熱電阻式傳感器原理教學(xué)教材

1、2.7.2 熱電阻熱電阻 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行測溫的。人們也常常把這種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫的原理進行測溫的。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)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。體熱電阻稱為熱敏電阻。 （1）熱電阻）熱電阻 事實上各種金屬材料的阻值都會隨溫度的變化而變化，但

2、要利事實上各種金屬材料的阻值都會隨溫度的變化而變化，但要利用它作為測量用的熱電阻必須具體以下要求用它作為測量用的熱電阻必須具體以下要求(yoqi)：電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)要盡可要盡可能大和穩(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、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量銅、鎳、鐵等。目前熱電阻廣泛用來測量 范圍內(nèi)的溫范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測至度，少數(shù)情況下，低溫可測至 ，高溫達，高溫達 。 熱電阻傳感器

3、通常由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表構(gòu)成，如圖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)電流信號輸出。流信號輸出。下頁下頁上頁上頁返回返回Co800200K1Co1000第一頁，共20頁。 1）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(jyu)良好的工藝性能，易于提純，可以做成非常細的鉑絲或極薄的鉑箔，缺點就是電阻溫度系數(shù)較小，同時價格較昂貴。 鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比 來表示，它是鉑熱電阻在 時的阻值 與 時的阻值 之比。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)用鉑熱

4、電阻的。 鉑熱電阻除用作一般的工業(yè)測溫外，在國際溫標(biāo)IPTS-68中還被用來作為在 溫度范圍內(nèi)的溫度基準(zhǔn)器。 熱電阻 顯示儀表 導(dǎo)線 圖 3.47 熱電阻傳感器 100WCo100100RCo00RCCoo74.63034.259下頁下頁上頁上頁返回返回第二頁，共20頁。 鉑電阻與溫度的關(guān)系，可用下面的公式表示在 以內(nèi)(y ni) （3.67）在 以內(nèi)(y ni) （3.68）式中 溫度為 時的電阻值； 溫度為 時的電阻值； 任意溫度（ ）； 、 常數(shù)；鉑的 時， ， ， ； 鉑的 時， ， ， ；下頁下頁上頁上頁返回返回CCoo0200CCoo8000)100(1 320ttCBtAtRRt

5、)1 (20BtAtRRttR0RCtoCo0tCoA BC391. 1100WCAo/10968. 33CBo/10847. 57CCo/1022. 412389. 1100WCAo/10949. 33CBo/10851. 57CCo/1004. 412第三頁，共20頁。 從式（3.67）和式（3.68）可以看出，熱電阻在溫度 時的電阻值與 有關(guān)(yugun)，目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有 和 兩種，對應(yīng)的分度號分別為Pt10和Pt100，其中又以Pt100為常用。在實際測量時，只要測得熱電阻的阻值 ，便可根據(jù)分度表查得對應(yīng)的溫度值。 列出Pt100的分度表，如表3.3所示。 2）銅電阻 由

6、于鉑是貴重金屬，故在一些測量精度要求不高，測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，同時也能達到精度要求。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 時的電阻值； 溫度為 時的電阻值；下頁下頁上頁上頁返回返回t0R100R1000RtR)1 (0tRRttR0RCtoCo0第四頁，共20頁。 銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)， 。 銅電阻的缺點是電阻率較低，電阻體積較大，熱慣性也大，而且易于氧化，不適合(shh)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)銅熱電阻有分度號為G（ ）、Cu50（ ）和Cu100（ ）三種。這里給

7、出G分度表，以供工程技術(shù)人員在使用時查閱，如表3.4所示。 3）其他熱電阻表2.3 WZB型銅熱電阻G分度表 溫度系數(shù)： 下頁下頁上頁上頁返回返回Co/1028. 41025. 433 530R 500R1000R溫度（0C）0102030405060708090電阻（）-5041.74053.0050.7548.5046.2443.99-053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.27-175.5277.7880.0382.2884.5486.79Co/1025. 43 530R第五頁，共20頁。下頁下頁上頁上頁返回返回表2.3 鉑電阻

8、分度表分度號：Pt100 溫度/0102030405060708090電阻/-200-1000010020030040050060070080018.4960.25100.00100.00138.50175.84212.02247.04280.90313.59345.13375.5156.1996.09103.90142.29179.51215.57250.48284.22316.80348.22378.4852.1192.16107.79146.06183.17219.12253.90287.53319.99351.30381.4548.0088.22111.67149.82186.8222

9、2.65.257.32290.83323.18354.37384.4043.8784.27115.54153.58190.45226.17260.72294.11326.35357.37387.3439.7180.31119.40157.31194.07229.67264.11297.39329.51360.47390.2635.5376.33123.24161.04197.69233.17267.49300.65332.66363.5031.3272.33127.07164.76201.29236.65270.86303.91335.79366.5227.0868.33130.89168.4

10、6204.88240.13274.22307.15338.92369.5322.8064.30134.70172.16208.45243.59277.56310.38342.03372.52100Pt1000R第六頁，共20頁。 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，但由于(yuy)有易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性差、不易提純和非線性等嚴重缺點，目前應(yīng)用較少。 由于(yuy)鉑熱電阻和銅熱電阻對于低溫和超低溫的測量性能不理想，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量低溫和超低溫的理想熱電阻。 4）熱電阻的測量電路 用熱電阻傳感器進行

11、測溫時，測量電路一般采用電橋電路。但是熱電阻與檢測儀表相隔距離一般較遠，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有很大的影響。熱電阻測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測量結(jié)果影響較大，一般用于測溫精度不高的場合；三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差；四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，常用于高精度溫度檢測。下頁下頁上頁上頁返回返回第七頁，共20頁。 下頁下頁上頁上頁返回返回 熱電阻 熱電阻 熱電阻 兩線制 三線制 四線制 圖 熱電阻測量電路內(nèi)部引線方式 第八頁，共20頁。1-熱電阻感溫元件；熱電阻感溫元件；2、4-

12、引線引線(ynxin)；3接線盒；接線盒；5顯示儀表；顯示儀表；圖圖 三線三線(sn xin)制接法制接法熱電阻的接法第九頁，共20頁。三線三線(sn xin)制與兩線制與兩線制的對比制的對比第十頁，共20頁。 保護保護 套管套管接線盒接線盒 連接連接 法蘭法蘭u普通普通(ptng)熱熱電阻電阻熱電阻結(jié)構(gòu)(jigu)第十一頁，共20頁。半導(dǎo)體熱敏電阻(r mn din z) 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)(xsh)熱敏電阻，反之為負溫度系數(shù)(xsh)熱敏電阻。 第十二頁，共20頁。3.7.2 熱敏電阻式傳感器 熱敏電阻是由金屬氧化物（NiO、MnO2、CuO、Ti

13、O2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(dinxng)可分為三類：即負電阻溫度系數(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。下頁下頁上頁上頁返回返回第十三頁，共20頁。 從圖3.49可以看出，CTR型在一定溫度范圍內(nèi)，阻值(z zh)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這種熱敏電阻進行介紹。下頁下頁上頁上頁返回返回 電阻 () 圖 3.49

14、各種熱敏電阻的溫度特性曲線 40 100 溫度 (oC) 負溫度系數(shù) （NTC） 80 120 160 200 102 104 106 臨界溫度 系數(shù) （CTR） 正溫度系數(shù) （PTC） 第十四頁，共20頁。 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的阻值可表示為 （2-24）式中 溫度 時的電阻值； 材料常數(shù)，一般情況下 ，在高溫時， 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(bjio)，NTC型熱敏電阻具有下下頁下頁上頁上頁返回返回Co450)11(ex

15、p00TTbRRT0R0TbKb60002000b21TbdTdRRTT第十五頁，共20頁。列優(yōu)點：靈敏度高，可用來測量微弱溫度變化；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，時間常數(shù)可小到毫秒級；元件本身的電阻值可達 ，故測量時引線電阻的影響相當(dāng)小，可以不考慮。 但是，熱敏電阻的缺點是非線性大，在實際使用時要進行線性化處理；同時它對環(huán)境溫度敏感，測量時易受到干擾(gnro)。 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。K70

16、03下頁下頁上頁上頁返回返回第十六頁，共20頁。 下頁下頁上頁上頁返回返回 熱敏電阻 絕緣套管 引線 a) 結(jié)構(gòu) RT b) 符號 圖 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號 e) 珠狀 a) 珠狀 b) 圓片狀 c) 方片狀 d) 棒狀 熱敏電阻體 電極 基片 圖 熱敏電阻的常見形式 第十七頁，共20頁。 3）熱敏電阻的測量電路 用熱敏電阻進行測溫時，測量電路一般采用電橋電路。由于引線電阻對熱敏電阻的測量影響極小，一般不考慮引線電阻的補償，但由于熱敏電阻的非線性特性，則在測量電路的設(shè)計和選擇時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 與補償電阻 串聯(lián)后的等效電阻為 ，只要 的阻值選擇恰當(dāng)，總可以使溫度在某一范圍內(nèi)跟電阻的導(dǎo)數(shù)(do sh)成線性關(guān)系，從而電流I與溫度T成線性關(guān)系；圖b中熱敏電阻 與補償電阻 并聯(lián)后的等效電阻為 。 從圖中可看出，R與溫度的關(guān)系曲線變得比較平坦，因而可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性化輸出。下頁下頁上頁上頁返