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1、4 热敏传感器热敏传感器本节主要包括两部分：本节主要包括两部分：一、热电式测温传感器；一、热电式测温传感器；二、热敏电阻；二、热敏电阻；一、热电式测温传感器一、热电式测温传感器（一）工作原理（一）工作原理 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成闭合回路 上述两种不同导体的组合称为热电偶，其中导体A、B为热电极，一个为工作端或热端（T）；另一叫自由端或冷端（T0）。当两接点温度不等（TT0）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流。这一现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。热电势由接触电势和温差电势组成k0波尔兹曼常数，k0 1.381023J/K8.62105eV/K;T,T0
2、接触处的绝对温度（K）；NA,NB材料A、B地自由电子密度；e电子电荷量，e1.6021019C。l温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。的一种热电势。l热电偶回路中的总电势主要是由接触电势引起的。热电偶回路中的总电势主要是由接触电势引起的。l总电势为：总电势为：结论：结论：1、若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何，总热电势为零。2、若热电偶两接点温度相同，尽管A、B材料不同，回路中总电势等于零。3、热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极，其温度和电势的关系是一样的。因此，热
3、电极材料相同的热电偶可互换。4、热电偶A、B在接点温度为T1、T3时的热电势，等于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和，即：5、当热电极A、B选定后，热电势EAB（T,T0）是两接点温度T 和T0的函数，即：(二二)热电偶中引入第三导体热电偶中引入第三导体 在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C，只要引入的第三导体两端温差相同，则此导体的引入不会改变总电势EAB（T,T0）的大小第三导体不宜采用与电极热电性质相差很远的材料(三三)标准热电极标准热电极通常用纯铂（通常用纯铂（Pt）作为标准热电极）作为标准热电极(四四)热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度
4、误差及其补偿 热电偶的输出电压与温度成非线性关系，通过对应分度表，即可查得所测的温度 补偿措施：1、0恒温法恒温法2、冷端恒温法、冷端恒温法在回路在中加入相应的修正电压 四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻（RCu）（其值随温度变化）。如下图所示取T0=20时电桥平衡（R1=R2=R3=RCu）3、冷端补偿器法、冷端补偿器法5.补正系数修正法补正系数修正法 设冷端温度为设冷端温度为tn，工作端测得温度场的温度为，工作端测得温度场的温度为t1，其实际，其实际温度为：温度为：4、采用不需要冷端补偿的热电偶、采用不需要冷端补偿的热电偶 镍钴镍铝热电偶在镍钴镍铝热电偶在300以
5、下，镍铁镍铜热电偶在以下，镍铁镍铜热电偶在50 以下，镍铑以下，镍铑30铂铑铂铑6热电偶在热电偶在50 以下的热电势均以下的热电势均非常小。非常小。热电偶补正系数热电偶补正系数(五五)常用热电偶的特性常用热电偶的特性(六六)热电偶的测量电路热电偶的测量电路 热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微伏（伏（V），要求测量用的运算放大器的漂移必须），要求测量用的运算放大器的漂移必须很小，有关元件也需要认真选择。很小，有关元件也需要认真选择。K型热电偶测量电路型热电偶测量电路K型热电偶的非线性误差型热电偶的非线性误差线性校正电路有多种实现方法，这里介绍一下高次
6、多项式线性校线性校正电路有多种实现方法，这里介绍一下高次多项式线性校正电路的实现。正电路的实现。热电偶的温差电势：热电偶的温差电势：其中其中T为温度，为温度，a0、aN为系数为系数可由切比雪夫（可由切比雪夫（Chebyshev）展开式求得）展开式求得集成模拟乘法器能完成这一功能，用AD538构成校正电路，得：AD538的特性参数（的特性参数（Us=+15V,Ta=25）注：使用低于注：使用低于13V电源电压时，把电源电压时，把10V基准电压脚接至基准电压脚接至2V基准电压脚基准电压脚AD538的内部结构框图的内部结构框图K型热电偶线性校正电路型热电偶线性校正电路有校正电路后只有约的非线性误差有
7、校正电路后只有约的非线性误差K型热电偶校正前后温度误差特性分析型热电偶校正前后温度误差特性分析二、热敏电阻二、热敏电阻优点优点:灵敏度高灵敏度高,温度变化温度变化1,阻值变化阻值变化(16)%体积小体积小 使用方便使用方便缺点缺点:非线形非线形元件稳定性和互换性差元件稳定性和互换性差（一）热敏电阻结构和材料（一）热敏电阻结构和材料电路符号电路符号:结构结构:1.热敏探头热敏探头2.引线引线3.壳体壳体外形：外形：a.圆片型 b.薄膜型 c.杆型 d.管型e.平板型 f.珠型 g.扁圆形 h.垫圈型i.杆型（金属帽引出）材料：材料：常见材料：金属氧化物半导体常见材料：金属氧化物半导体 Mn3O4
8、、CuO、NiO、Co3O4、Fe2O3、TiO2、MgO、V2O5、ZnO等两种或两种以上材料进行：等两种或两种以上材料进行：混合成型烧结混合成型烧结电阻率电阻率和材料常数和材料常数B决定（二）基本参数（二）基本参数1.标称阻值标称阻值 25时的阻值时的阻值 (25 0.2)(环境环境25 27)25:25 电阻温度系数电阻温度系数2.材料常数材料常数B(K)E:激活能激活能 3.电阻温度系数电阻温度系数t4.时间常数时间常数（s）热敏电阻随温度变化从起始到最终变化量的热敏电阻随温度变化从起始到最终变化量的63.2%所需的时间所需的时间 C:热容量热容量 H：耗散量：耗散量5.耗散系数耗散系
9、数H(mw/)热敏电阻温度变化热敏电阻温度变化1 所消耗的功率所消耗的功率6.最高工作温度最高工作温度Tmax T0：环境温度：环境温度 PE：额定功率：额定功率 H：耗散系数：耗散系数7.额定功率额定功率PE 在规定的技术条件下，长期连续工作的允许的耗散功率在规定的技术条件下，长期连续工作的允许的耗散功率8.测量功率测量功率PC(W)在规定的环境温度下，电阻由测量电流加热而引起阻值变化，在规定的环境温度下，电阻由测量电流加热而引起阻值变化，不超过时所消耗功率不超过时所消耗功率 （三）主要特性（三）主要特性 1.电阻与温度特性电阻与温度特性 负温度系数热敏电阻的特性负温度系数热敏电阻的特性 温
10、度为T、T0时的 热敏电阻负电阻温度系数热敏电阻的材料系数、对数对数:正温度系数热敏电阻的特性正温度系数热敏电阻的特性温度为T、T0时的 热敏电阻正电阻温度系数热敏电阻 的材料系数2.热敏电阻的伏安特性热敏电阻的伏安特性负温度系数热敏电阻的伏负温度系数热敏电阻的伏安特性安特性环境温度0-a:测温b-c:开关c-d:驱动正温度系数热敏电阻的伏安特性正温度系数热敏电阻的伏安特性（四）热敏电阻的测温电路（四）热敏电阻的测温电路非线性非线性 线性线性互换性互换性 一致一致（1）多谐振荡器温度频率转换电路其中：R1、R2构成放大器的再生反馈 R、C组成RC充放电回路 R3为限流电阻正反馈系数：令：所以：
11、通过适当调整两条曲线的通过适当调整两条曲线的形状和位置，可使其在相交点形状和位置，可使其在相交点（T0,R0）附近一定范围内，）附近一定范围内，曲线保持线性（见下图）曲线保持线性（见下图）五五.热敏电阻的应用热敏电阻的应用（1）测温）测温测量原理及电路图测量原理及电路图（2）温度补偿）温度补偿利用热敏电阻器利用热敏电阻器Rt补偿晶体管静态工作点的变化补偿晶体管静态工作点的变化（3）温度控制）温度控制继电器电流随时间变化特性继电器电流随时间变化特性环境温度与产生继电效应的关系环境温度与产生继电效应的关系热敏电阻器控温简化电路热敏电阻器控温简化电路（4）流量测定）流量测定用用PTC热敏电阻器测量液
12、体或气体流速电路热敏电阻器测量液体或气体流速电路广州日成高电子科技有限公司广州日成高电子科技有限公司 PTC热敏电阻器热敏电阻器 1.应用范围：应用范围：电子镇流器（节能灯、电子变压器、万用表、智能电度表）等的过流过热保护，直接串联在负载电路中，在线路出现异常状况时，能够自动限制过电流或阻断电流，当故障排除后又恢复原态，俗称“万次保险丝”。2.特点：特点：无触点的电路及元器件保护，自动限制过电流，故障排除后自动恢复，工作时无噪音无火花，工作可靠、使用方便 3.应用原理：应用原理：将MZ12A型PTC热敏电阻器串联在电源回路中，当电路处于正常状态时，流过PTC的电流小于额定电流，PTC处于常态，
13、阻值很小，不会影响电子镇流器（节能灯、变压器、万用表）等被保护电路的正常工作。当电路电流大大超过额定电流时，PTC陡然发热，阻值骤增至高阻态，从而限制或阻断电流，保护电路不受损坏。电流电流回复正常后，PTC亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。（5）实例分析）实例分析特点：特点：将高精度、高可靠的NTC热敏电阻器与PVC导线连接，用绝缘、导热、防水材料封装成所需要的形状，便于安装与远距离测控温。广州日成高电子科技有限公司广州日成高电子科技有限公司精密型精密型NTC温度传感器温度传感器热电偶实例热电偶实例要求要求掌握：掌握：接触电势和温差电势；接触电势和温差电势；热电偶冷端温度误差及其补偿；热电偶冷端温度误差及其补偿；热敏电阻的基本参数；热敏电阻的基本参数；热敏电阻的测温电路；热敏电阻的测温电路；了解：了解：热电偶测量电路；热电偶测量电路；热敏电阻的结构与材料；热敏电阻的结构与材料；热敏电阻的主要特性；热敏电阻的主要特性；热敏电阻的应用；热敏电阻的应用；