4.1热敏材料的特性（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

模块四 温度传感器及其应用 课题一 热敏材料的特性 任务：数字温度计的设计 任务目标 ★掌握常用金属热电阻的工作原理，理解热电阻 传感器的三线制接法； ★ 掌握半导体热敏电阻的工作原理，了解其应用； ★ 掌握热电偶的工作原理、常用的三个基本定律，了解常用热电偶材料特性。 一、温度传感器概述 1、三种温度表示方法 摄氏温标：规定在标准大气压下纯水的冰融点为0℃，水沸点为100℃，中间分100等份，每一等份定义为1℃ ； 华氏温标：规定在标准大气压下纯水的冰融点为32℉，水沸点为212℉，中间分180等份，每一等份定义为1℉； 热力学温标：规定分子运动停止时的温度为绝对零度0K（-273.15 ℃）。水的三相点（纯水、纯冰、水蒸汽共存平衡状态，其温度为0.01℃）为273.16K，每1K的温度间隔与每1℃的温度间隔相等。 2、温度传感器的工作机理 温度传感器一般是利用材料热敏特性，实现由温度到电参量的转换。 3、温度传感器的分类 根据使用方式，温度传感器通常分为直接接触式温度传感器和非接触式温度传感器。 热电阻传感器 、热电偶传感器 、集成温度传感器均属于接触式温度传感器； 红外温度传感器属于非接触式温度传感器。 二、热电阻及热敏电阻传感器 热电阻传感器主要利用金属材料或氧化物半导体材料的电阻 种称热敏电阻，一般统称热电阻。作为测量温度的热电阻材料应具备以下特点： ① 高的温度系数、高电阻率以提高灵敏度及缩小传感器体积。 ② 物理、化学性能稳定，以确保在温度检测范围内其电阻温度特性不变。 ③ 良好的输出特性，即电阻值随温度的变化尽量接近线性。 ④ 良好的加工工艺性。 目前作为热电阻的材料主要有铂、铜、镍、铁等，热敏电阻主要是半导体材料，如钼、镍、钴等氧化物及其烧结体。 1．热电阻 通过试验发现热电阻材料的电阻率与温度的关系近似为 （4-1） 式中 ——温度t时的电阻率； t——温度（℃）； a、b、c——由实验确定的常数。 对于电阻丝 （4-2） 其中 （4-3） 式中， 为线膨胀系数，一般为 数量级。 Rt 与 t 为近似线性关系，据此就可利用这些金属材料来作测温传感器。 在我国作为工业标准的铂电阻温度计，它的电阻和温度的关系如下： 在-200~0℃范围内 在0~850℃范围内 式中 R0——0℃时的热敏电阻阻值； 由于b、c远小于a,可见Rt近似与t近似成线性关系。 由于铂是贵金属，因此工业上常用铜来作为温度传感器材料，在-50~150℃范围内它的电阻和温度几乎成线性。其他如镍、铁等材料电阻温度系数均较高，电阻率也较高，因此也适宜作为测温传感器材料，不过要注意它们的使用温度区间，克服铜﹑铁易氧化等缺点。近年来一些新热电阻材料相继被采用。在具体选用何种材料作为温度传感器材料时，主要考虑它的阻温特性﹑灵敏度﹑热容量、稳定性及价格等。我国最常用的铂热电阻有R0=10欧姆和R0=100欧姆两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100；铜热电阻有R0=50欧姆和R0=10欧姆两种，它们的分度号分别为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。 表4-1 常用热电阻材料的特性 热电阻传感器主要用于-200~+500℃的低温温度测量，其主要特点是测量精度高、性能稳定。随着技术的发展，热电阻也可用于低至1~3K高至1000~1300℃的温度测量。 热电阻测温时，需要电源，要求电源是恒流源，或者是恒压源，并且热电阻上的工作电流不能大，否则自热引起温度升高影响结果。在与仪表或放大器连接时主要有三种引线方式：二线制、三线制、四线制。 二线制： 在热电阻的两端各连接一根导线的连接方式叫二线制。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等因素有关，且随环境温度变化，造成测量误差。因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。 三线制： 在热电阻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，热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分。 三线制接法 这种接线方法如图4-1（a）所示，将一根导线接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上。这种方法可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中最常用的接线方法。 四线制： 在热电阻根部的两端各连接两根导线的方式称为四线制。接线方法如图4-1（b）所示，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把Rt转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。这种引线方式可完全消除引线电阻影响，主要用于高精度的温度