23/4/19 1

机电类《自动检测技术及应用》

多媒体课件 （共 13 章，第二章，第 2 、 3 、 4 节）

统一书号： ISBN 978-7-111-34300-4课程配套网站

www.sensor-measurement.net或 www.liangsen.net

2012 年 7 月版

第二节 测温热电阻传感器

第三节 气敏电阻传感器

第四节 湿敏电阻传感器

第二章，第 2~4 节 目录

进入

进入

进入

第二节 测温热电阻传感器

本节介绍金属热电阻、热敏电阻、湿敏电阻传感器的原理、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

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。

测温热电阻可分为金属和半导体两大类。

金属丝电阻随温度增高而变大的演示

2 2220484

100

UR

P

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。

超导现象 1911 年，荷兰物理学家昂内斯（ Kamerling

h 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R t =R0(1+At+Bt 2+Ct 3+Dt 4)

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 1℃ 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 ）。

装配式铂热电阻

0℃ 时的电阻为100Ω

接线盒

23/4/19 11

薄膜式铂热电阻

Pt1000薄膜热电阻在 0℃时的电阻为 1kΩ，最大工作电流小于 0.3mA。

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。

23/4/19 12

薄膜式铂热电阻工艺过程示意图

小型铂热电阻

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

23/4/19 16

端面式热电阻及其在测温端面的安装

能更快速地反映被测端面的实际温度。

汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻

学习查“铂热电阻分度表”如何判断铂热电阻是否线性

铂电阻温度显示、变送器

上下限设定键 上限下限

上上限

下下限

测量值

可设定温度的温度控制箱

旋转式机械 设定开关

拨码式 设定开关不易被改动，适合车间使用

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 ΔU

o 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。

放大器 4个主要电阻阻值的确定

若希望 t＝ 100℃时，放大器的输出电压 Uo2＝ 1.00V,则 K=10.82倍。 Rf 的取值不能太小，一般应大于 10kΩ 。若考虑到非理想运放的输入失调电流和失调电压以及输入偏置电流均不为零，所以 Rf 不应超过 1MΩ 。

为了增大桥路的负载电阻 , 可以取 R11=R12 为整数值 100kΩ,则 R13=Rf 的理论值约为 1082k, 取标称值 1MΩ 。

若选用 Pt100标准热电阻，当 t＝ 100℃时，查 Pt100分度表，得到 R100℃=134.71Ω。设桥路激励源电压 Uac=1.25V ，选取 R3 、 R4 为 100Ω精密锰铜线绕电阻，流过热电阻的电流不能超过 10mA 。若忽略 r1 、 r2 、 RP1 、RP2 、 R7 的影响，由分压比公式可得桥路的输出电压为

1 4bd ba da i i

1 2 3 4

134.71 1001.25V 1.25V 92.4mV

134.71 100 100 100

R RU U U U U

R R R R

利用热丝（铂热电阻）测量气体流速（流量）内置铂金热丝风

利用热丝测量气体流速（流量）

内置铂金丝被加热到 200℃

风

铂丝接入单臂电桥t

v

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 ）之分。 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：

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 。

0

1 1( )

0

BT T

TR R e

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。

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

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 解： T=273+100=373K （开氏）

结论： NTC 在 100 ℃时的阻值大约只有 25 ℃时的 (1/15) 。

0

1 1 1 1( ) 4000( )

298 373T 0 1

0.067M 67k

BT TR R e e

热敏电阻外形

MF12型 NTC热敏电阻

聚脂塑料封装热敏电阻

其他形式的热敏电阻

玻璃封装 NTC 热敏电阻

MF58 型热敏电阻

其他形式的热敏电阻

带安装孔的热敏电阻

大电流 PTC 热敏电阻

其他形式的热敏电阻（续）

贴片式 NTC热敏电阻

其他形式的热敏电阻（续）

MF58型（珠形）高准确度负温度系

数热敏电阻

MF5A-3型热敏电阻

各种非标热敏电阻

非标热敏电阻（续）

非标热敏电阻（续）

热敏电阻式温度面板表 热敏电阻

LCD显示器

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。

去计算机的计数器

Rtf f

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/(2R 0℃ C)= 1/(2×67×0.001) ≈7.5kHz

t

Rtf

f

热敏电阻用于 CPU 的温度测量

.

热敏电阻用于电热水器的温度控制

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。

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。

回目录

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 200300℃ ，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）。

MQN型气敏电阻结构（续）

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。

酒后驾车测试仪 酒后驾车易出事故，请上网查阅有关的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪 ……

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

NH3 传感器

煤矿瓦斯报警器

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。

回目录

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

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% 。

100%e

RHE

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。

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 、 La2O2-TiO2-V2O5 、 TiO2-Nb2O5 、 MnO2-Mn2O3 、 NiO 等。1－引线 2－多孔性电极 3－多孔陶瓷（ MgCr2O4-TiO

2 ） 4－底座5－镍铬加热丝 6－外壳 7－引脚 8－气孔e －图形符号

露点

测量露点的仪器

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。

露点传感器外形

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

机械式、电子式温湿度计的外形对比

陶瓷湿度传感器特性曲线陶瓷湿度传感

器特性曲线采用对数坐标有何意义？其电阻率变化约有多少个数量级？

温度升高，灵敏度如何变化？

用于标定相对湿度仪表的干湿球湿度计

干湿球湿度计外形及原理

干球

湿球

休 息 一 下 回目录