芸．温度信号采集处理及控制系统设计．自动化与仪器仪表，2000，20(5)：12—14