熱電阻式傳感器原理

2.7.2熱電阻熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。人們也常常把這種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的現(xiàn)象稱為熱阻效應(yīng)。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，通常把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。（1）熱電阻事實(shí)上各種金屬材料的阻值都會(huì)隨溫度的變化而變化，但要利用它作為測(cè)量用的熱電阻必須具體以下要求：電阻溫度系數(shù)要盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高，線性度好，并且能在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能。目前應(yīng)用較多的熱電阻材料主要有鉑、銅、鎳、鐵等。目前熱電阻廣泛用來測(cè)量范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)至，高溫達(dá)。熱電阻傳感器通常由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表構(gòu)成，如圖3.47所示。熱電阻也可以與溫度變送器連接，將溫度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。下頁(yè)上頁(yè)返回1精品ppt1）鉑電阻鉑電阻物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，并具有良好的工藝性能，易于提純，可以做成非常細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔，缺點(diǎn)就是電阻溫度系數(shù)較小，同時(shí)價(jià)格較昂貴。鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比來表示，它是鉑熱電阻在時(shí)的阻值與時(shí)的阻值之比。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑熱電阻的。鉑熱電阻除用作一般的工業(yè)測(cè)溫外，在國(guó)際溫標(biāo)IPTS-68中還被用來作為在溫度范圍內(nèi)的溫度基準(zhǔn)器。下頁(yè)上頁(yè)返回2精品ppt鉑電阻與溫度的關(guān)系，可用下面的公式表示在以內(nèi)（3.67）在以內(nèi)（3.68）式中—溫度為時(shí)的電阻值；—溫度為時(shí)的電阻值；—任意溫度（）；、、—常數(shù)；鉑的時(shí)，，，；鉑的時(shí)，，，；下頁(yè)上頁(yè)返回3精品ppt從式（3.67）和式（3.68）可以看出，熱電阻在溫度時(shí)的電阻值與有關(guān)，目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有和兩種，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中又以Pt100為常用。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，只要測(cè)得熱電阻的阻值，便可根據(jù)分度表查得對(duì)應(yīng)的溫度值。列出Pt100的分度表，如表3.3所示。2）銅電阻由于鉑是貴重金屬，故在一些測(cè)量精度要求不高，測(cè)溫范圍不大的情況下，可以采用銅電阻來代替鉑電阻，從而降低成本，同時(shí)也能達(dá)到精度要求。在的溫度范圍內(nèi)，銅電阻阻值與溫度關(guān)系幾乎是線性的，可用下式近似表示（3.69）式中—溫度為時(shí)的電阻值；—溫度為時(shí)的電阻值；下頁(yè)上頁(yè)返回4精品ppt

—銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，。銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率較低，電阻體積較大，熱慣性也大，而且易于氧化，不適合在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。目前工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)銅熱電阻有分度號(hào)為G（）、Cu50（）和Cu100（）三種。這里給出G分度表，以供工程技術(shù)人員在使用時(shí)查閱，如表3.4所示。3）其他熱電阻表2.3WZB型銅熱電阻G分度表溫度系數(shù)：

下頁(yè)上頁(yè)返回溫度（0C）0102030405060708090電阻（Ω）-5041.74053.0050.7548.5046.2443.99-053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.27-175.5277.7880.0382.2884.5486.795精品ppt下頁(yè)上頁(yè)返回表2.3鉑電阻分度表分度號(hào)：Pt100

溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω-200-1000010020030040050060070080018.4960.25100.00100.00138.50175.84212.02247.04280.90313.59345.13375.5156.1996.09103.90142.29179.51215.57250.48284.22316.80348.22378.4852.1192.16107.79146.06183.17219.12253.90287.53319.99351.30381.4548.0088.22111.67149.82186.82222.65.257.32290.83323.18354.37384.4043.8784.27115.54153.58190.45226.17260.72294.11326.35357.37387.3439.7180.31119.40157.31194.07229.67264.11297.39329.51360.47390.2635.5376.33123.24161.04197.69233.17267.49300.65332.66363.5031.3272.33127.07164.76201.29236.65270.86303.91335.79366.5227.0868.33130.89168.46204.88240.13274.22307.15338.92369.5322.8064.30134.70172.16208.45243.59277.56310.38342.03372.526精品ppt

鐵和鎳這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高，電阻率較大，因此可制成體積小、靈敏度高的電阻溫度計(jì)，但由于有易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性差、不易提純和非線性等嚴(yán)重缺點(diǎn)，目前應(yīng)用較少。由于鉑熱電阻和銅熱電阻對(duì)于低溫和超低溫的測(cè)量性能不理想，故在近年來一些新穎的熱電阻如銦電阻、錳電阻、碳電阻等逐步成為測(cè)量低溫和超低溫的理想熱電阻。4）熱電阻的測(cè)量電路用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路一般采用電橋電路。但是熱電阻與檢測(cè)儀表相隔距離一般較遠(yuǎn)，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響。熱電阻測(cè)溫電橋的引線方式通常有兩線制、三線制和四線制三種。如圖所示。兩線制中引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，一般用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合；三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差；四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，常用于高精度溫度檢測(cè)。下頁(yè)上頁(yè)返回7精品ppt

下頁(yè)上頁(yè)返回8精品ppt1-熱電阻感溫元件；2、4-引線；3－接線盒；5－顯示儀表；圖三線制接法熱電阻的接法9精品ppt三線制與兩線制的對(duì)比10精品ppt

保護(hù)套管接線盒

連接法蘭普通熱電阻熱電阻結(jié)構(gòu)11精品ppt半導(dǎo)體熱敏電阻溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。

12精品ppt3.7.2熱敏電阻式傳感器熱敏電阻是由金屬氧化物（NiO、MnO2、CuO、TiO2等）的粉末按照一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。1）熱敏電阻的溫度特性按半導(dǎo)體電阻-溫度特性，熱敏電阻典型可分為三類：即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）。它們的溫度特性曲線如圖所示。下頁(yè)上頁(yè)返回13精品ppt從圖3.49可以看出，CTR型在一定溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度的變化劇烈變化，故可作為理想的開關(guān)器件。在溫度測(cè)量中，則主要采用NTC或PTC型熱敏電阻，而使用最多的又是NTC型熱敏電阻。因此這里我們就只對(duì)這種熱敏電阻進(jìn)行介紹。下頁(yè)上頁(yè)返回14精品ppt根據(jù)半導(dǎo)體理論，在不太寬的溫度范圍內(nèi)（），NTC型熱敏電阻在溫度時(shí)的阻值可表示為（2-24）式中—溫度時(shí)的電阻值；—材料常數(shù)，一般情況下，在高溫時(shí)，值要增大。由上式可求得熱敏電阻的溫度系數(shù)（2-26）可見，隨溫度降低而迅速增大，決定了NTC熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)的溫度靈敏度。跟熱電阻相比較，NTC型熱敏電阻具有下下頁(yè)上頁(yè)返回15精品ppt列優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可用來測(cè)量微弱溫度變化；體積小，元件可制成片狀，柱狀，直徑可到0.5mm，故熱慣性小，響應(yīng)快，時(shí)間常數(shù)可小到毫秒級(jí)；元件本身的電阻值可達(dá)，故測(cè)量時(shí)引線電阻的影響相當(dāng)小，可以不考慮。但是，熱敏電阻的缺點(diǎn)是非線性大，在實(shí)際使用時(shí)要進(jìn)行線性化處理；同時(shí)它對(duì)環(huán)境溫度敏感，測(cè)量時(shí)易受到干擾。2）熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻主要由熱敏元件、引線、殼體組成，其結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖所示。根據(jù)不同的使用情況，可封裝成不同的形狀，常見的形狀主要有珠型、圓片型、方片型、棒型、薄膜型。如圖所示。下頁(yè)上頁(yè)返回16精品ppt

下頁(yè)上頁(yè)返回17精品ppt3）熱敏電阻的測(cè)量電路用熱敏電阻進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路一般采用電橋電路。由于引線電阻對(duì)熱敏電阻的測(cè)量影響極小，一般不考慮引線電阻的補(bǔ)償，但由于熱敏電阻的非線性特性，則在測(cè)量電路的設(shè)計(jì)和選擇時(shí)必須考慮線性化處理（當(dāng)然也可以通過軟件線性化處理）。這里簡(jiǎn)單介紹一種熱敏電阻非線性的線性化網(wǎng)絡(luò)處理方法。網(wǎng)絡(luò)化處理方法就是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串聯(lián)或者并聯(lián)而構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。圖a中熱敏電阻與補(bǔ)償電阻串聯(lián)后的等效電阻為