6 class 热电式传感器(热电阻)

6.2 金属热电阻
电阻的热效应早已被人们所认识，即电阻体的 阻值随温度的升高而增加或减小。 能用作温度检测元件的电阻体称为热电阻。目 前国际上最常见的热电阻有铂、铜及半导体热 敏电阻等。
热电阻―200～＋ 500 ℃ 较大空间的平均温度 与桥式电路配接 中、低温区稳定性好、准确度高 不适用于测量体积小和 温度瞬变对象的温度。
NTC热敏电阻器的电阻温度系数αt 并非常数， 随温度的降低而迅速增大； 测温灵敏度高； 适合测量微弱温度的变化； 非线性严重
6.3.3 NTC热敏电阻器的线性化处理 1)串联法
在一定温度范围内可得到总的等效电阻与温度呈近 似的双曲线特性，即等效电阻 ∝ 1/ T
2)并联法
热敏电阻外形
热电偶 -200~+1300 ℃ 点温度 冷端温度补偿 测温上限高
6.2.1 热电阻材料的特点 热电阻是利用金属材料的电阻随温度变化的特 性来进行温度测量的。
工业用热电阻测温范围：-200~500 ℃
优点： 准确度高。 灵敏度高。中低温下（5000C以 下），输出信号比热电偶大 输出信号便于远传和切换。 缺点： 不能测量太高温度。 热惯性大。 只能测量平均温度。 需要外供电源，连接导线 产生测量误差。
DS1820的特性 单线接口：仅需一根口线与MCU连接； 无需外围元件； 由总线提供电源； 测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃； 九位温度读数； A/D变换时间为200ms； 用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能 够识别具体报警传感器。
在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路
温度测量范围-100℃—＋1000℃，精度可以达 到1／10DIN，Ro值有Pt20、Pt50、Pt100、 Pt250、Pt500、Pt1000、Pt2000
铂热电阻分度表
2.铜热电阻
应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：―50～150℃ 优 点： 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。 缺 点： 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。 与铂相比，铜的电阻率低，铜料封装 热敏电阻
玻璃封装NTC 热敏电阻
MF58 型热敏电阻
6.4 其他温度传感器 6.4.1 PN结型温度传感器 PN结型温度传感器是利用半导体器件的某些性能 参数对温度的依赖性，实现对温度的检测。
1.温敏二极管 对于理想二极管，其PN结的正向电流IF和温度T 之间的关系为
1 1 −∆T U T = IRT = IR0 exp BN − = IR0 exp BN T T0 T ⋅ T0
T0——环境温度；△T——热敏电阻的温升。
3）NTC热敏电阻的电阻温度系数αt
1 dR 1 d ( Ae B / T ) 1 B B B /T αt = ⋅ = B /T = B / T ⋅ Ae ⋅ (− 2 ) =− 2 R dT Ae dT Ae T T
铜电阻的阻值与温度之间(在－50℃～＋150℃) 的关系为
Rt = R0 (1 + α t )
是线性的
工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一 设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50 和Cu100。
3.其它热电阻
铟、锰、碳等，是测量低温和超低温的理想材料 铟电阻 用99.999％的高纯度铟丝绕成电阻。在4.2K～ 15K(-269℃～-258℃)温度范围内，其灵敏度是铂电阻的10 倍。它的缺点是材料软、重复性差。 锰电阻 在63K～2K(-271℃～-210℃)温度范围内，电阻 随温度变化大，灵敏度高，缺点是材料脆，难拉成丝。 碳电阻 在-273℃～-268.5℃范围内使用，即液氦温域的 温度测量．价格低廉，对磁场不敏感，但热稳定性较差。
散热风扇
集成温度IC
CPU散热片
CPU插座
本章要点
热电偶
热电效应 热电偶基本定律 热电偶测温线路
热电阻（金属热电阻、热敏电阻）
热电阻的材料及工作原理 测量电路
其他温度传感器（PN结型温度传感器、集成
温度传感器）
4 Pt 3 Cu Ni 2
Rt / R0
1
-200
0
200
400 t/℃
600
800
6.2.3 热电阻的测量电路 热电阻接入结构一: 二线制
E 理想值 I = Rt (t )
I
G
连线电阻
t
r
Rt:热电阻
实际值 I =
E Rt (t ) + r
r的影响不容忽视。
1 误差 γ = I − I = R (t ) I 1+ t r
I/ μA
273.2μA
－55
0
150
TC / ºC
AD590的基本转换电路
输出电压Uo与热力学温度成 正比（1mV/K）
输出电压Uo与 摄氏温度 成正比（100mV/℃）
6.4.3 数字输出型IC温度传感器
美 国 DALLAS 公 司 生 产 的 单 总 线 数 字 温 度 传 感 器 DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供 微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号， 所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从 DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要 一根口线（单总线接口）。DS1820提供九位温度读 数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。
6.2.2 常用热电阻
主要技术性能
1.铂热电阻 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。
注意：铂在还原性气体尤其在高温还原性气体中，容 易被污染，导致铂丝变脆，并改变电阻与温度间的关 系。因此必须用保护套管把电阻体与有害气体隔离。
在0～650℃范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为 Rt=R0（1+At+Bt2） 在 –200℃～0℃范围内为： Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100) t3] 式中 R0、Rt——温度为0及t℃时铂电阻的电阻值；

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，以便减小电阻体尺寸； 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； 应有良好的可加工性，且价格便宜。
工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁难 提纯，我国目前只生产铂、铜、镍
RT/R25 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 25 50 75 100 125 T
RT 1 1 = exp BN − R25 T 298
(25ºC,1)
RT / RT0--T特性曲线
2) NTC热敏电阻器的伏安特性（ U—I ）
Um U0 U/V a b c d α β I0 Im 该曲线是在环境 温度为 T0 时的静 态介质中测出的 静态U—I曲线. I/mA
eU F ) I F = I s exp( kT
IF ——PN结的正向电流； e ——e＝1. 6×10-19C k ——玻尔兹曼常数； T ——绝对温度，单位为K。 Is ——PN结的反向饱和电流 则 IF kT UF = ln( ) e Is
2.温敏三极管 温敏三极管利用三极管发射结正向电压随温度上升 而近似下降的特性
RT0 = Ae
RT2 = Ae
RT0 RT0 T0T2 = B = ln A T2 − T0 RT2 e B /T0 B / T2
B / T0
B B = RT R0 exp( − ) NTC热敏电阻的R-T规律 T T0
为 了 使 用 方 便 ， 常 取 环 境 温 度 为 25℃ 作 为 参 考 温 度 （ 即 T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：
电阻——温度特性（RT—T）
RT/Ω 106 105 104 103 102 101 100
铂丝
2 4 1
3
1- NTC； 2- CTR； 3、4 － PTC
0
40
60 温度T/ºC
120
160
1）NTC的R-T特性
NTC热敏电阻的阻值与温度的关系为 RT
= Ae
B /T
RT ――温度T时的电阻值 A、B――取决于材质和结构的常数，A的量纲为Ω， B的量纲为K。
铂热电阻结构示意图
铜热电阻结构示意图
薄膜型及普通型铂热电阻
6.3 热敏电阻
6.3.1 热敏电阻的结构和特点 近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处 理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器 几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成: Mn、 Co、Ni、Cu、Fe氧化物
热敏电阻符号
各种热敏电阻传感器结构
热敏电阻的特点 • 电阻温度系数的范围甚宽 • 材料加工容易、性能好 • 阻值在1～10M之间可供自由选择 • 稳定性好 • 原料资源丰富，价格低廉
6.3.2 热敏电阻的温度特性 正温度系数热敏电阻器（PTC） 主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 负温度系数热敏电阻器（NTC） 主要材料是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 突变型负温度系数热敏电阻器（CTR） 其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。
= 3.90802 ×10−3 / °C A、B、C——常数值， A −5.802 ×10−7 / °C B= C= −4.27350 ×10−7 / °C
温度0℃时，R0的公称值是100Ω或50Ω
铂电阻的纯度 W100=R100/R0 R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国 际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得 小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为 BA1、 BA2，其R100/R0=1.391。