热敏电阻传感器-最终课件.ppt

1、1234 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随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温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热热电阻电阻（如铂、铜电阻温度计等）和（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。感器。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

2、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。6玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线7热敏电阻的特点热敏电阻的特点1 1灵敏度高。通常温度变化灵敏度高。通常温度变化11阻值变化阻值变化约约1%1%6%6%，电阻温度系数的范围甚宽，绝，电阻温度系数的范围甚宽，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阻值在阻值在1110M10M之间可供自由选择，之间可供自由选择，使用方便。使用方便。4 4稳定性好稳定性好5 5原料资源丰

3、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。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）标称电阻是热敏电阻在标称电阻是热敏电阻在2525时的阻值。标称电阻时的阻值。标称电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 N值决定值决定于材料的激活能于材料的激活能E

4、 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(%/)(%/)热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 1 时其阻值变化率与其值时其阻值变化率与其值之比。之比。94.耗散系数热敏电阻器温度变化1所耗散的功率。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。5.时间常数时间常数 在零功率测量状态下，当环境温度突在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的终变量的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的速度。数表征热敏电阻加热或冷却的速度。106.6

5、.最高工作温度最高工作温度T Tmaxmax 热敏电阻在规定的技术条件下长期连续工作所允热敏电阻在规定的技术条件下长期连续工作所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，长期连续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。在此功率负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下下,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 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超测量电流加热而引起的电阻值变化不超过过0.10.1时所消耗的功率。时所消耗的功率。

6、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

7、分类 1213（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）1234060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3 PTCTT与与RTT特特性曲线一致。性曲线一致。T/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。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成

8、的材料制成的NTCNTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于于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度特性011exp0TTBRRNTTNTC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：0ln11ln0TNTRTTBR15为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即作为参考温度（即T0=25），则），则NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度关系式：温度关系式：29

9、811exp25TBRRNT02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT/RT0-T特性曲线RT/R25T/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特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，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/Tp1Tp217 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

10、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。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：0exp0TTB

11、RRPTT0lnln0TPTRTTBR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。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/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 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lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100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tp20TRX

12、RAITRXRE21XTSRRRTRS1TRUIAITRXRETRXRTRXTRR 22TRXRTRXRTRXTRR/XTXTRRRRR23 abcdUmU0I0ImU/VI/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）表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）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

13、阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为该曲线是在环境温度为T0时的静时的静态介质中测出的静态态介质中测出的静态UI曲线曲线.热敏电阻的端电压热敏电阻的端电压UT和通过它和通过它的电流的电流I有如下关系：有如下关系：0000exp11expTTTBIRTTBIRIRUNNTTT0环境温度；环境温度；T热敏电阻的温升。热敏电阻的温升。24 上图表明：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境的温度T0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，所以Oa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，使工作电流引起热敏电阻的

14、自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，因此出现非线性正阻区ab段。当电流为Im时，其电压达到最大Um。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流增加的速度，因此热敏电阻的电压降随电流的增加而降低，形成cd段负阻区。当电流超过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。2526 104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性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27 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

15、，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，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，曲线开始弯曲，当电压增值Um时，存在一个电流最大值Im，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，曲线斜率由正变负。28 三、功率三、功率-温度特性（温度特性（P PT TT T）描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系,与电与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敏

16、电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的。热敏电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的。因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电阻因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电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。2930伏安特性伏安特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 的左边的左边温度计、

17、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、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器热敏电阻器风速计、液面计、真空风速计、液面计、真空计计（一）检测和电路用的热敏电阻器（一）检测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

18、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 的左边的左边偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿温度补偿、晶体管温度补偿U m的附近的附近恒压电路、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 测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏电阻

19、的伏安特性决定。电阻的伏安特性决定。伏安特性伏安特性的位置的位置32JDtRRABG33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35123412345Ir/mAU/VUR

20、=IT0RUR=IT1RUR=IT2RUR=IT0R0UR=IT1R1UR=IT2R2IT0IT1IT2自热电桥测量温线路自热电桥测量温线路3 3、热敏电阻测温电桥热敏电阻测温电桥 mAIrRURERrUT36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+37 温度测量 温度补偿38热敏电阻点温计热敏电阻点温计 39仪表中的电阻温度补偿电路仪表中的电阻温度补偿电路 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

21、变化所产生的误差可以抵消由于温度变化所产生的误差 40热敏电阻作温度补偿用热敏电阻作温度补偿用由热敏电阻器由热敏电阻器RT和与温度无关的线和与温度无关的线性电阻器性电阻器R1和和R2串并联组成，补偿串并联组成，补偿温度范围为温度范围为T1T2。对于。对于晶体管低晶体管低频放大器和功率放大器电路频放大器和功率放大器电路的温度的温度补偿，可用下列公式确定热敏电阻补偿，可用下列公式确定热敏电阻器的型号：器的型号：R(T)R1R2RT温度补偿网络 02121200T22121222T12121211T)(TR)(TR)(TRTRrrrrrTRTRrrrrrTRTRrrrrrTR)11(exp)()(0101TTBTRTRNTT)11(exp)()(0202TTBTRTRNTTtn=-BN/T2T0为为25BN