传感器与检测技术课件 8.3 热电阻的工作原理

热电阻的工作原理1.热电阻的相关知识热电偶温度计适用于测量500℃以上的较高温度，对于在500℃以下的中、低温，使用热电偶测温有时就不一定恰当在中、低温区，一般是使用另一种测温元件——热电阻来进行温度测量。热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小可得出温度变化的情况和大小。热电阻根据导体类型不同分为金属热电阻和半导体热电阻（热敏电阻）两种类型。金属材料的载流子为电子，当金属温度在一定范围内升高时，自由电子的动能增加，使得自由电子定向运动的阻力增加，金属的导电能力降低，即电阻增加，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的大小。从物理学可知，在一定的温度范围内电阻与温度的关系为1、金属热电阻

对于线性较好的铜电阻或一定温度范围内的铂电阻可表示为

1.热电阻的相关知识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；电阻率尽可能大，以便在满足灵敏度的前提下减小电阻体尺寸，从而电阻的热惯性小些；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；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的复现性，易提纯；价格便宜。基本满足以上要求的主要上纯金属材料中，使用最广泛的金属热电阻材料是铂和铜。而镍、铁因不易提纯，且电阻与温度的线性关系较差，故使用不多。（虽然后两种材料的电阻温度系数、电阻率都比铂、铜要高。）1.热电阻的相关知识任务6.2汽车空调温度控制器设计

铂电阻是制造热电阻的最好材料，性能稳定、重复性好、测量精度高，其电阻值与温度的关系近似线性。主要用于高精度温度测量和标准电阻温度计。其缺点是电阻温度系数小，价格较高，其测温范围为-200～+850℃。铂电阻一般由直径0.02～0.07nm铂丝绕在云母等绝缘骨架上，装入保护套管，铂丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘，如图6-22所示。2.铂热电阻在-200℃-0℃范围在0～850℃范围

式中，Rt—温度为t℃时的阻值。

R0—温度为0℃时的阻值。

A－常数，数值为A=3.90802×10-3（1/℃）

B－常数，数值为B=-5.802×10-7（1/℃2）；

C－常数，数值为C=-4.27350×10-12（1/℃4）

铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：任务6.2汽车空调温度控制器设计2.铂热电阻◆优点：在很宽的温度范围内（1200℃）都可以保持极为稳定的物理化学性能和很强的耐氧化能力；易提纯、复制性好、工艺性良好（可制成极细的铂丝或极薄的铂箔）；有较高的电阻率。

◆缺点：电阻温度系数较小、在还原性介质中易被玷污变脆；价格较贵。所以主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准仪器中。

◆特性参数

百度电阻比：

，表示铂的纯度大小。

其中：R100

、R0

分别为100℃、0℃时的电阻值。W(100)越大，铂的纯度越高，则平均电阻温度系数越大。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关。

任务6.2汽车空调温度控制器设计2.铂热电阻

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W(100)＝1.3930，相应纯度为99.9995%。工业用铂电阻的纯度W(100)为1.387～1.390。国内统一设计的工业用标准铂电阻，W(100)≥1.391。◆

目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，

只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度。任务6.2汽车空调温度控制器设计2.铂热电阻◆由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高、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）式中：α----铜热电阻的电阻温度系数，取α=4.25～4.28×10-3/℃。◆特点：输入输出线性好；电阻温度系数比铂高（则灵敏度比铂高），但电阻率相比要低（电阻体体积大）；易得到纯态，加工性能好，可拉成细丝；价格便宜；易于氧化，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。◆铜热电组的两种分度号为：

Cu50（R0=50Ω）和Cu100（R100=100Ω）。任务6.2汽车空调温度控制器设计3.铜热电阻热敏电阻正是利用半导体载流子数目随温度上升按指数规律增加，所以半导体的电阻率随温度上升按指数规律下降的特性制成的一种温度敏感元件。热敏电阻按照温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度热敏电阻（CTR）三类。它们随温度的变化关系曲线如图6-23所示。4.半导体热敏电阻负温度系数热敏电阻器又称NTC热敏电阻器，其电阻值随温度升高而下降，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。NTC热敏电阻器的种类很多且形状各异，常见的约有管状、圆片形等，如图6—24所示。NTC热敏电阻NTC热敏电阻的测量范围一般为-10～+300℃，也可用于-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用。热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可少至10s以下。广泛应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。4.半导体热敏电阻正温度系数热敏电阻器又称PTC热敏电阻，该电阻器温度升高时电阻值也随之增大，PTC热敏材料是以BaTi03或SrTi03或PbTi03为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等的氧化物进行原子价控制而使之半导化，同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸钡等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料。PTC热敏电阻在工业上可用做温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节，还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析等方面。2.PTC热敏电阻4.半导体热敏电阻临界温度热敏电阻CTR具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数。构成材料是钒、钡、锶、磷等元素的氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，CTR也称为玻璃态热敏电阻，骤变温度随添加的锗、钨、钼等的氧化物的量而变。这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的品格间隔不同造成的。若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失。产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移。CTR能够作为控温报警等应用。3.CTR热敏电阻4.半导体热敏电阻热电阻传感器的测量转换电路常用电桥电路，由于工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此热电阻的引线对测量结果有较大影响。为了减少或消除引线电阻的影响，标准热电阻在使用时经常采用三线制和四线制的连接方式，同时，为了减少环境电、磁场的干扰，最好采用屏蔽线，并将屏蔽线的金属网状屏蔽层接大地。

1．三线制这种引线方式可以较好地消除引线电阻的影响，提高测量精度，所以工业热电阻多采用这种方法，5.测量与转换电路在电阻体的两端各连接两根引线称为四线制，这种引线方式不仅消除连接电阻的影响，而且可以消除测量电路中寄生电动势引起的误差。这种引线方式主要用于高精度温度测量。

2．四线制5.测量与转换电路【任务描述】汽车空调自动温度控制ATC，俗称恒温空调系统，如图6-21所示。一旦设定目标温度，ATC系统即自动控制与调整，使车内温度保持在设定值。

图6-21汽车空调控制器外形6.热电阻的应用：汽车空调温度控制器应用1.传感器选型

根据汽车空调的温度检测要求，选择MF53系列NTC热敏电阻传感器。2.测量电路设计【任务实施】6.热电阻的应用：汽车空调温度控制器应用3.模拟调试（1）按照电路图6-27所示，将各元件焊接到实验板上，并检查正确性（考虑到是实验室模拟测试，可将离合器换成发光二极管，便于观察输出状态）；（2）在室温环境下，调节温度设定电位器RP，使发光二极管由发光状态调节到熄灭状态；（3）用电吹风对热敏电阻进行加热，发光二极管发光；当热敏电阻慢慢冷却后，发光二极管熄灭，调试完毕，说明电路正确。6.热电阻的应用：汽车空调温度控制器应用1．基于金属热电阻的流量检测【知识拓展】利用热电阻上的热量消耗和介质