第四章-热电阻

半导体热敏电阻

工作原理：
是利用半导体材料的电阻随温度显 著变化这一特性制成的感温元件。 由某些金属氧化物按一定的配方比 例压制烧结而成。
热敏热电阻温度特性

负温度系数(NTC)热敏电阻（阻值随温度升高而显著减少） 采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造；

正温度系数(PTC)热敏电阻

1）电阻温度系数大 2）在测温范围内物理及化学性质稳定 3）有较大的电阻率，因为电阻率越大，热电阻 体的体积就可以做的小一些，热容量和热惯性也 就小些，这样对温度变化的相应比较快。 4）电阻值与温度的关系近似为线性，便于分度 和读书 5）复现性好，复制性强、容易得到纯净的物质。 6）价格便宜。
（1）铂热电阻 （Pt）


铜电阻的分度号
Cu50 和 Cu100
（3）镍热电阻（Ni）

特点：电阻温度系数大，灵敏度高。

测温范围是－60～＋180℃，主要用 于较低温域。 镍电阻的分度号有Ni100、Ni300和 Ni500
由于镍电阻的制造工艺较复杂，很难 获得a相同的镍丝，因此它的测量准 确度比铂电阻低。


表2-2 热电阻的主要技术性能

特点：稳定性好、精确度高、性能可靠。 ITS－90规定以铂电阻温度计作为 13.8033K～961.78℃温域的标准内插仪器

铂的电阻值与温度的关系
在－200～0℃范围内：
2 3 Rt R0 1 At Bt Ct (t 100)

在0～850 ℃范围内：
热电阻的自热效应 同其它电阻一样，有电流，电流过时电 流会在电阻上产生热量而使温度升高， 称为自热效应。 自热取决于两方面因素：
电能输入N：


N I R
2
热扩散量和仪器常数EK
N t EK
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EK在不同的情况下是不同的。 与介质的导热性能有关。 同一温度传感器
静止的空气-慢流动的空气-快流动的空气 静止的水-慢流动的水-快流动的水 自热大 自热小
热敏电阻外形
MF12型 NTC热敏电 阻
聚脂塑料封装 热敏电阻
其他形式的热敏电阻
玻璃封装 NTC热敏电 阻
MF58 型热敏电阻
其他形式的热敏电阻
带安装孔的热敏电阻
大功率PTC热敏电阻
其他形式的热敏电阻（续）
贴片式 NTC热敏 电阻
其他形式的热敏电阻（பைடு நூலகம்）
MF58型（珠形） 高精度负温度系 数热敏电阻
采用NiO2、ZrO2等化合物制造； 临界温度(CTR)热敏电阻

当温度超过某一数值后，电阻会急剧增加或减少。

电阻与温度的关系（非线性的）：
RT Ae
B /T
T为热力学温度；e＝2.71828；A、B为常数。
在温度T0时的电阻值为
RT0 Ae
两式整理得:
B / T0
RT RT0 e
1 1 B /( ) T T0
应为484 。
热电阻测温原理及特点

用热电偶测量500℃以下温度时， 热电势小，测量精度低；且使用中 经常需要进行冷端温度补偿。 故工业上在测低温时通常采用热电 阻温度计，其测温范围为－200～
500℃。



优点：
1）准确度高在中低温测温，它的输 出信号比热电偶的要大的多，故灵 敏度高 2）电阻信号便于远传； 3）无需冷端补偿； 4）可以实现多点切换测量。

缺点：
1）感温部分体积大，热惯性大；
2）在使用时需要外供电源；
3）连接导线电阻易受环境温度影响而产 生测量误差。


热电阻温度计的组成：
热电阻（电阻体、绝缘管 和保护套管）
连接导线 显示仪表


金属导体或半导体: 电阻值R = f (温度t)

电阻温度系数（α）
—— 温度变化1℃时，导体电阻值的相对 变化量，单位为1/℃。
热电阻温度计
热电阻测温原理 常用热电阻种类 热电阻的结构 半导体热敏电阻
热电阻测温原理及特点
*温度升高，金属内部原子晶格的振 动加剧，从而使金属内部的自由电子通过 金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电 阻率变大，电阻值增加. * 正温度系数，即电阻值与温度的变化趋 势相同。
取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以 发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值
4. 其他低温用热电阻
铑铁/铂钴 在低温下灵敏度也较大，可以用于测量低 温及深低温。

例：用分度号Cu100的铜电阻温度计测得 发电机冷却水温度为56℃，但检定时确 知铜热电阻的R0＝100.8Ω ，电阻温度系 数α’＝4.29×10-3/℃，试求冷却水的实 际温度。
解：测温时显示仪表按R0=100Ω ,

（2）铠装热电阻
2.薄膜铂热电阻
利用真空镀膜法将纯铂直接蒸镀在绝缘 的基板上制成。 测温范围：-50～600℃，最大特点可 以测出物体表面的真实温度。
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3.厚膜铂热电阻
用高纯铂粉与玻璃粉混合，加有机载 体 调成糊状浆料，用丝网印刷在刚玉基偏上 ，再烧结安装引线，最后涂玻璃釉作为绝 缘保护层。 它与线绕铂电阻的应用范围基本相同， 但在机械振动环境下，明显高于线绕式热 电阻。
MF5A-3型热敏电阻
（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）
非标热敏电阻
非标热敏电阻（续）
非标热敏电阻（续）
热敏电阻温度面板表
热敏电 阻
LCD
热敏电阻体温表
热敏电阻用于CPU的温度测量
（参考小熊在线公司资料）
热敏电阻用于电热水器的温度控制


优点： 1）电阻温度系数大，灵敏度高； 2 ）电阻率很大，体积可做的很小，热惯性小， 响应快,可用来测量点的温度。 3 ）电阻值很大，连接导线电阻变化的影响可 忽略； 缺点： 1）同一型号的热敏电阻的电阻温度特性分散性 很大，互换性差； 2）电阻温度关系不稳定，随时间而变,需及时 标定。

在 0 ～ 100℃范围内，电阻温度关系是线性的：
Rt = R0(1+αt)
式中，α＝4.28×10－3/℃,

优点：R-t关系近似线性；α较大；材料易 提纯；价格便宜，互换性好。 缺点：电阻率较小，为保持一定阻值需要 细而长的铜丝，使体积↑热惯性↑；测温 上限低，因为铜在100℃以上易氧化且抗 腐蚀性差。
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薄膜型及普通型铂热电阻
小型铂热电阻
防爆型铂热电阻
汽车用水温传感器及水温表
铜热电阻
铂电阻温度显示、变送器
热电阻的接线方法：
引出线—由热电阻体至接线端子的连接导线
（1）两线制 存在引出线电阻随温度变化产生的附加误差； （2）三线制 可以消除引出线电阻的影响；工业上多采用。 （3）四线制 不仅可消除引出线电阻的影响，还可消除连接 导线间接触电阻及其阻值变化的影响。多用于 标准铂热电阻的引出线上。

半导体热敏电阻的结构图：
a：珠形热敏电阻；b：涂敷玻璃的热敏电阻 1：电阻（金属氧化物烧结体）；2：引出线（铂丝）；3：玻璃；4：杜美丝
C: 带玻璃保护套管的热敏电阻 1：金属氧化物烧结体；2：铂丝；5：玻璃管
图2-21 热敏电阻的外形、结构及符号
a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型 热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1—热敏电阻 2—玻璃外壳 3—引出线 4—紫铜外壳 5—传热安装孔
热电阻在使用中的注意事项：

为减小环境温度对线路电阻的影响，工业上常采用 三线制连接，也可以采用四线制连接。
热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值， 否则将产生系统误差。 热电阻工作电流应小于规定值，否则因过大电流造 成自热效应，产生附加误差。 热电阻分度号必须与显示仪表调校时分度号相向。


Rt Rt 0 1 R Rt 0 (t t0 ) Rt 0 t

α ↑→ 灵敏度↑。
金属导体: t↑→Rt↑ ，∴α为正值；
而半导体: t↑→Rt↓ ，∴α为负值。

金属纯度↑→α↑。有些合金材料，如 锰铜 α→0。
常用热电阻材料的电阻与温度关系
常用热电阻种类

根据感温元件的材质可分为金属导体和 半导体两大类。金属热电阻目前大量使 用的有铂、铜和镍三种。 按准确度等级可分为标准电阻温度计和 工业电阻温度计。
RT Ae
B /T
[解]
RT A e B dR B B T T A e 2 RT 2 T T dT
B T
代入已知数据，即可求得A和B的值
A=0.000043092 (Ω ); B=4296.8 (K)
再利用公式求得，RT在50℃(即50＋273.15K)时 的阻值为25.64 Ω 。
B
ln RT ln RT0 1
T

1
T0
通常B在1500~5000K范围内，由于B值随成分、工艺等因素 影响，变化很大，故这种热敏电阻必须个别分度。
[例] 已知某半导体热敏电阻在20℃时的 阻值为100Ω ，其电阻与温度斜率为 dR/dt=－5.0Ω /K。 试求：该热敏电阻在50℃时的阻值。 [提示] 利用公式
α＝4.28×10-3/℃分度的，
Rt = R0(1+αt)，故
100×(1十0.00428×56)
= 100.8×(1十0.00429×t)
由此求得冷却水实际温度 t =53.6℃。
热电阻的结构
（1）普通热电阻
热电阻的结构
绝缘骨架 作用：缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架 热电阻体 引出线 热电阻体至接线端子的连接导线成为引出线。 要求： 1）要选用纯度高，与电阻丝、接线端子之间产生的热电 势极小，而且在最高使用温度下不挥发，不氧化、不 变质的材料。 2）引出线的直径比电阻丝的直径大得多，这样可以减小 引出线电阻。