第七章 热电式传感器

V（电压）
b· a·
·c
d
·
曲线分四段， 0－a段：电 流小于Ia，功耗小，电流 不足以使热敏电阻发热，
元件上的温度基本是环境
温度。此时热敏电阻相当
于一个固定电阻，电压与
0 Ia
Im
I（电流） 电流之间符合欧姆定律。
a－b段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引
起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低， 因此出现非线性正阻区，电流增长速度＞阻值减小的速度。
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ABS材质外壳，PVC导线,用 于电冰箱、冰柜。耐腐防潮
1.耗散系数： 5mW/℃ 2.热时间常数: < 10S 3.测温范围: -40℃ ~~~ +110℃
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铜质外壳，PVC导线， 用于空调、饮水机
铜制、不锈钢外壳， PVC导线，用于热水器
半导体 热敏电阻 电 阻
铂热电阻
热敏电阻是用半导体材
料制成的热敏器件，与金属 热电阻比较而言，具有温度 系数高，灵敏度高，热惯性 好（适宜动态测量）但其稳 定性和互换性较差。
金属的电阻随温度的升高而
增大，但半导体却相反，它
温度
的电阻值随温度的升高而急
剧减小，并呈现非线性。
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当热电阻安装 的地方比较远，则 其导线电阻当环境 温度变化时也要变 化，会造成测量误 差。
图中R1、R2、R3 为固定电阻，Rp为 调零电位器
其它热电阻
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✓ 铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电 阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温 度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非 线性，仅用于-50~100℃；用的较少。
件，具有正温度系数。其温度特性 曲线如左图所示，从特性曲线上可 以看到PTC热敏电阻具有以下特性：
106
(1) 当温度低于居里点TC时，具有 半导体特性；
105
(2) 当温度高于居里点TC时，电阻 值随温度升高而急剧增大，至TN温
104
度时出现负阻现象；
(3) 具有通电瞬间产生强大电流而
103
后很快衰减的特性。
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热电阻的结构
铜热电阻结构示意图
盖
骨架 漆包铜线
引出线
内部导线 热电阻
接线座
云母弹簧型 云母骨架 铂丝 弹簧支承片 银引出线
保护管
玻璃封装型
绝缘管
塑封型
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热电阻测量线路
热电阻测温电桥三线连接法
R1
R2 r2
G
E
r3
R3
r1
Rp
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防水封装铂电阻
核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100 PT1000） 元件精度：±0.15℃ (A级) ±0.30℃ (B级) 封装材料：镀镍铜管或不锈钢管 管料尺寸：ø 4 * 25mm 连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）
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c－d段：随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续 增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的 速度大于电流增加的速度，出现c－d段负阻区。
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0－a段：正常使用热敏电阻测温时。
c－d段：可用来测量风速、真空度、流量等参 数。
热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补 偿。
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WZP系列装配式铂电阻 及铠装电阻芯 用于一般工业场测温 使用温度-200℃～700℃
高强度石英管测温铂电阻 温度范围-100°C至+500°C 适用于镀锌锅炉、耐酸、耐
碱等强腐蚀场合 注:不耐氢氟酸及磷酸
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铂丝的电阻值与温度之间的关系
在-200～0℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt 2+C(t－100)t 3]
在 0～850℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt 2]
R0 —当温度为0℃时的电阻值； A＝ 3.90802×10-3/℃
Rt — 温度为t℃时的电阻值； B= -5.802×10-7/℃2
半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式 是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子 的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻 率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流 子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻 率也就降低了。
热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变 化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物 按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根 据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度 变化。
分度号 测温范围 允许偏差
电阻比R100/ R0
/C
/C
名义值 允许误差
Cu50 Cu100
-50~150
±(0.30 +0.006|t|)
1.428
±0.002
➢ 铜电阻的特点
电阻率小 ； 容易氧化 ； 价格便宜 。
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第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学 WZC-111/Φ12*1000mm Cu50
1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电
现头象的。中即一赛在 个这 加贝两 热克种 即金可属产构生成电的流闭。合在回冷路接中 头， 处对 ，两 电个 流接 从 铁Th流om向a铜s 。Jo由ha于n冷n、Se热eb两ec个k 端（接头）存在温差而产
生的电势差e，就是温差热电势。这种由两种不同的金 属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。
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典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等， 其结构及温度特性如图所示。
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学 热敏电阻的结构
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实物图片
1.耗散系数： 5mW/℃ 2.热时间常数: < 10S 3.测温范围: -40℃ ~~~ +110℃ 主要用于电饭锅等烹饪用具。 耐高温，反应快而精确
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MZ4系列加热用PTC热敏电阻 MZ5汽车测温用PTC热敏电阻
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MZ41系列卷发器用PTC热敏电阻
MZ6系列电机保护用 PTC热检测器
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§7-3 热电偶传感器
一、热电偶传感器的工作原理
赛1贝、克热（电Se效eb应eck）效应(热电势)
NTC热敏电阻应用广泛。
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2、CTR热敏电阻
电阻率ρ（Ω.cm） 107
105
103
101 0
Tc
50 100 150 200 温度T（℃）
CTR热敏电阻是以三氧化 二钒与钡、硅等氧化物，在磷、
硅氧化物的弱还原气氛中混合
烧结而成，它呈半玻璃状，具 有负温度系数。通常，CTR热 敏电阻用树脂包封成珠状或厚 膜形使用，其阻值在1k Ω ~ 10MΩ之间。
➢ 目前，铂和铜生产是标准的。 铂：Pt50、Pt100、Pt300 主要是Pt100（R0＝50、100、
300Ω） 铜：Cu50、Cu100 铂的测温精度很高，达0.001℃ 铜±0.5°（－50～50℃）， ±1℃（50～150℃）
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学 ➢ 铜电阻的主要技术指标
精密温度传感器 PtWD－1A型-100℃～3wk.baidu.com0℃ 误差小于0.1℃，精度为超A级
天燃气流量计 温度补偿用铂电阻 天燃气涡轮流量计等用
油浸变压器用铂电阻
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医疗器械铂电阻 薄模铂电阻元件 尺寸： 2.3mm×2.1mm×0.9mm （长×宽×高） 线长 10mm 用 于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。
铜丝的电阻值与温度之间的关系
在-50～150℃温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为： Rt＝R0(1+At+Bt 2+Ct 3) Rt — 温度为t℃时的铜电阻值 R0 — 温度为0℃时的铜电阻值
A、B、C — 常数 A＝4.28899×10-3/℃ B＝-2.133×10-7/℃2 C＝1.233×10-9/℃3
Rt
作用：① 当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们 的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。
② Rp的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定 不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。
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热电阻测温电桥四线连接法
R1
R2
G E
Rp
R3
r1 r2 r3 r4 Rt
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电势低 A T
铁
mA
基于PTC热敏电阻的特性，可利
102 101
0
TC
100 温度T（℃）
用其自控作用，做成各种恒温器、
TN
限流保护元件或温控开关。还可以
用PTC组成发热元件，功率一般为
200 几瓦到数百瓦。
哈尔滨工业大学
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将热敏电阻接上一个电流源 ，并在它两端测得端电压，
可得到热敏电阻的伏安特性。
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实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料， 其中主要应用的是铂和铜。
铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制 造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。
铜可用来制造-50～150℃范围内工业用电阻温度外，特 点是价格低廉，缺点是电阻率低，且容易氧化，一般用在较 低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。
±(0.30 +0.005|t|)
1.385 ±0.001
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➢ 铂电阻的特点
即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都 很稳定；
易提纯，复现性好，有良好的工艺性 ； 有较高的电阻率 ； 在还原性介质中性能易受影响； 电阻温度系数不太高 ； 价格贵 。
• 几种铂电阻
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二、热敏电阻的基本类型
根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏 电阻基本可分为三种类型。
1、NTC热敏电阻
NTC热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍 （Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、铁（Fe）等金属 氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，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NTC热敏电阻。它具有负的电阻温度系 数，随温度上升而阻值下降。
✓ 铟电阻：-269~-258℃ ；测量精度高，灵敏度 高，但重现性差。
✓ 锰电阻：-271~-210℃ ；灵敏度高，但脆性高， 易损坏；
✓ 炭电阻：-273~-268.5℃ ；热容量小，灵敏度 高，价格低，易操作，但热稳定性较差。
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§7-2 热敏电阻传感器
一、工作原理
A、B、C — 由实验确定的常数。
C＝ -4.27350×10-12/℃4
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学 ➢ 铂电阻的主要技术指标
等 级
分度号
测温范围 /C
允许偏差 电阻比R100/ R0
/C
名义值
允许误 差
Pt10 A
Pt100 Pt10 B
Pt100
-200~850
±(0.15 +0.002|t|)
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第七章 热电式传感器
§7-1 热电阻传感器
热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，
对温度和温度有关的参数进行检测的装置。 ➢ 热电阻效应——物质的电阻率随温度变化而变化的现象。
金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后， 这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随 着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动 的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移 动将受到阻碍，金属的电阻率也随之增大。
在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻 与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻— 温度曲线变为平坦。
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• 热敏电阻的特点
➢ 电阻温度系数大，灵敏度高； ➢ 形状多样，体积小，热惯性小，响应速度快； ➢ 电阻值大，远距离测量时可不考虑导线电阻的
影响； ➢ 在-50C~350C范围内具有良好的稳定性； ➢ 阻值分散性大、复现性差； ➢ 非线性大； ➢ 老化较快。
CTR热敏电阻随温度变化 的特性属剧变型，具有开关特
性，如左图所示。当温度高于 居里点TC时，其阻值会减小到 临界状态，突变的数量级为 2~4。因此又称这类热敏电阻 为临界热敏电阻。
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3、PTC热敏电阻
PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合 稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元
电阻率ρ（Ω.cm） 107