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1、会计学1热敏电阻传感器最终热敏电阻传感器最终2初识热敏电阻传感器初识热敏电阻传感器篇篇第1页/共40页3一一 认识热敏电阻认识热敏电阻第2页/共40页4热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的随温度变化而变化的性质制成的。在在温温度度传传感感器器中中应应用用最最多多的的有有热热电电偶偶、热热电电阻阻（如如铂铂、铜铜电电阻阻温温度度计计等等）和和热热敏敏电电阻阻。热热敏敏电电阻阻发发展展最最为为迅迅速速，由由于于其其性性能能得得到到不不断断改改进进，稳稳定定性性已已大大为为提提高高，在在许许多多场场合合下下（-40350）热热敏敏电电阻
2、阻已已逐逐渐渐取取代代传传统统的的温温度度传传感器。感器。第3页/共40页5 早在1837年人们就发现Ag2S的电导率随温度的改变而变化这一现象。最早用来制造热敏电阻的是VO2，美国贝尔实验室早在1940年左右利用Mn、Co、Ni、Cu等金属氧化物研制出工艺简单、性能良好的热敏电阻器。第4页/共40页6二、热敏电阻的结构和二、热敏电阻的结构和特点特点玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线（a a）珠状）珠状）珠状）珠状（b b）片状）片状）片状）片状（c c）杆状）杆状）杆状）杆状（d d）垫圈状）垫圈状）垫圈状）垫圈状金属氧化物：钴金属氧化物：钴金属氧化物：钴金属氧化物：钴CoCo、锰、锰、锰
3、、锰MnMn、镍、镍、镍、镍NiNi等的氧化物等的氧化物等的氧化物等的氧化物采用不同比例配方、高温烧结而成。采用不同比例配方、高温烧结而成。采用不同比例配方、高温烧结而成。采用不同比例配方、高温烧结而成。第5页/共40页7热敏电阻的特点热敏电阻的特点1 1灵灵敏敏度度高高。通通常常温温度度变变化化11阻阻值值变变化化约约1%1%6%6%，电电阻阻温温度度系系数数的的范范围围甚甚宽宽，绝绝对值比一般金属电阻大对值比一般金属电阻大1010100100倍。倍。2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好3 3阻阻值值在在1110M10M之之间间可可供供自自由由选选择择，使用方便。使用方便。4 4稳
4、定性好稳定性好5 5原料资源丰富，价格低廉原料资源丰富，价格低廉6.6.主要缺点是其阻值与温度变化呈非线主要缺点是其阻值与温度变化呈非线性关系。原件稳定性和互换性较差。性关系。原件稳定性和互换性较差。第6页/共40页8 三三 热敏电阻的基本参数热敏电阻的基本参数1.1.标称电阻标称电阻R R2525（冷阻）（冷阻）标标称称电电阻阻是是热热敏敏电电阻阻在在2525时时的的阻阻值值。标标称称电电阻阻大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。2.2.材料常数材料常数B BN N表征负温度系数表征负温度系数(NTC)(NTC)材料的物理特性常数。材料的物理特性常数。B BN
5、N值决定值决定于材料的激活能于材料的激活能 E E，B BN N值随温度升高略有增加。值随温度升高略有增加。3.3.电阻温度系数电阻温度系数t(%/)(%/)热热敏敏电电阻阻的的温温度度变变化化1 1 时时其其阻阻值值变变化化率率与与其其值值之比。之比。第7页/共40页94.4.耗散系数耗散系数热敏电阻器温度变化热敏电阻器温度变化11所耗散的功率。所耗散的功率。其大小与热敏电阻的结构、形状以及所其大小与热敏电阻的结构、形状以及所处介质的种类、状态等有关。处介质的种类、状态等有关。5.时间常数时间常数 在零功率测量状态下，当环在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度境温度突变时电阻器的温
6、度变化量从开始到最终变量的变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。时间常所需的时间。时间常数表征热敏电阻加热或冷却数表征热敏电阻加热或冷却的速度。的速度。第8页/共40页106.6.最高工作温度最高工作温度T Tmaxmax 热热敏敏电电阻阻在在规规定定的的技技术术条条件件下下长长期期连连续续工工作作所所允允许的最高温度许的最高温度 7 7 额定功率额定功率PEPE 热敏电阻器在规定的条件下，长期连热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下功率下,它自身温度不应超过它自身温度不应超过TmaxTmax8 8 测量功率测量功率P0P0
7、 热敏电阻器在规定的环境温度下热敏电阻器在规定的环境温度下,受到受到测量电流加热而引起的电阻值变化不测量电流加热而引起的电阻值变化不超过超过0.10.1时所消耗的功率。时所消耗的功率。第9页/共40页11 1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC）Positive Temperature CoefficientPositive Temperature Coefficient 2 2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC）Negative Temperature CoefficientNegative Temperature Coefficient 3 3
8、突变型负温度系数热敏电阻器（突变型负温度系数热敏电阻器（CTRCTR）Chop Temperature ResistorChop Temperature Resistor四四 热敏电阻的分类热敏电阻的分类 第10页/共40页12走进热敏电阻传感器的世界篇走进热敏电阻传感器的世界篇 热敏电阻的特性热敏电阻的特性第11页/共40页13（一）热敏电阻器的电阻（一）热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性（R RT TT T）12340601201600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲温度特性曲线线1-NTC；2-CTR；3PTCTT与与RT
9、T特特性曲线一致。性曲线一致。T/第12页/共40页14R RT T、R RT0T0温度为温度为T T、T T0 0时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值；B BN N NTC NTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。由由测测试试结结果果表表明明，不不管管是是由由氧氧化化物物材材料料，还还是是由由单单晶晶体体材材料料制制成成的的NTCNTC热热敏敏电电阻阻器器，在在不不太太宽宽的的温温度度范范围围（小于（小于450450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。），都能利用该式，它仅是一个经验公式。1 1 负电阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特性热敏电阻器的温
10、度特性NTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：第13页/共40页15为为了了使使用用方方便便，常常取取环环境境温温度度为为25作作为为参参考考温温度度（即即T0=25），则则NTC热热敏敏电电阻阻器器的的电电阻阻温温度度关关系系式：式：02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT/RT0-T特性曲线RT/R25T/第14页/共40页162.2.正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的电阻）热敏电阻器的电阻温度特性温度特性其其特特性性是是利利用用正正温温度度热热敏敏材材料料，在在居居里里点点附附近近结结构构发发生相变引起导
11、电率突变来取得的，典型特性曲线如图生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图104103102100100200PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2第15页/共40页17 正温度系数热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻-温度曲线上有两个拐点，其横坐标即温度分别为TP1和TP2.当温度低于TP1时，温度灵敏度低；当温度升高到TP2后，电阻值随温度升高按指数规律迅速增大。正温度系数热敏电阻在工作温度范围TP1至TP2内存在温度TC，对应有较大的系数T。第16页/共40页18经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻
12、器的电阻阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中式中RT、RT0温度分别为温度分别为T、T0时的电阻值；时的电阻值；BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：若对上式取对数，则得：以以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，得到下图。分别作为纵坐标和横坐标，得到下图。第17页/共40页19）可见：可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp，正好等于它的材料常数正好等于它的材料常数BP的值。的值。lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrln
13、RTT 表示的表示的PTC热敏电阻器电阻热敏电阻器电阻温度曲线温度曲线lnRrT若对上式微分，可得若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数tp第18页/共40页20(NTC)(NTC)电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联并联并联并联 二、热敏电阻的线性化二、热敏电阻的线性化处理处理A第19页/共40页21 串联法串联法ATR第20页/共40页22 并联法并联法TR第21页/共40页23 abcdUmU0I0ImU/V
14、I/mANTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性 二、热敏电阻器的伏安特性（二、热敏电阻器的伏安特性（U UI I）表表示示加加在在其其两两端端的的电电压压和和通通过过的的电电流流，在在热热敏敏电电阻阻器器和和周周围围介介质质热热平平衡衡（即即加加在在元元件件上上的的电电功功率率和和耗耗散散功功率相等）时的互相关系。率相等）时的互相关系。1.1.负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性该该曲曲线线是是在在环环境境温温度度为为T0时时的的静静态介质中测出的静态态介质中测出的静态UI曲线曲线.热热敏敏电电阻阻的的端端电电压压UT和和通通过过它它的电
15、流的电流I有如下关系：有如下关系：T0环境温度；环境温度；T热敏电阻的温升。热敏电阻的温升。第22页/共40页24 上上图表明：当电流很小时，元件的功耗小，电流不图表明：当电流很小时，元件的功耗小，电流不足以引起热敏电阻发热，元件的温度基本上就是环足以引起热敏电阻发热，元件的温度基本上就是环境的温度境的温度T T0 0在这种情况下，热敏电阻相当于一个固在这种情况下，热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电阻之间的关系符合欧姆定律，所定电阻，电压与电阻之间的关系符合欧姆定律，所以以OaOa段为线性工作区域。随着电流的增加，热敏电段为线性工作区域。随着电流的增加，热敏电阻的耗散功率增加，使工作电流引起
16、热敏电阻的自阻的耗散功率增加，使工作电流引起热敏电阻的自然温升超过介质温度，则热敏电阻的阻值下降。当然温升超过介质温度，则热敏电阻的阻值下降。当电流继续增加时，电压的增加却逐渐缓慢，因此出电流继续增加时，电压的增加却逐渐缓慢，因此出现非线性正阻区现非线性正阻区abab段。当电流为段。当电流为ImIm时，其电压达到时，其电压达到最大最大UmUm。若电流继续增加，热敏电阻自身加温更剧。若电流继续增加，热敏电阻自身加温更剧烈，使其阻值迅速减小，其阻值减小的速度超过电烈，使其阻值迅速减小，其阻值减小的速度超过电流增加的速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增流增加的速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加而
17、降低，形成加而降低，形成cdcd段负阻区。当电流超过某一允许段负阻区。当电流超过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。值时，热敏电阻将被烧坏。第23页/共40页25电流较小：线性，欧姆定律电流较小：线性，欧姆定律电流较小：线性，欧姆定律电流较小：线性，欧姆定律电流增加：阻值减小、非线性电流增加：阻值减小、非线性电流增加：阻值减小、非线性电流增加：阻值减小、非线性电流较大：阻值减小超过电流增加电流较大：阻值减小超过电流增加电流较大：阻值减小超过电流增加电流较大：阻值减小超过电流增加第24页/共40页26104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性
18、2 2正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性第25页/共40页27 如图所示，它与负温度系数热敏电阻一样，如图所示，它与负温度系数热敏电阻一样，曲线的起始端为直线，其斜率与热敏电阻在环境温曲线的起始端为直线，其斜率与热敏电阻在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过的电流很小时，度下的电阻值相等。这是因为流过的电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻的温度超过环境温度时，引起阻值增大，曲线电阻的温度超过环境温度时，引起阻值增大，曲线开始弯曲，当电压增值开始弯曲，当电压增值UmUm时，存在一个电
19、流最大时，存在一个电流最大值值ImIm，如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加，如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负。斜率由正变负。第26页/共40页28 三、功率三、功率-温度特性（温度特性（P PT TT T）描描述述热热敏敏电电阻阻器器的的电电阻阻体体与与外外加加功功率率之之间间的的关关系系,与与电电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。四、热敏电阻器的动态特性四、热敏电阻器的动态特性热热敏敏电电阻阻器器的的电电阻阻值值的的变变化化完完全全是
20、是由由热热现现象象引引起起的的。因因此此，它它的的变变化化必必然然有有时时间间上上的的滞滞后后现现象象。这这种种电电阻阻值随时间变化的特性，叫做热敏电阻器的动态特性。值随时间变化的特性，叫做热敏电阻器的动态特性。动态特性种类：动态特性种类：u周围温度变化所引起的加热特性；周围温度变化所引起的加热特性；u周围温度变化所引起的冷却特性；周围温度变化所引起的冷却特性；u热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。第27页/共40页29走进热敏电阻传感器的世界篇走进热敏电阻传感器的世界篇走进热敏电阻传感器的世界篇走进热敏电阻传感器的世界篇之三之三之三之三第28页/共40页3
21、0伏伏 安安 特特性性的位置的位置在仪器仪表中的应用在仪器仪表中的应用U m的左边的左边温温度度计计、温温度度差差计计、温温度度补补偿偿、微微小小温温度度检检测测、温温度度报报警警、温温度度继继电电器器、湿湿度度计计、分分子子量量测测定定、水水分分计计、热热计计、红红外外探测器、热传导测定、比热测定探测器、热传导测定、比热测定U m的附近的附近液位测定、液位检测液位测定、液位检测U m的右边的右边流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析旁热型旁热型热敏电阻热敏电阻器器风风速速计计、液液面面计计、真真空空计计（一）检测和电路用的热敏电阻器（一）检测
22、和电路用的热敏电阻器 （U m峰值电压）峰值电压）检测用检测用的热敏电阻在仪表中的应用的热敏电阻在仪表中的应用 一、热敏电阻器的应用一、热敏电阻器的应用第29页/共40页31电路元件电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类热敏电阻器在仪表中应用分类在仪器仪表中的应用在仪器仪表中的应用U m的左边的左边偏偏置置线线图图的的温温度度补补偿偿、仪仪表表温温度度补补偿偿、热热电电偶偶温度补偿、晶体管温度补偿温度补偿、晶体管温度补偿U m的的 附附近近恒压电路、延迟电路、保护电路恒压电路、延迟电路、保护电路U m的右边的右边自动增益控制电路、自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路振荡器、振幅稳定电路测测温
23、温用用的的热热敏敏电电阻阻器器，其其工工作作点点的的选选取取，由由热热敏敏电阻的伏安特性决定。电阻的伏安特性决定。伏伏 安安 特特性性的位置的位置第30页/共40页32热电式继电器热电式继电器JT T正常：正常：正常：正常：RtRt较大、较大、较大、较大、BGBG不导通、不导通、不导通、不导通、JJ不吸合不吸合不吸合不吸合T T升高：升高：升高：升高：RtRt减小、减小、减小、减小、BGBG导通、导通、导通、导通、JJ吸合吸合吸合吸合应用：电机过热保护应用：电机过热保护应用：电机过热保护应用：电机过热保护第31页/共40页33温度检测用的各种热敏电阻器探头温度检测用的各种热敏电阻器探头1热敏电
24、阻；热敏电阻；2铂丝；铂丝；3银焊；银焊；4钍镁丝；钍镁丝；5绝缘柱；绝缘柱；6玻璃玻璃（二）（二）测温用的热敏电阻器测温用的热敏电阻器1 1、各种热敏电阻传感器结构各种热敏电阻传感器结构第32页/共40页342 2、测表面电阻用的热敏电阻器安装方法测表面电阻用的热敏电阻器安装方法图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。测量物体表面温度时热敏电阻器的安装方式正确错误第33页/共40页35123412345Ir/mAU/VUR=IT0RUR=IT1RUR=IT2RUR=IT0R0UR=IT1R1UR=IT2R2IT0IT1IT2自热电桥测量温线路自
25、热电桥测量温线路3 3、热敏电阻测温电桥热敏电阻测温电桥mAIrRURERrUT第34页/共40页36自热电桥及其等效电路自热电桥及其等效电路RTR5R6R3(R1)En+U2UTRITEURRr(a)(b)(c)R1EnAR1R2R4R3U+第35页/共40页372 2 2 2、半导体热敏电阻传感器、半导体热敏电阻传感器、半导体热敏电阻传感器、半导体热敏电阻传感器 温度测量温度测量 温度补偿温度补偿第36页/共40页38 温度测量温度测量温度测量温度测量 热敏电阻点温计热敏电阻点温计第37页/共40页39（2 2）温度补偿温度补偿温度补偿温度补偿仪仪表表中中的的电电阻阻温温度度补补偿偿电电路
26、路金属一般具有正的温度系数，金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差可以抵消由于温度变化所产生的误差第38页/共40页40热敏电阻作温度补偿用热敏电阻作温度补偿用由由热热敏敏电电阻阻器器RT和和与与温温度度无无关关的的线线性性电电阻阻器器R1和和R2串串并并联联组组成成，补补偿偿温温度度范范围围为为T1T2。对对于于晶晶体体管管低低频频放放大大器器和和功功率率放放大大器器电电路路的的温温度度补补偿偿，可可用用下下列列公公式式确确定定热热敏敏电电阻阻器的型号：器的型号：R(T)R1R2RT温度补偿网络tn=-BN/T2T0为为25BN第39页/共40页