传感器原理与检测技术(第四章)

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1、第四章热电式传感技术通过本章的学习，应了解热电式传感器的基本原理，掌握热敏电阻、热电开关、铂电阻、铜电阻、热电偶、温敏二极管、温敏三极管和集成温度传感器等的结构、特性及使用方法。热电式传感技术是将温度变化转换为电量变化的一种技术，它所利用的传感元器是热电式传感器，其应用范围最广。如家电、医疗、国防、科研、航天航空技术、工业生产等领域，凡是需要调温、控温、测温的地方都要用到它。这里主要介绍几种常用热电式传感器的结构、原理、特性及应用。第一节热敏电阻它是用半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，它能直接将温度的变化转换为电量的变化。可测温度的范围为-50℃～350℃。热

2、敏电阻的体积小、寿命长、价格低(人民币1元钱左右)，它广泛用于需要进行温度控制的领域，如冰箱、空调、锅炉、汽车、工农业、医疗等各种检测仪表。1．热敏电阻的结构形式热敏电阻由金属（如钴、锰、镍等）的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，其结构形式如下图所示。它主要由热敏元件、引线和壳体组成。1.玻璃壳2.热敏电阻3.引线热敏电阻结构形式2．热敏电阻的温度特性按电阻随温度变化的典型特性可分为：负电阻温度系数(NTC)和正电阻温度系数(PTC)热敏电阻及在某一特定温度下电阻值将发生突变的临界温度电阻(CTR)。特性曲线见右图。从图中

3、看，CTR型热敏电阻作温控开关十分理想，但在测温中，主要采用NTC或PTC型热敏电阻，且以使用NTC型热敏电阻最多。热敏电阻的特性曲线3.热敏电阻的阻值与温度的关系NTC型热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为：RT、R0分别为温度T、T0(K)时的阻值；B为热敏电阻的材料常数，一般B=2000K～6000K，高温使用时，B值将增大。定义热敏电阻的温度系数则:可见温度系数随T降低迅速增大，它决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。其测温灵敏度比金属丝高很多。但需进行线性化处理。4.热敏电阻输出特性的线性化处理热敏电阻值随温度变化呈指数变化，当用它测温时，应进行线性化处理。常用的处理方法有

4、：线性化网络和计算修正法及利用温度－频率转换电路改善非线性输出。(1)线性化网络它是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度的线性关系将得到一定的改善。下图是两种最简单的线性化方法。常用线性化网络(2)．计算修正法由于大部分传感器的输出特性都存在非线性问题，因此，实际使用时都必须对这种现象进行线性化处理，其处理方法有硬件(电子线路)法和软件(程序)法两种。在带有微处理器的测量系统中，可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在微处理器系统的E2PROM中，微处

5、理器将根据热敏电阻的实际输出值进行修正后给出正确的输出值。(3)利用温度－频率转换电路改善非线性输出该电路实际上是利用RC电路充放电过程的指数函数和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性输出。5．热敏电阻的应用热敏电阻主要用作检测元件和电路元件。1．热敏电阻用作检测元件它在温度计、温度差计、温度补尝、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、液位报警、液位检测、流速计、流量计、气体分析仪、气体色谱仪、真空计、热导分析、风速计、液面计等仪器仪表中用作检测元件。2．热敏电阻用作电路元件它在偏置线圈的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿、恒压电路

6、、延迟电路、保护电路、自动增益控制电路、RC振荡电路、振幅稳定电路等电路中用作电路元件。第二节热电开关热电开关是采用两种不同特性的材料构成的热敏传感器，该传感器具有温控开关特性，因此，又称热电开关或温控开关。热电开关常有双金属片和陶铁磁体式两种，它们广泛应于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器的恒温控制器中。一、双金属片式热电开关它的双金属片由两种膨胀系数不同的金属片轧制或锻压在一起形成。双金属片在常温时是平直的，受热后，膨胀系数大的金属片伸长较多，而膨胀系数小的金属片伸长较少，因此，双金属片向膨胀系数小的一面弯曲变形。温度越高，弯曲越大，当温度下降时，双金属片又逐渐回弹，直至常温时又恢复原

7、平直状态。根据双金属片的这一温度特性，便可将其制成各种电器常用的温度控制装置。1．双金属片的弯曲特性双金属片的弯曲程度(偏位的大小)，可参照下列公式算出：D为偏位大小；K为双金属片的特性常数；(T2-T1)为温度的变化；l为双金属片长度；h为双金属片厚度。双金属片减薄厚度和增加长度可提高灵敏度。2．双金属片的材料构成双金属片的材料构成如下表所示。3．双金属片热电开关的类型类型有常开式(两个触头的接点在没达到规定温度点时是断开的)、常闭式(两个触