热电阻式传感器原理

1、2.7.2 热电阻 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。人们也常常把这种导体或半导体的电阻值随温 度变化而变化的现象称为热阻效应。热电阻传感器分为金属热电阻 和半导体热电阻两大类，通常把金属热电阻称为热电阻，而把半导 体热电阻称为热敏电阻。 （1）热电阻 事实上各种金属材料的阻值都会随温度的变化而变化，但要利 用它作为测量用的热电阻必须具体以下要求：电阻温度系数要尽可 能大和稳定，电阻率高，线性度好，并且能在较宽的温度范围内保 持稳定的物理和化学性能。目前应用较多的热电阻材料主要有铂、 铜、镍、铁等。目前热电阻广泛用来测量 范围内的温 度，少数情况下，低温

2、可测至 ，高温达 。 热电阻传感器通常由热电阻、连接导线及显示仪表构成，如图 3.47所示。热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换成标准电 流信号输出。,下页,返回,1）铂电阻 铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，并具有良好的工艺性能，易于提纯，可以做成非常细的铂丝或极薄的铂箔，缺点就是电阻温度系数较小，同时价格较昂贵。 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比 来表示，它是铂热电阻在 时的阻值 与 时的阻值 之比。按iec标准，工业用铂热电阻的。 铂热电阻除用作一般的工业测温外，在国际温标ipts-68中还被用来作为在 温度范围内的温度基准器。,下页,上页,返回,铂电阻与温度的关系，可用下

3、面的公式表示 在 以内 （3.67） 在 以内 （3.68） 式中 温度为 时的电阻值； 温度为 时的电阻值； 任意温度（ ）； 、 常数；铂的 时， ， ， ； 铂的 时， ， ， ；,下页,上页,返回,从式（3.67）和式（3.68）可以看出，热电阻在温度 时的电 阻值与 有关，目前我国规定工业用铂热电阻有 和 两种，对应的分度号分别为pt10和pt100，其中又以pt100为常用。 在实际测量时，只要测得热电阻的阻值 ，便可根据分度表查得对 应的温度值。 列出pt100的分度表，如表3.3所示。 2）铜电阻 由于铂是贵重金属，故在一些测量精度要求不高，测温范围不 大的情况下，可以采用铜电

4、阻来代替铂电阻，从而降低成本，同时 也能达到精度要求。在的温度范围内，铜电阻阻值与温度关系几乎 是线性的，可用下式近似表示 （3.69） 式中 温度为 时的电阻值； 温度为 时的电阻值；,下页,上页,返回,铜热电阻的电阻温度系数， 。 铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体积较大，热惯性也大，而且易于氧化，不适合在腐蚀性介质或高温下工作。 目前工业上使用的标准铜热电阻有分度号为g（ ）、cu50（ ）和cu100（ ）三种。这里给出g分度表，以供工程技术人员在使用时查阅，如表3.4所示。 3）其他热电阻 表2.3 wzb型铜热电阻g分度表 温度系数：,下页,上页,返回,下页,上页,返回,表2.3 铂

5、电阻 分度表 分度号：pt100,铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高，电阻率较大，因此可 制成体积小、灵敏度高的电阻温度计，但由于有易氧化、化学稳定 性差、不易提纯和非线性等严重缺点，目前应用较少。 由于铂热电阻和铜热电阻对于低温和超低温的测量性能不理 想，故在近年来一些新颖的热电阻如铟电阻、锰电阻、碳电阻等逐 步成为测量低温和超低温的理想热电阻。 4）热电阻的测量电路 用热电阻传感器进行测温时，测量电路一般采用电桥电路。但 是热电阻与检测仪表相隔距离一般较远，因此热电阻的引线对测量 结果有很大的影响。热电阻测温电桥的引线方式通常有两线制、三 线制和四线制三种。如图所示。 两线制中引线电阻对测

6、量结果影响较大，一般用于测温精度不 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，常用于高精度温度检测。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,1-热电阻感温元件； 2、4-引线； 3接线盒； 5显示仪表；,图 三线制接法,热电阻的接法,三线制与两线制的对比,普通热电阻,热电阻结构,半导体热敏电阻,温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。,3.7.2 热敏电阻式传感器 热敏电阻是由金属氧化物（nio、mno2、cuo、tio2等）的粉末按照一定比例混合烧

7、结而成的半导体。 1）热敏电阻的温度特性 按半导体电阻-温度特性，热敏电阻典型可分为三类：即负电阻温度系数热敏电阻（ntc），正电阻温度系数热敏电阻（ptc）和临界温度系数热敏电阻（ctr）。它们的温度特性曲线如图所示。,下页,上页,返回,从图3.49可以看出，ctr型在一定温度范围内，阻值随温度的 变化剧烈变化，故可作为理想的开关器件。在温度测量中，则主要 采用ntc或ptc型热敏电阻，而使用最多的又是ntc型热敏电阻。 因此这里我们就只对这种热敏电阻进行介绍。,下页,上页,返回,根据半导体理论，在不太宽的温度范围内（ ），ntc型热敏电阻在温度时的阻值可表示为 （2-24） 式中 温度 时

8、的电阻值； 材料常数，一般情况下 ，在高温时， 值要增大。 由上式可求得热敏电阻的温度系数 （2-26） 可见， 随温度降低而迅速增大， 决定了ntc热敏电阻在全部工 作范围内的温度灵敏度。跟热电阻相比较，ntc型热敏电阻具有下,下页,上页,返回,列优点：灵敏度高，可用来测量微弱温度变化；体积小，元件可制 成片状，柱状，直径可到0.5mm，故热惯性小，响应快，时间常数 可小到毫秒级；元件本身的电阻值可达 ，故测量时引线电阻的影响相当小，可以不考虑。 但是，热敏电阻的缺点是非线性大，在实际使用时要进行线性 化处理；同时它对环境温度敏感，测量时易受到干扰。 2）热敏电阻的结构 热敏电阻主要由热敏元

9、件、引线、壳体组成，其结构及符号如 图所示。根据不同的使用情况，可封装成不同的形状，常见的 形状主要有珠型、圆片型、方片型、棒型、薄膜型。如图所示。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3）热敏电阻的测量电路 用热敏电阻进行测温时，测量电路一般采用电桥电路。由于引 线电阻对热敏电阻的测量影响极小，一般不考虑引线电阻的补偿， 但由于热敏电阻的非线性特性，则在测量电路的设计和选择时必须 考虑线性化处理（当然也可以通过软件线性化处理）。这里简单介 绍一种热敏电阻非线性的线性化网络处理方法。 网络化处理方法就是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串 联或者并联而构成电阻网络，如图所示。 图a中热敏电阻 与补偿电阻 串联后的等效电阻为 ，只要 的阻值选择恰当，总可以使温度在某一范围内跟电阻的导数成线性关系，从而电流i与温度t成线性关系；图b 中