第二章附热电阻式传感器

⑵ 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，所以铜电阻的体积较大。
精密测量中，采用四线制接法 ，有效消除线路寄生电势。 调零电位器
热电阻测温电桥的四线制接法
四线制
实验室用，高精度测量 四根导线引到现场温度
计。 当压表测量电流很小时，
可完全消除引线电阻影 响。
r4 r3
Rt
V
I
r2
r1
恒流源供电
铂测温电阻传感器
铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、 难于测定狭窄位置的温度。
当实际温度达到要求控制的温度时，由于R t（NTC型）的阻值降低，使 VTl的be电压过低 (< 0.6V) , VTl截止，相继VT2截止，继电器断开，电热 丝断电而停止加热。这样便达到控制温度的目的。
⑶ 温度补偿
仪
表
中
的
电
阻
温 度
改善温度系数非线性
补
偿
电
路
金属一般具有正的温度系数，
采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，
4. 热敏电阻的主要参数
⑴ 标称电阻值RH : 在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻 值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几 何尺寸。
⑵ 材料常数B(K)：描述材料特性的一个常数，取决于热 敏电阻材料的激活能力，值大，灵敏度高。
(3)电阻温度系数α：指温度升高1℃时，电阻值的相对变 化量。电阻率越高，温度系数也越大。
0.63 (T－T0) 时所需的时间。
C/H
(8) 额定功率PE 在标准压力（750mmHg）和规 定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用 所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时， 热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。
5. 热敏电阻的线性化
NTC的几种组合电路及其热电特性 热敏电阻的电阻-温度特性呈指数关系，有较大非线 性，一般处理方法是与温度系数小的电阻进行串并联，使 其等效电阻在一定温度范围内是线性的。
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
贴片式NTC热敏电阻
其他形式的热敏电阻
MF5A-3型热敏电阻
MF58型（珠形）高精 度负温度系数热敏电阻
非标热敏电阻
3. 热敏电阻的主要特性
⑴ 温度特性
R R e R e B

1

1

T T0
两线制适于引线不长、测温 精度要求较低的场合。
图9.17 两线制
2r/R≤10-3时， 误差才可忽略
三线制
工业用热电阻一般采用三线制，消除引线电阻影响，提高测量精度
G——检流计，R1 ，R2 ，R3——固定电阻， R a——零位调节电阻， R t ——热电阻
热电阻测温电桥的三线制接法
四线制接法
若采用恒定温差法，求出输入功率P就可求出质量
铂电阻的精度与铂的提纯程度有关
百度电阻比 W (100) R100 R0
R0： 0oC电阻阻值 R100: 100o C电阻阻值
W（100）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，W（100）≥1.3925 目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，相当于99.9995% 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。
其大小取决于热敏电阻的材料。
B

ln

RT R0


1 T

1 T0

若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。 一般取20℃和100℃时的电阻R20 和R100计算B值， 即将T=373K，T0=293K代入上式，则
B

1365 ln

R20 R100
当热敏电阻感温元件插入被测介质后，再将切换开关旋到2处， 接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。
⑵ 温度控制
简
易
温
度
控
制 器
加热指 示灯
由VR设定动作温度。如下：实际温度低时， R t 大，VT1的be之间电压 大于导通电压，VT1导通，相继VT2也导通，继电器吸合，电热丝加热。
7.3.1 金属热电阻
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：
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。

将B值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性:
热敏电阻的电阻温度系数
热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电 阻值的相对变化量


1 RT
dRT dT

B T2
B和α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电 阻温度系数高很多，所以它的灵敏度很高。
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 接的电路获得功率； 四端器件：旁热式 体积达到小型化与超小型化。
热敏电阻的结构形式
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
可以抵消由于温度变化所产生的误差
(4) 流量测量
热式质量流量计
– 原理：流体中热传递与热转移与流体质量的关系。
– 利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成 的温度场变化，从而测得流体的质量流量。
– 流量方程式：
P qm cpT
P：加热功率；c p：比定压热容；T：加热器前后温度差
– 采用恒定功率法，测量温差△T可以求出质量流量。
2. 热电阻的结构
普 通 工 业 用 热 电 阻 式 温 度 传 感 器
热电阻的结构
电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相 抵消）绕在绝缘支架上，图b所示。
1—电阻体；2—瓷绝缘套管；3—不锈钢套管；4—安装固定件；5—引线口； 6—接线盒；7—芯柱；8—电阻丝；9—保护膜；10—引线端
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。
主要应用：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 2—流通玻璃管 3—铂丝 （a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，
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 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。
铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量 范围一般为―50～150℃。
⑴ 铂热电阻 目前最好材料
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。
热电阻结构
小型铂热电阻
汽车用水温传感器及水温表
铜热电阻
7.3.2 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 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： 热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍） 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。 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。
(4)耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差 1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /℃；
(5) 热容量C 热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的 热量，单位为J／℃；
(6) 能量灵敏度G （W）
使热敏电阻的阻值变化1％所需耗散的功率。
G (H / )100
(7) 时间常数τ 温度为T0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ΔT=
实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.322×10-5Pa。 （b）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
⑴ 温度测量 ⑵ 温度控制 ⑶ 温度补偿 ⑷ 流量测量
⑴ 温度测量
热 敏 电 阻 点 温 计
开关S旋到1处接通校正电路，调节R6使显示仪表的指针转至测量 上限，用以消除由于电源E电压变化产生的误差。
B

1 273
t

1 273
t0

T
0
0
NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性
式中 RT , R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值( Ω )；
T0, T ——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（℃）；
B ——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K，
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
成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。
两线制
Es
这种引线方式简单、费用低， 但是引线电阻以及引线电阻
的变化会带来附加误差。
R2
R1
A
R3
r Rt r
7.3 热电阻式传感器
7.3.1 金属热电阻 7.3.2 半导体热敏电阻 7.3.3 热电阻式传感器的应用
基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。 优点：信号可以远传、灵敏度高、无参比温度。 金属热电阻稳定性好、准确度高，可作为基准仪表。 缺点：电源激励、自热现象，影响精度。
7.3.3 热电阻式传感器的应用
1 金属热电阻传感器
－200～+500℃范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。
2 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 家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、 流速测量、液面指示等。
1. 金属热电阻传感器
工业广泛使用，－200～+500℃范围温度测量。 在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至 更低，1K左右。高温端可测到1000℃。
铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下: 当温度t 在－200℃≤ t ≤0℃时：
Rt R0[1 A t B t 2 C( t 100 ) t 3 ]
当温度 t 在0℃≤ t ≤650℃时：
Rt R0[1 A t B t 2 ]
国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391， R0分为10Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt10和Pt100， 并给出其分度表（给出阻值和温度的关系）
铜热电阻
铜电阻的阻值与温度之间的关系为
R t R0 1 At Bt 2 Ct 3
A、B、C为常数，常取A＝(4.25～4.28)×10-3/℃….
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，相应的分度表可查阅相关资料。
用途：温度开关
热敏电阻分类
NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数
主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧 化物 混合烧结而成，改变混合物的成分和配比 就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的 NTC热敏电阻。
应用：点温、表面温度、温差、温场等Hale Waihona Puke Baidu量 自动控制及电子线路的热补偿线路
2. 热敏电阻的结构
1. 热敏电阻特点与类型
正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR)
热敏电阻典型特性
热敏电阻分类
PTC热敏电阻－正温度系数
钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途： 各种电器设备的过热保护，
发热源的定温控制，限流元件。 CTR热敏电阻－临界温度系数
以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧 化物在弱还原气氛中混合烧结而成。在某个温度 上电阻值急剧变化,具有开关特性。
⑵ 伏安特性
在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压 U之间的关系。
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，伏安特性是直线，遵循欧姆定 律。主要用来测温。
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(周围介质温度及散热条件)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 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。