N-6.2 热电阻式传感器

1、6.2 热电阻式传感器6.2.1 金属热电阻金属热电阻6.2.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻6.2.3 热电阻式传感器的应用热电阻式传感器的应用 6.2.1 金属热电阻热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求：作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学

2、性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜使用最广泛的热电阻材料是铂和铜1. 常用热电阻铂热电阻铂热电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。准的传递。铜热电阻铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为为50150。 铂热电阻长时间稳定的复现性可达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，是目前测温复现性最好的一种温度计。种温度计

3、。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 0100)100(RRW百度电阻比百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高，）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，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目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W（100）为）为1.3871.390。 铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度当温度t在在200 t 0时：时： )100(1 320ttCtBtARRt当温度当温度

4、t在在0 t 650时：时： 1 20tBtARRt国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）其分度表（给出阻值和温度的关系） 铜热电阻应应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：测量范围：50150优优 点：点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。工，价格便宜，复制性能好。缺缺 点：点：易于氧化

5、，一般只用于易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为)1 (0tRRt关系是线性的关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R0 ，按国内统一设计取，按国内统一设计取50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Cu50和和Cu100，相应的分度表，相应的分度表可查阅相关资料。可查阅相关资料。 2. 热电阻的结构普通工业用热电阻

6、式温度传感器普通工业用热电阻式温度传感器铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图 6.2 热电阻式传感器6.2.1 金属热电阻金属热电阻6.2.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻6.2.3 热电阻式传感器的应用热电阻式传感器的应用 6.2.2 半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结.优优 点：点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍）; (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温

7、、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表面温度及快速变化的温度; (3) 结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。热敏电阻分类：正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC) 临界温度系数临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 PTC热敏电阻正温度系数热敏电阻正温度系数 结构：结构：钛酸钡掺合稀土元素烧结而成；钛酸钡掺合稀土元素烧结而成； 用途：用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温 控制，限流元

8、件。控制，限流元件。CTR热敏电阻负温度系数热敏电阻负温度系数 结构：结构：以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的 弱还原气氛中混合烧结而成；弱还原气氛中混合烧结而成； 用途：用途：温度开关。温度开关。NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数热敏电阻很高的负电阻温度系数 结构：结构：主要由主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合等过渡金属氧化物混合烧结而成；烧结而成； 应用：应用：点温、表面温度、温差、温场等测量，自动控制及电点温、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。子线路的热补偿线路。NTC热敏电阻热敏电阻

9、的结构热敏电阻的结构热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体；构成：热敏探头、引线、壳体；二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；接的电路获得功率；四端器件：旁热式。四端器件：旁热式。热敏电阻的结构形式 热敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 伏安特性伏安特性 温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性温度特性 00273127310110ttBTTBTeReRR式中式中 R

10、T , R0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值时的阻值()； T0, T 介质的起始温度和变化温度（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（介质的起始温度和变化温度（）；）； B 热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。其大小取决于热敏电阻的材料。0011lnTTRRBT若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。值。一般取一般取20和和100时的电阻时的电阻R20 和和R100计算计算B值，值，即将即将T=373K，T0=293K代入

11、上式，则代入上式，则100201365RRnlB将将B值及值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性代入式就确定了热敏电阻的温度特性: 21TBdTdRRTT B和和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量时，电阻值的相对变化量 伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的与其两端的电压电压U之间

12、的关系，之间的关系， 伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时当流过热敏电阻的电流很小时: 不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：当电流增大到一定值时： 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条件升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件周围介质温度及散热条件)有关

13、。当有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。介质密度。热敏电阻的主要参数 标称电阻值标称电阻值RH 在环境温度为在环境温度为250.2时测得的时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。材料和几何尺寸。 耗散系数耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为时热敏电阻所耗散的功率

14、，单位为mW /； 热容量热容量C 热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1所需吸收或释所需吸收或释放的热量，单位为放的热量，单位为J； 能量灵敏度能量灵敏度G （W） 使热敏电阻的阻值变化使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。 时间常数时间常数 温度为温度为T0的热敏电阻突然置于温度为的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时时所需的时间：所需的时间： 额定功率额定功率PE 在规定的技术条件下，热敏电阻长期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，单位为连续使用所允许的耗散功率，单位为W。

15、在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。定功率。 100)/(HGHC/热敏电阻的线性化可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。定程度的线性特性。6.2 热电阻式传感器6.2.1 金属热电阻金属热电阻6.2.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻6.2.3 热电阻式传感器的应用热电阻式传感器的应用 6.2.3 热电阻式传感器的应用1 1、金属热电阻传感器

16、、金属热电阻传感器 200200+500+500范围的温度测量范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。特点：精度高、适于测低温。2 2、半导体热敏电阻传感器、半导体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、液器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。面指示等。 1、金属热电阻传感器工业广泛使用，工业广泛使用，200+500范围温度测量。范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，甚至更低，1K左右。高温端可测到左右。高温端

17、可测到1000。温度测量的特点：精度高、适于测低温。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动电桥。动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。量误差，常采用三线制和四线制连接法。三线制 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法 工业用热电阻一般采用三线制工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻， R t 热电阻热电阻四线制接法

18、 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法 精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法 铂测温电阻传感器 铂测温电阻缺点铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、：响应速度慢、容易破损、 难于测定狭窄位置的温度。难于测定狭窄位置的温度。现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠装铂现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。主要应用：主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽 金属丝热电阻作为气体传感器的应用 1连通玻璃管连通玻璃管 2流通玻璃管流通玻璃管 3铂丝铂丝 （a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感， 实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa。（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化2、半导体热敏电阻传感器 温