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15.1.4 热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。 金属热电阻:一般把金属热电阻称为热电阻 半导体热电阻:半导体热电阻称为热敏电阻。 热电阻广泛用来测量-200~850℃范围内的温度,少数情况下,低温可测量至1K,高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高,作为复现国际温标的标准仪器。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成。 图15-18 热电阻传感器 1. 常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-t关系最好成线性,物理化学性能稳定,复现性好等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 (1) 铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用。 在-200~0℃的温度范围内 Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)] (15-15) 在0~850℃的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) (15-16) 式中:Rt和R0——铂热电阻分别在t℃和0℃时的电阻值; A、B和C——常数。 表 15-8 铂电阻分度表 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W(100)表示,即 式中: R100——铂热电阻在100℃时的电阻值; R0——铂热电阻在0℃时的电阻值。 电阻比W(100)越大,其纯度越高。按IEC标准,工业使用的铂热电阻的W100≥1.3850。目前技术水平可达到W(100)=1.3930, 其对应铂的纯度为99.9995%。 (2) 铜热电阻 由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温, 它的测量范围为-50~150℃。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为 Rt=R0(1+αt) (15-18) 式中,α为铜热电阻的电阻温度系数,取α=4.28×10-3/℃。 铜热电阻有两种分度号,分别为Cu50(R0=50Ω)和Cu100(R100=100Ω)。 铜热电阻线性好,价格便宜,但它测量范围窄,易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。 2. 热电阻的结构 图15-19 热电阻结构 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。二线制中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。 图15-20 内部引线方式 产品 温控器 应用 汽车发动机传感器 水温感应塞 还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等 15.1.5 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上, 构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点。由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150℃以下的温度。 1. 基本工作原理 目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。其中V1和V2是互相匹配的晶体管,I1和I2分别是V1和V2管的集电极电流,由恒流源提供。V1和V2管的两个发射极和基极电压之差ΔUbe可用下式表示: (15-26) 图15-27 集成温度传感器基本原理图 式中:K——波尔兹曼常数; q——电子电荷量; T——绝对温度; γ——V1和V2管发射结的面积之比。 2. 集成温度传感器的信号输出方式 (1) 电压输出型 当电流I1恒定时,通过改变R1的阻值,可实现I1=I2, 当晶体管的β≥1时,电路的输出电压可由下式确定: (15-27) 若取R1=940Ω,R2=30 kΩ,γ=37,则电路输出的温度系数为 图15-28 电压输出型原理电路图 (2) 电流输出型 V1和V2是结构对称的两个晶体管,作为恒流源负载, V3和V4管是测温用的晶体管,其中V3管的发射结面积是V4管的8倍,即γ=8
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