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传感器


第二章,第2~4节
第二节 第三节 测温热电阻传感器 气敏电阻传感器

目录
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第四节

湿敏电阻传感器

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第一节


温度测量的基本概念

一、温度测量的基本概 温

度标志着物质内部 大量分子无规则运动的 剧烈程度。温度越高,

表示物体内部分子热运
动越剧烈。

模拟图:在一个密闭的空间里,气体分子在高 温时的运动速度比低温时快!
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二、温标
1、温度的数值表示方法称为温标。它 规定了温度的读数的起点(即零点)以 及温度的单位。各类温度计的刻度均由 温标确定。 2、国际上规定的温标有:华氏温标、 摄氏温标、热力学温标等。
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华氏温标:1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)发明了水银 温度计,并以氯化铵和冰水的混合物温度为0度,人体的温度 为100度,从0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100等份, 每一份为1度,称为1华氏度,记作(1℉)。水的冰点为32℉ , 沸点为212℉ 。 ? 摄氏温标:1740年瑞典人摄尔修斯(Celsius)提出在标准 大气压下,把水的冰点规定为0度,水的沸点规定为100度。从 0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100等份,每一份为1度, 称为1摄氏度,记作(1℃)。
9 T ? t ? 32 5
T 为华氏温度值;t 为摄氏温度值。
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热力学温标(K)
热力学温标是建立在热力学第二定 律基础上的最科学的温标,是由开 尔文(Kelvin)根据热力学定律提 出来的,因此又称开氏温标。它的 符号是T,单位是开尔文(K) 该温标为了在分度上和摄氏温标相 一致,把理想气体压力为零时对应 的温度——绝对零度(在实验中无 法达到的理论温度,低于0K的温度 不可能存在)与水的三项点温度分 成273.16份,每份为1K (Kelvin) 。

威廉· 汤姆逊· 开尔文勋爵像
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几种温标的对比
正常体温 为37 ?C , 相当于华 氏温度多 少度?

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三、温度测量及传感器分类
温度传感器按照用途可分为基准温度计和 工业温度计;按照测量方法又可分为接触式和 非接触式;按工作原理又可分为膨胀式、电阻 式、热电式、辐射式等等;按输出方式分,有

自发电型、非电测型等。

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介绍几种温度测量方法

示温涂料(变色涂料) 装满热水后图案
变得清晰可辨
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变色涂料在电脑内部温度中的示温作用
温度升高后变为红色

CPU散 热风扇
低温时显示 蓝色

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体积热膨 胀式

不需要电源,耐用;但 感温部件体积较大。

气体的体积与 热力学温度成正比
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红外温度计

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温度传感器应满足的条件:
?特性与温度之间的关系要适中,并容易检测和处理, 且随温度基本呈线性变化; ?除温度以外,特性对其它物理量的灵敏度要低; ?特性随时间变化要小; ?重复性好,没有滞后和老化; ?灵敏度高,坚固耐用,体积小,对检测对象的影响要 小; ?机械性能好,耐化学腐蚀,耐热性能好; ?能大批量生产,价格便宜; ?无危险性,无公害。
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第二节

测温热电阻传感器

本节介绍金属热电阻、热敏电阻

的原理、结构、分类、测量转换电路
及应用等,介绍了三线制测量电路。

测温热电阻传感器的分类
测温热电阻可分为金属和半导体两大类。

一、金属热电阻的正温度系数
温度升高,金属内部原子晶格的振动加剧, 从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的 阻碍增大,宏观上表现出电阻率变大,电阻值 增加,称其为正温度系数,即电阻值与温度的 变化趋势相同。

金属丝电阻随温度增高而变大的演示
取一只 100W/220V 灯泡,用万用表测量其电阻值, 可以发现其冷态阻值只有几十欧姆,而计算得到的额 定热态电阻值应为484Ω。请说明钨丝的温度系数的正 负。

U 2 2202 R? ? ? 484? P 100

超导现象
1911年,荷兰物理学家昂内斯(Kamerlingh Onnes)在用液氦将汞的温度降到4.2K时, 发现汞的电阻降为 零。昂内斯将这种 现象称为物质的超 导性。后来昂内斯 和其他科学家陆续 发现了其他一些金 属也是超导体。昂 内斯因为这项重大 发现而获得1913年 的诺贝尔物理学奖。
超导磁悬浮

易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻





制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性 好、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容 易等特点。

金属热电阻材料的主要技术性能

热电阻的阻值Rt与温度t的关系表达式
式中 R t ——热电阻在t时的电阻值; R0——热电阻在0℃时的电阻值; A、B、C、D——温度系数
R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4)

热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。在规 定的测温范围内,根据国际电工委员会(IEC)颁布的 分度表数值,列出每隔10℃的Rt电阻值,这种表格称为 热电阻分度表,见附录C。 在工程中,若不考虑线性度误差的影响,有时也可以 利用温度系数α来近似计算热电阻的阻值Rt。即: R t =R0(1+αt)。

学习查“铂热电阻分度表”
附录 铂热电阻分度表

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铂热电阻在0℃时的阻值为_____Ω ,与型号有何关系? 100℃时的阻值为_____Ω ,200℃时的阻值为_____Ω , 说明该Pt100是否线性?在理想线性的情况下,200℃ 时的阻值应为_____Ω 。

136.50

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二、热电阻的结构
热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。 热电阻的感温体必须防止有害气体腐蚀,尤其是铜热电阻还要 防止氧化。水分浸入会造成漏电,直接影响阻值。所以工业用热电 阻都有玻璃、陶瓷或金属保护套管,其外形及结构和工业用热电偶 相似。

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金属材料制备的热电阻,电 阻体通常是采用无感绕法将双线 电阻丝绕在用石英、云母陶瓷和 塑料等材料制成的骨架上。 无感绕法: 先将金属丝对折起来缠绕在骨架上,使两个端头都处于支 架的同一端。这种绕法没有电感,即使用在交流电桥里也只有 纯电阻作用。还可防止外界交变磁场在热电阻上形成感生电势, 而且也便于向外引线。

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装配式铂热电阻

接线盒

0℃时的电阻为100Ω

薄膜式铂热电阻
在真空清洁室中,将铂 金属喷射在陶瓷体上,然 后用激光进行光刻和阻值 的微调,再焊接两根引线。 在铂金上涂上一层特殊的 绝缘玻璃层。薄膜热电阻 的响应时间只需几秒。 Pt1000薄膜热电阻在0℃
时的电阻为1kΩ, 最大工作电流小于0.3mA。

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防爆式铂热电阻

坚实的外壳起“隔爆”作用, 工作电流控制在安全范围。

铠装式铂热电阻

1-接线盒 2-引出线密封管 3-法兰盘 4-柔性外套管(可达百米) 5-测温端部

三、热电阻的测量转换电路
用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电 桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热 电阻的引线对测量结果有较大的影响。

热电阻 现场
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显示仪表

控制室
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测温热电阻分类 可分为金属和半导体两大类,其电路符号如下图 所示:

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热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种,如图所示:

电阻体

电阻体

电阻体

二线制

三线制

四线制

二线制:引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高的场合。 三线制:可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境 温度变化所引起的测量误差。 四线制:可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度 检测。
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金属热电阻的测量转换电路
方案一:二线制电桥测量电路

R1为铂热电阻,R2、R3、R4为锰铜精密电阻(固定电 阻)。电桥的调零在0℃的情况下进行。热电阻Rt被安装 在测温点上,然后用连接导线连接到电桥的接线端子上。 引线电阻r1a、r1b及其随长度和温度的变化将引起测量误 差。

方案二:四线制恒流测量电路
恒流源Ii的恒定 激励电流流过Rt, 在R t上产生降压 Uo=Ii R t。输出电 压Uo的变化量ΔUo 与被测温度变化引 起的电阻变化量 ΔR成正比。 由于输出电压是直接从Rt两端引出的,所以激励电流 Ii在r1a 、r1b 上的压降就不被包括到Uo 中,因此可以克服 引线电阻的影响。本底电压Uo0 所占比例较大,而反映 温度变化的ΔUo相对较小,降低了系统的分辨力。

方案三:三线制电桥测量电路

1-连接电缆 2-屏蔽层 3-恒流源 4-法兰盘安装孔 RP1-调零电位器 RP2-调满度电位器

三线制电桥特点
采用三线制单 臂电桥可以消除 和减小引线电阻 的影响。热电阻 R t用三根导线①、 ②、③引至测温 电桥。 其中两根引线的内阻(r1、r4)分别串入测量电桥相 邻两臂的R1、R4上,(R1+r1)/R2=(R4+r4)/R3。引线的长度 变化不影响电桥的平衡,所以可以避免因连接导线电阻 受环境影响而引起的测量误差。

四、热电阻传感器应用?
热电阻式流量计?
采用铂热电阻测量气体或液体流量的原理电路如图 2.15所示。热电阻Rt1的探头放在气体或液体通路中, 而另一只热电阻Rt2的探头则放置在温度与被测介质 相同,但不受介质流速影响的连通室内。?

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E
R1 A Rw2

S Rw1

Rw2是

电位器。

如果把Rt1与Rt2换成铜丝,
Rt2

会产生

问题。

Rt1

v

图2.15 热电阻式流量计原理电路
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二、热敏电阻传感器(简称热敏电阻)
热敏电阻分类: 负温度系数 (NTC,Negative Temperature Coefficient ) 正温度系数 (PTC,Positive Temperature Coefficient ) NTC又可分为两大类:

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NTC热敏电阻的 材料与特性
以锰、钴、镍和铜等金属 氧化物为主要材料, 采用陶瓷 工艺制造而成。在低温时,这 些氧化物材料的载流子(电子 和空穴)数目少,所以其电阻值 较高。随着温度的升高,载流 子数目增加,所以电阻值降低。 电阻率和温度系数随材料成 分比例、烧结温度和结构状 态不同而变化。

现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代 表的非氧化物系列NTC热敏电阻材料。

NTC又可分为两大类:
第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系,因此 可用于测量温度:

RT ? R0e

1 1 ? B( ? ) T0 T

第二类为突变型(CTR)。当温度上升到 某临界点时,其电阻值突然下降 ,可用于控 制温度或抑制浪涌电流 。

PTC热敏电阻
在钛酸钡里掺杂其它的多晶陶瓷材料,压制成圆片等 形状, 烧结而成PTC热敏电阻,属于临界温度型(CTR)。 当温度上升到某临界点时,其电阻值突然上升,可用于电 路的限流、过载保护。大功率PTC还可用作暖风机中的 加热元件。

恒温加热用PTC热敏电阻

下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻?

例:热敏电阻的特性曲线如下图曲线2,
R0=1MΩ, t0=25℃,B=4000,

求:100 ℃时的电阻值
1 1 ? ) T0 T

RT ? R0e

? B(

1 1 ? ) T0 T

解:T=273+100=373K(开氏)

RT ? R0e

? B(

? 1? e

?4000(

1 1 ? ) 298 373

? 0.067 M ? ? 67 k ?
结论:NTC在100 ℃时的阻 值大约只有25 ℃时的 (1/15) 。

热敏电阻的外形、结构及符号

a)圆片形 b)柱形 c)珠形 d)铠装型 e)厚膜型 f)贴片式 g)图形符号 1-热敏电阻 2-玻璃外壳 3-引出线 4-纯铜外壳 5-传热安装孔

热敏电阻外形

NTC热敏电 阻

聚脂塑料封装热敏电阻

玻璃封装 大功率PTC热敏电阻
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带安装孔的热敏电阻

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3、热敏电阻的应用

1)热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD
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热敏电阻电子体温表

热敏电阻电子体温表的调试、标定方法
调试时,应该 先调哪一只电位 器,再调哪一只 电位器? 使用分隔刻度 为0.1℃的高准 确度温度计,校 验本设计刻度中 其他各点是否准 确,并用单片机 进行线性化显示.
a)桥式电路 b)调频式电路 c)数字式体温表 1-热敏电阻 2-指针式显示器 3-调零电位器 4-调满度电位器

热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器
多谐振荡器又称为矩形波发生器。

1 f ? 2 RC
f Rt f

去计算机的 计数器

例:热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器如 下图所示,C=0.001μF,被测温度从0℃增加到 100℃时,Rt从1MΩ减小到67kΩ, 求:多谐振荡器的频率变化范围。 解:f 0℃≈1/(2R 0℃ ?C) = 1/(2×1×106×0.001×10-6)=500Hz f 100℃≈1/(2R100℃ C)= 1/(2×67×0.001) ≈7.5kHz
f Rt f
t

(2)晶体管特性的温度补偿
当温度升高时,晶体管集电极 电流Ic增加,同时 热敏电阻(NTC)的 阻值减小 ,晶体管基极电位Ub下降,引 起电流Ib,抑制了Ic增加,从 而起到了稳定晶体管静态工
Rt R1 Rc 输出 Vcc

R2

RE

作点的作用。

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热敏电阻用于继电器控制
在电动机的定子绕组中嵌入负温度突变型热 敏电阻,并与继电器串联。当电动机过载时定 子电流增大,引起发热。当温度大于突变点时, 电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十 毫安,因此继电器动作,触发电动机保护电路, 从而实现过热保护。

由以上分析可知,必须使用负温度系数的突变型热 敏电阻与继电器串联。温度突变点应略高于电动机最 高工作壳温。KA为续流二极管。

热敏电阻用于自恢复熔断器
高分子聚合物正温度热敏电阻是由聚合物与导电晶粒 等所构成。导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当 正常工作电流通过(或元件处于正常环境温度)时,自 复熔断器呈低阻状态。 当电路中有异常过电流, 或环境温度超过额定值时, 热量使聚合物迅速膨胀,切断 导电粒子所构成的导电通路, 自恢复熔断器呈高阻状态; 当电路中过电流(或超温状态) 消失后,聚合物冷却,体积恢 复正常, PTC中的导电粒子又重新构成导电通路。

第三节

气敏电阻传感器

气敏电阻可以把某种气体的成分、浓度等参 数转换成电阻变化量,再转换为电流、电压信 号。 气敏电阻品种繁多,主要有可测量还原性气 体和测量氧气浓度的两大类。

一、还原性气体传感器
在化学反应中,还原性气体给出电子。 还原性气体多数属于可燃性气体,例如石油蒸气、 酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或 Fe2O3等金属氧化物粉料烧结而成的半导体器件。

MQN型气敏电阻结构及测量电路
1-电极引脚 2-塑料底座 3-烧结体 4-不锈钢网罩 5-加热电极 6-工作电极 7-加热回路电源 8-测量回路电源

MQN型气敏电阻结构(续)
MQN型气敏半导体器件的烧结体中,有两组
铂丝。一组铂丝为测量电极,另一组(上图中 的左边铂丝)为加热电极兼测量电极。 气敏电阻工作时必须加热到200?300℃,其目 的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并 烧去气敏电阻表面的污物(起清洁作用)。

气敏电阻外形
在不同工作温度时,气敏电阻对不同的气体灵敏度不同.

各种可燃性气体传感器

气敏半导体的灵敏度特性曲线
气敏电阻在被测 气体浓度较低时有 较大的电阻变化, 而当被测气体浓度 较大时,其电阻率 的变化逐渐趋缓, 有较大的非线性。 这种特性较适用于 气体的微量检漏、 浓度检测或超限报 警。

燃料电池式酒精测试仪
酒精蒸汽含量检测设备有五种基本类型: 燃料电池型(电化学)、金属氧化物型 、光学型 (红外线型 、气体色谱分析型、比色型)。 一次性呼气管

燃料电池酒精传感器 采用铂丝作为电极,在 催化剂作用下,能使进 入燃烧室内的酒精产生 无焰燃烧,两电极间的 输出电压与进入燃烧室 内的酒精浓度成正比。

家庭用煤气报警器

家庭用液化气报警器

一氧化碳传感器

有毒气体传感器 煤矿瓦斯报警器

NH3传感器

有毒气体传感器的使用

二、

二氧化钛氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛(TiO2)属于N型半导体,对 氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧 气浓度。当周围氧气浓度较大时,氧原子进入二氧化 钛晶格,改变了半导体的电阻率,使其电阻值增大。

用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器 结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿 热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减 小时,RTiO2的阻值减小,Uo增大。 与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿 作用。当环境温度升高时,TiO2气敏电阻的阻值会 逐渐减小,只要Rt也以同样的比例减小,根据分压 比定律,Uo不受温度影响,减小了测量误差。

TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路

a)结构

b)测量转换电路

1-外壳(接地)2-安装螺栓 3-搭铁线 4-保护管5—补偿电阻 6-陶瓷片 7-TiO2氧敏电阻 8-进气口9-引脚

氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量

汽车尾气分析

第四节

湿敏电阻

绝对湿度:是指大气中水汽的密度,即每一 立方米大气中所含水汽的质量(克数)。 相对湿度(RH%):是大气中实有水汽压与 当时温度下饱和水汽压的百分比,是日常生活 中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达 100%时,称饱和状态。 湿敏电阻的原理:水分子极易吸附于固体表 面并渗透到固体内部,引起半导体的电阻值降 低,因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸 湿材料制作湿敏电阻。

相对湿度(RH)
式中 e——空气的水气分压; E——同一温度下的饱和水气压
e RH ? ?100% E

由于饱和水气压E随着气温的升高而增加,所 以相对湿度是温度的函数。例如,在20℃、一 个大气压下,1m3的大气中,只能存在17g的水 气,此时的RH为100%。若同样条件下的绝对 湿度降为8.5g/m3,则RH就只有50%。在上述绝 对湿度下,将气温降至10℃以下时,RH又可能 接近100%。

湿度传感器的分类

水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害

湿度对电子元件的影响
当环境的相对湿度增大时,物体表面就会 附着一层水膜,并渗入材料内部。这不仅降 低了绝缘强度,还会造成漏电、击穿和短路 现象;潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起 有机材料的霉烂。

露点
降低温度 会产生结露 现象。露点 与农作物的 生长有很大 关系,结露 也严重影响 电子仪器的 正常工作, 必须予以注 意。

测量露点的仪器

金属氧化物陶瓷湿度传感器
金属氧化物陶瓷湿度传感器属于电阻型湿敏多孔陶 瓷材料,如LaO2-TiO2、SnO2-Al2O2-TiO2、La2O2TiO2-V2O5、TiO2-Nb2O5、MnO2-Mn2O3、NiO等。 1-引线 2-多孔性电极 3-多孔陶瓷 (MgCr2O4-TiO2) 4-底座 5-镍铬加热丝 6-外壳 7-引脚 8-气孔 e -图形符号

湿敏电阻传感器
封装后的外形

电子湿度计模块

电子式温湿度计

用于标定相对湿度仪表的干湿球湿度计

干球

湿球 干湿球湿度计外形及原理


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