第7章热电式传感器

3. 其他热电阻
最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线 及显示仪表组成，如图所示。
图 金属热电阻传感器测量示意图
图 热电阻结构
7.1.2 半导体热敏电阻
1.热敏电阻的特点 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测
温元件。 热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按
特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即： 正温度系数（PTC）热敏电阻 负温度系数（NTC）热敏电阻 在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻
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B值，即
A
R e
B T1
T1
B T1 •T2 ln RT1 T2 T1 RT2
2.负温度系数热敏电阻的特性 图7-2示出热敏电阻的伏安特性曲线。 由图知，当流过热敏电阻的电流较小 时， 曲线呈直线状；当电流增加时， 出现了非线性；当电流继续增加时， 出现电压随电流增加而降低的现象。
2.近代热敏电阻的特性 （1）近年来研制的玻璃封装电 阻 具有较好的耐热性、可靠性、 频响特性。
式中 R0、Rt——分别为0℃和t℃时的电阻值；
A——常数(3.96847×10-3/℃)；
B——常数(-5.847×10-7／℃2)； C——常数(-4.22×10-12／℃4)；
由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小 时，均采用铜电阻。铜容易提纯，在-50~150℃范围内铜电阻 化学、物理性能稳定。输出-输入特性接近线性，价格低廉。
铜电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示
Rt R0 1 At Bt2 Ct3
式中 R0、Rt——分别为0℃和t℃时的电阻值；
A——常数(4.28899×10-3/℃)；
B——常数(-2.133×10-7／℃2)； C——常数(1.233×10-9／℃3)； 由于铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1/6左右，当温度高于 100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介 质中工作。
第7章 温度传感器
7.1 热电阻传感器 7.2 热电偶传感器 7.3 热电式传感器的应用
7.1 热电阻传感器
7.1.1 热电阻 1.热电阻材料的特点 作为测量温度用的热电阻材料，必须具有以下特点， (1)高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加 快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。(2)化 学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电 阻的测量淮确性。(3)良好的输出特性。即必须有线 性的或者接近线性的输出。(4)良好的工艺性，以便 于批量生产、降低成本。
不足之处为互换性差，非线性严重。
2.负温度系数热敏电阻的特性
图7-1为负温度系数热敏电阻的电阻温度特性曲线，可以用如下经验公式
描述：
B
RT AeT
式中 RT——温度为T时的电阻值；
A——与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数；
B——热敏电阻常数。
若已知T1和T2时的电阻为RT1和RT2则可通过公式求取A、
2、工作定律
（1）中间导体定律
若三结点温度均为T0，则回路总热电势为 EABC (T0 ) EAB (T0 ) EBC (T0 ) ECA (T0 ) 0
若A、B结点温度为T，其它结点温度为T0， 且T>T0，则回路总热电势为
EABC (T ,T0 ) EAB (T ) EBC (T0 ) ECA (T0 )
7.2 热电偶传感器
❖ 7.2 热电偶传感器 ❖ 热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造
简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确 度和稳定性。 ❖ 7.2.1 热电效应及其工作定律 ❖ 1.热电效应 ❖ 如图7-8所示，两种不同材料的导体 组成一个闭合回路时，若两接点温度 不同，则在该回路中会产生电动势。 这种现象称为热电效应，该电动势称 为热电势。
因为 EAB (T0 ) [EBC (T0 ) ECA (T0 )]
所以 EABC (T ,T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) EAB (T ,T0 ) 结论：若导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只 要保证两接入点温度相同，则回路总热电势不变。
T
T0 A B dT
回路总热电势为
T
EAB (T,T0 ) EAB (T ) EAB (T0) T0 ( A B )dT
结论：
1、如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB， σA=σB，虽然两端点温度不同，但闭合回路的总热 电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料 作热电极。
2、如果热电偶两热电极材料不同，而热电偶两端 的温度相同，即T=T0，闭合回路中也不产生热电 势。
器（CTR）。
1.热敏电阻的特点 负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体， 通常用它测量-100~+300℃范围内的温度，与热电阻 相比，其特点是：(1)电阻温度系数大，灵敏度高， 约为热电阻的10倍。(2)结构简单，体积小，可以测 量点温度。(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。 (4)易于维护和进行远距离控制。(5)制造简单，使用 寿命长。
两种导体的接触电势 假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和
nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子 的扩散现象。
达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位 差，即接触电势eAB，如图所示。
图 两种导体的接触电势
接触电势的大小除与两种金属的性质有关外,还与 结点温度有关,可表示为
EAB (T
)
kT e
ln
NA NB
单一导体的温差电势 对于单一导体，如果两端温度分别为T、T0，且
T>T0，如图所示。
图 单一导体温差电势
温差电势的大小与金属材料的性质和两端的温差有 关，可表示为
T
EA(T ,T0 ) T0 AdT
A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为
EA(T,T0) EB (T,T0)
2. 铂、铜热电阻的特性
金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导 体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。
金属热电阻的主要材料是铂和铜。
铂电阻阻值与温度变化之间的关系为：
在0~660℃温度范围内有 Rt R0 (1 At Bt 2 )
在-190~0℃温度范围内有 Rt R0 1 At Bt2 C(t 100)t3