第六章 温度测量--热电阻传感器.doc

电阻式温度传感器 电阻式传感器广泛应用于测量-200960范围内的温度。它是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化原理而工作的，用仪表测量出电阻的变化，从而得到与电阻值相对应的温度值。电阻式传感器按照其制造材料分可分为：金属（铂和铜）热电阻及半导体热电阻(热敏电阻)两大类。一、 常用的金属热电阻图6-1 金属热电阻传感器测量示意图金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的升高而增大的原理进行测温的。温度是分子平均动能的标志，当温度升高，金属晶格的动能增加，从而导致振动加剧，使自由电子通过金属内部时阻碍增加，金属导电能力下降，即电阻增加。通过测量导体的电阻变化情况就可以得到温度变化情况。最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图7-1所示。主要制造材料是铂和铜。测量温度范围-220+850。在特殊情况下，低温可测量至1K（-272），高温可测量至1000。1、铂热电阻铂热电阻是目前公认的制造热电阻最好的材料，它性能稳定，重复性好，长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。同时其测量精度高。在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理、化学性能都很稳定，其阻值与温度之间几乎成线性变化。但其在还原性介质中，特别是高温易从氧化物中还原出来的气体所污染，改变它的电阻与温度关系，此外其电阻温度系数小，价格较高。因此，主要作为标准电阻温度计和高精度温度测量。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，因此铂电阻的纯度是以W（100）表示： （6-1）W（100）越高，表示铂丝纯度越高。国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925。目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。 中国常用的铂电阻有两种，分度号分别为Pt50和Pt100。即在0时电阻分别为50和100。铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时： （6-2）当温度t在0 t 650时： （6-3） 式中 Rt 铂热电阻在t时的阻值 R0 铂热电阻在0时的阻值 A 常数，为3.9080210-3-1 B 常数，为-5.80210-7-2 C 常数，为-4.2735010-12-4表6-1 铂电阻（分度号为Pt100）分度表温度/0102030405060708090电阻值/-20018.49-10060.2556.1952.1148.0043.3739.7135.5331.3227.0822.80-0100.0096.0992.1688.2284.2780.3176.3272.3368.3364.300100.00103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.07130.89134.70100136.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04164.76168.46172.16200175.84170.51183.17186.32190.45194.07197.69201.29204.88208.45300212.02215.57219.12222.65226.17229.67233.17236.65240.13243.59400247.04250.48253.90257.32260.72264.11267.49270.86274.22277.56500280.90284.22287.53290.83294.11297.39300.65303.91307.15310.38600313.59316.80319.99323.18326.35329.51332.66335.79338.92342.03700345.13348.22351.30354.37357.42360.47363.50366.52369.53372.52800375.51378.48381.45384.40387.34390.26 铂热电阻常见的形式如图7-2所示，云母片做骨架，直径为0.030.07mm0.005mmd的铂丝采用双线法绕（消除电感）在云母骨架上，再用银带扎紧。铂电阻体采用银丝作为引出线。图7-2 铂电阻体的结构 铜热电阻铜热电阻主要应用于测量50150范围内且精度要求不高且温度较低的场合。铜容易容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好而且电阻温度系数大，温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高。但铜热电阻与铂热电阻相比，铜的电阻率低，因此铜电阻的体积较大。而且铜易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。铜电阻在50150范围内其阻值与温度之间几乎呈线性变化，关系可以表示为 （6-4）式中 Rt 铜热电阻在t时的阻值 R0 铜热电阻在0时的阻值 铜热电阻的电阻温度系数，=4.2510-3-14.2810-3-1目前我国工业上使用的标准化铜热电阻的的分度号为分别为Cu50和Cu100两种，其电阻在零度时R(0)分别为50和100。铜电阻的电阻比R(100)/ R(0)=1.4280.002。分度表见表6-2、表6-3表6-2 铜电阻（分度号为Cu50）分度表温度/0102030405060708090电阻值/-050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1454.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13表6-3 铜电阻（分度号为Cu100）分度表温度/0102030405060708090电阻值/-0100.0095.7091.4087.1082.8078.490100.00104.28108.56112.84117.12121.40125.68129.96134.24138.52100142.80147.08151.36155.66159.96164.27铜电阻体结构如图7-3所示。采用直径为0.1mm0.005mm的漆包线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆。用直径为1mm的铜丝或银铜丝做引出线。图6-3 铜电阻体的结构二、半导体热敏电阻在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。但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（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。1、热敏电阻的分类热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等半导体材料，按特定工艺制成的电阻率随温度变化而变化的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，如图6-4所示，即：（1）正温度系数（PTC）热敏电阻在一定温度范围内电阻率随温度上升而增加。此类热敏电阻主要由钛酸钡掺合稀土元素烧结而成。主要用于彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。（2）负温度系数（NTC）热敏电阻图6-4 热敏电阻典型特性在一定温度范围内电阻率随温度上升而减少。此类热敏电阻主要由三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成。主要用于点温、表面温度、温差、温场等测量，自动控制及电子线路的热补偿线路（3）临界温度（CTR）热敏电阻此类热敏电阻又分两类：一类用于测量温度，它的阻值与温度之间呈负的指数关系。另一类为负突变型，当温度上升到某一特定值是电阻突然下降，此种类型多用于电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。 图6-5 负温度系数(NTC)热敏电阻结构2、热敏电阻的特点1热敏电阻温度系数比金属大（49倍）；2电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度；3结构简单、机械性能好、稳定性好。4阻值在110M之间可供自由选择；5原料资源丰富，价格低廉。材料加工容易、性能好；3、热敏电阻的特性 热敏电阻的特性主要有温度特性、伏安特性、功率-温度特性、动态特性等，其中温度特性、伏安特性最为重要。以下面就以NTC型热敏电阻为例说明这两个特性：（1）温度特性由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），热敏电阻的阻值RT都能利用式7-5求得。但需要注意的是此公式仅是一个经验公式。 （6-5）式中 RT , R0 热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值； T0, T 介质的起始温度和变化温度（K）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（）； B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K，它表征热敏电阻热灵敏度的量。B值越大，热灵敏度越高。B值可由以下公式求出 （6-6）热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量叫热敏电阻的电阻温度系数，它和B值一样是表征热敏电阻材料性能的重要参数。是指 （6-7）由公式7-7可以看出，热敏电阻的温度系数为负值。而且温度减小，电阻温度系数增大。特别在在低温时，负温度系数热敏电阻的温度系数比金属热电阻丝高得多，故常用于低温测量（100300）。 （2）伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系称为伏安特性。如图6-6所示 abcdUmU0I0ImU/VI/mA1. 当流过热敏电阻的电流很小（II0）时，由于电流不足以使热敏电阻加热，电阻值环境温度的影响，因此伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。图6-6 NTC热敏电阻的静态伏安特性2. 当电流增大到一定值（IIm）时，流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境散热条件有关。如果当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值受到介质的流速、流量、密度等散热条件影响。因此可用它来测量流体速度和介质密度。4、热敏电阻的主要参数（1） 标称电阻值RH 在环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。（2） 耗散系数H热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量，单位为mW /。在工作范围内，H会随环境温度变化而变化。（3） 电阻温度系数 热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。通常指温标为20时的温度系数，单位%/；（4） 能量灵敏度G使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。单位为W。耗散系数H、电阻温度系数、能量灵敏度G之间关系如下式： (6-8)（5） 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J；（6） 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中（忽略其通过电流所产生的热量），热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。时间常数、热容量C、耗散系数H之间关系为：（7）额定功率PE 在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率（8）最高工作温度Tmax与最低工作温度Tmin在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度和最低温度。（9）转变点温度Tc热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。三、电阻式温度传感器1、金属热电阻传感器金属热电阻传感器一般来说采用热电阻测量温度具有精度高、结构简单特点，因此在工业广泛运用于200+500温度测量。但需要注意的是热电阻变化一般要经过不平衡电桥转换为不平衡电压输出，提供后续处理；为了克服连线电阻阻值随温度变化而变化所产生的误差，热电阻连入不平衡电桥通常采用三线制、四线制。（1）三线制 工业用热电阻一般采用三线制，在电阻体Rt一端连接出两根引出线，另一端引出一根连接线，此种引线方式称为三线制，如图7-7所示。当热电阻和电桥配合使用时，三线制可以较好的消除引出线电阻的影响，提高测量精度。 G检流计 R1 、R2 、R3固定电阻 R a零位调节电阻 R t 热电阻图6-7 热电阻测温电桥的三线制接法（2）四线法 精密测量中，采用四线制接法。在电阻体两端各引出两根连接线称为四线制。这种引出线的方式消除了不仅连接线电阻的影响。而且还消除了测量电路中寄生电势引起的误差。图6-8 热电阻测温电桥的四线制接法 2、热敏电阻传感器的应用热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。但归纳其功能主要有四个方面： 温度测量热敏电阻测温原理如图6-8所示，作为测量温度用热敏电阻结构比较简单，价格便宜。测量温度范围为-50300，误差小于0.5。图中“0”、“1”、“2”分别为电压断开、校正、工作三个状态。使用时先将开关S2置于合适量程，在开关S1将置于“1”校正，调节电位计RW使检流计G指示满偏，后将S1置于“2”进行测量。 图6-8 热敏电阻测温原理 温度控制 热敏电阻温度控制原理如图6-9所示，用热敏电阻Rt与一个电阻串联R，并加上一恒定电压VCC。当周围介质温度升到控制温度时，电路的电流由十分之几毫安变为几十毫安，导致三极管VT1、VT2截至。继电器J失电而动作，实现温度控制或者过热保护。图6-9 热敏电阻温度控制原理 温度补偿仪表中一些零件是用金属丝制成的，如线圈、绕线电阻等。金属一般具有正温度系数，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引起