热电阻式传感器原理

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根据半导体理论，在不太宽的温度范围内（ 450 C），NTC型热 敏电阻在温度时的阻值可表示为
o
1 1 RT R0 expb( ) T T0
式中
（2-24）
R0 —温度 T0时的电阻值； b —材料常数，一般情况下 b 2000 ~ 6000 K ，在高温时， b 值要增大。 由上式可求得热敏电阻的温度系数
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电阻 rc I E RT rc RT 温度 RT+r c RT
电阻
rc
RT rc RT//r c 温度
a)
串联补偿线路 图 热敏电阻常用补偿线路
b)
并联补偿线路
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Baidu Nhomakorabea
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热敏电阻常用电桥作为测量电路。这里我们以线性化并联补偿 为例，给出热敏电阻的实用测量电路，如图所示。
rc RT R1 E 图 热敏电阻电桥测量电路 R3 R2 -
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热电阻 导线 图 3.47 热电阻传感器
显示仪表
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 W100来表示，它是铂热电阻在 100o C 时的阻值 R100 与 0 o C 时的阻值 R 之比。按IEC标准，工业用铂 0 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 259.34o C ~ 630.74o C 温度范围内的温度基准器。
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电阻 (Ω) 负温度系数 106 （NTC） 临界温度 10
4
系数 （CTR）
正温度系数 （PTC）
102
100
40 80 120 160 200
温度 (oC)
图 3.49
各种热敏电阻的温度特性曲线
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。
（3.68）
—任意温度（o C）； A 3.968 10 A、、 B C —常数；铂的 W100 1.391 时， C 4.22 1012 / o C ； A 3.949 10 铂的W100 1.389时， C 4.04 1012 / o C ；
t
3
/o C
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。
Rt R0 (1 t )
o 式中 Rt —温度为 t C 时的电阻值； R0—温度为 0 o C 时的电阻值；
（3.69）
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4.25103 ~ 4.28103 / o C 。 —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（ R0 53 ）、 Cu50（R0 50）和Cu100（ R0 100 ）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
3 o 温度系数： 4.25 10 / C
R0 53
30 40 50 60 70 80 90
温度 （0C） -50 0 -0 -1
0 41.74 53.00 53.00 75.52
10
20
电阻（Ω）
50.75 55.25 77.78 48.50 57.50 80.03 46.24 59.75 82.28 43.99 62.01 84.54 64.26 86.79 66.52 68.77 71.02 73.27
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 200 ~ 800o C 范围内的温 度，少数情况下，低温可测至 1K ，高温达 1000o C。 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。
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铂电阻与温度的关系，可用下面的公式表示 在 200 C ~ 0 C 以内 Rt R0 [1 At Bt 2 C(t 100t 3 )]
o o
（3.67）
在 0 o C ~ 800o C 以内
Rt R0 (1 At Bt 2 )
o R t t 式中 —温度为 C 时的电阻值； R0 —温度为 0 o C时的电阻值；
1 dRT b 2 RT dT T
（2-26）
随温度降低而迅速增大， 决定了NTC热敏电阻在全部工 可见， 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
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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 3 ~ 700 K 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。
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表2.3 铂电阻Pt100 分度表 分度号：Pt100
温度 /℃ -200 -100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 电阻/Ω 18.49 60.25 100.00 100.00 138.50 175.84 212.02 247.04 280.90 313.59 345.13 375.51 56.19 96.09 103.90 142.29 179.51 215.57 250.48 284.22 316.80 348.22 378.48 52.11 92.16 107.79 146.06 183.17 219.12 253.90 287.53 319.99 351.30 381.45 48.00 88.22 111.67 149.82 186.82 222.65. 257.32 290.83 323.18 354.37 384.40 43.87 84.27 115.54 153.58 190.45 226.17 260.72 294.11 326.35 357.37 387.34 39.71 80.31 119.40 157.31 194.07 229.67 264.11 297.39 329.51 360.47 390.26 35.53 76.33 123.24 161.04 197.69 233.17 267.49 300.65 332.66 363.50 31.32 72.33 127.07 164.76 201.29 236.65 270.86 303.91 335.79 366.52 27.08 68.33 130.89 168.46 204.88 240.13 274.22 307.15 338.92 369.53 22.80 64.30 134.70 172.16 208.45 243.59 277.56 310.38 342.03 372.52
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RT
热敏电阻 绝缘套管 a) 图 结构
引线 b) 符号
热敏电阻的结构和符号
a) 珠状
b) 圆片状
c) 热敏电阻体 电极 基片
方片状
d)
棒状
e)
珠状
图 热敏电阻的常见形式
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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 RT 与补偿电阻 rc 串联后的等效电阻为 ， rc RR 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 T rc 成线性关系，从而电流I与温度T成线性关系；图b 中热敏电阻 RT 与补偿电阻 rc并联后的等效电阻为 R rc RT 。 rc RT 从图中可看出，R与温度的关系曲线变得比较平坦，因而可以 在某一温度范围内得到线性化输出。
R0 100
90
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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。
B 5.847 10 ，
7
/ o C，
3
B 5.851 107 / o C ， / o C，
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从式（3.67）和式（3.68）可以看出，热电阻在温度 t 时的电 阻值与 R0有关，目前我国规定工业用铂热电阻有R0 10 和 R0 100 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 Rt ，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
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热电阻 两线制
热电阻 三线制
热电阻 四线制
图 热电阻测量电路内部引线方式
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热电阻的接法
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
三线制与两线制的对比
热电阻结构
普通热电阻
接线盒 连接 法兰
保护 套管
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。