熱電阻傳感器論文

1、熱電阻傳感器摘 要：熱電阻傳感器適用于溫度檢測(cè)要求較高的場(chǎng)合。介紹了金屬熱電阻和熱 敏熱電阻傳感器的工作原理、分類(lèi)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：傳感器；熱電阻；熱敏Abstract: Thermal resistor sensor suitable for the occasion that requires high temperature detection. Introduce the operating principle,classification,structure and application about the metal thermal resistor and heat-sen

2、sitive resistance sensor.Key words: sensor ;thermal resistor ; heat-sensitive新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開(kāi)始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中， 首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng) 域中信息的主要途徑與手段。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、 海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等 等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋， 以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的 傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化

3、這一特性來(lái)測(cè)量溫 度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測(cè)精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器 比較適用。熱電阻傳感器具有電阻溫度系數(shù)大、線(xiàn)性好、性能穩(wěn)定、使用 溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測(cè)量-200 C+500 C范圍內(nèi)的溫度。 1工作原理在金屬中，載流子為自由電子，當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然自由電子數(shù)目基 本不變（當(dāng)溫度變化范圍不是很大時(shí)），但每個(gè)自由電子的動(dòng)能將增加，因 而在一定的電場(chǎng)作用下，要使這些雜亂無(wú)章的電子作定向運(yùn)動(dòng)就會(huì)遇到更 大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻就要是利用電阻 隨溫度升高而增大這一特性來(lái)測(cè)量溫度的。熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件。半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流 子

4、，由于半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目遠(yuǎn)比金屬中的自由電子數(shù)目少得多，所以 它的電阻率大。隨溫度的升高，半導(dǎo)體中更多的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較 高能級(jí)而產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì)，因而參加到電的載流子數(shù)目增加了，半 導(dǎo)體的電阻率也就降低了（電導(dǎo)率增加）。因?yàn)檩d流子數(shù)目隨溫度上升按指 數(shù)規(guī)律增加，所以半導(dǎo)體的電阻率也就隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律下降。熱敏 電阻正是利用半導(dǎo)體這種載流子數(shù)隨溫度變化而變化的特性制成的一種溫 度敏感元件。當(dāng)溫度變化 1C時(shí)，某些半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化將達(dá)到（36） %。在一定條件下，根據(jù)測(cè)量熱敏電阻值的變化得到溫度的變化。2分類(lèi)熱電阻傳感器按不同的分類(lèi)方式可以分為多種。按材料分，熱電阻傳 感

5、器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類(lèi)，前者簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻，后 者簡(jiǎn)稱(chēng)熱敏電阻。按結(jié)構(gòu)分，普通型熱電阻、鍇裝熱電阻、薄膜熱電阻。 按用途分，工業(yè)用熱電阻、精密標(biāo)準(zhǔn)電阻。以下是按照第一類(lèi)來(lái)介紹熱電 阻傳感器。2.1金屬熱電阻傳感器目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑、銅、鎳、鐵和銠鐵合金等，而 常用的是鉑、銅，他們的電阻溫度系數(shù)在36x 10-WC范圍內(nèi)。作為測(cè)溫用 的熱電阻材料，希望電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度；電阻率 盡可能大，以便減小電阻體尺寸；熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速 度；在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最 好接近于線(xiàn)性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)

6、格便宜。在鉑、銅中，鉑的性 能最好，采用特殊的結(jié)構(gòu)可以制成標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，它的適用范圍為 -200 - 9600C ；銅電阻價(jià)廉并且線(xiàn)性較好，但溫度高易氧化，故只適用于溫 度較低-50 + 1500C的環(huán)境中，目前已逐漸被鉑電阻所取代。2.1.1鉗熱電阻鉑材料的優(yōu)點(diǎn)為：物理、化學(xué)性能極為穩(wěn)定尤其是耐氧化能力很強(qiáng)， 并且在很寬的溫度范圍內(nèi)(1200 C以下)均可保持上述特性；易于提純， 復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔；電阻率 較高。缺點(diǎn)是：電阻溫度系數(shù)較?。辉谶€原介質(zhì)中工作時(shí)易被沾污變脆； 價(jià)格較高。鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性，其特性方程為當(dāng)-200 CW tW 0

7、C時(shí)：R = r1 + At + Bt 2 + C (t - 100) 13 -當(dāng) 0CW t w 960 C 時(shí)：R = R0(1 + At + Bt 2)式中Rt 溫度為tC時(shí)鉑熱電阻的阻值，單位為Q；R0 溫度為0C時(shí)鉑熱電阻的阻值，單位為Q；A、B、C溫度系數(shù)，它們的數(shù)值分別為A = 3.90802 x 10-3(1/0 C2)，B = -5.802x 10-7(1/0 C)， C = -4.27350 x10-12(1/0 C4)。2.1.2銅熱電阻鉑金屬貴重，因此在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，普遍地采用銅熱電阻來(lái)測(cè)量-50+150C的溫度。銅熱電阻有如下特點(diǎn)。在上述使用的

8、溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系，即可 近似表示為R = %（1+a t）式中 a 電阻溫度系數(shù)，a= （4.25 - 4.28）x10一3/0 C。電阻溫度系數(shù)比鉑高，而電阻率則比鉑低。容易提純，加工性能好，可拉成細(xì)絲，價(jià)格便宜。易氧化，不宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。鑒于上述特點(diǎn)，在介質(zhì)溫度不高、腐蝕性不強(qiáng)、測(cè)溫元件體積不受限 制的條件大都采用銅熱電阻。表一熱電阻的主要技術(shù)性能材料鉑（WZP）銅（WZC）使用溫度范圍/C-200+960-50+150電阻率 /(Q - m x 10 -6)0.09810.1060.017間電阻溫度系數(shù)a （0100 0C 平均值）/（1/ 0 C）

9、0.003850.00428化學(xué)穩(wěn)定性在氧化性介質(zhì)中較穩(wěn)定，不能在 還原性介質(zhì)中使用，尤其在高溫情 況下。超過(guò)100C易氧化特性特性近于線(xiàn)性、性能穩(wěn)定、精度高線(xiàn)性較好、價(jià)格低廉、體積大應(yīng)用適用于較高溫度的測(cè)量，可作為 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置適用于測(cè)量低溫、無(wú)水分、無(wú)腐 蝕性介質(zhì)的溫度2.1.3熱電阻的結(jié)構(gòu)普通型熱電阻由感溫元件（金屬電阻絲）、支架、引出線(xiàn)、保護(hù)套管及 接線(xiàn)盒等基本部分組成。為避免電感分量，熱電阻絲常采用雙線(xiàn)并繞，制 成無(wú)感電阻。1、感溫元件（金屬電阻絲）由于鉑的電阻率較大，而且相對(duì)機(jī)械強(qiáng)度較大，通常鉑絲的直徑在 0.030.07啞土 0.005啞之間。可單層繞制，若鉑絲太細(xì)，電阻體可做的

10、小， 但強(qiáng)度低；若鉑絲粗，雖強(qiáng)度大，但電阻體積大了，熱惰性也大，成本高。由于銅的機(jī)械強(qiáng)度較低，電阻絲的直徑需較大。一般為（0.1 土0.005 ）啞的漆包銅線(xiàn)或絲包線(xiàn)分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆而成。由于銅電阻的溫 度低，故可以重疊多層繞制，一般多用雙繞法，即兩根絲平行繞制，在末端把兩個(gè)頭焊接起來(lái)，這樣工作電流從一根熱電阻絲進(jìn)入，從另一根熱電 阻絲反向出來(lái)，形成兩個(gè)電流方向相反的線(xiàn)圈，其磁場(chǎng)方向相反，產(chǎn)生的 電感就互相抵消，故又稱(chēng)無(wú)感繞法。這種雙繞法也有利于引線(xiàn)的引出。2、骨架熱電阻是繞制在骨架上的，骨架是用來(lái) 支持和固定電阻絲的。骨架應(yīng)使用電絕緣性 能好，高溫下機(jī)械強(qiáng)度高，體膨脹系數(shù)小， 物

11、理化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)熱電阻絲無(wú)污染的材 料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃 及塑料等。3、引線(xiàn)圖2.1-1熱電阻外形1保護(hù)套管2測(cè)溫元3一緊固螺栓4一接線(xiàn)盒5一引出線(xiàn)密封套管引線(xiàn)的直徑應(yīng)當(dāng)比熱電阻絲大幾倍，盡量 減少引線(xiàn)的電阻，增加引線(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度和連 接的可靠性，對(duì)于工業(yè)用的伯熱電阻，一般 采用1圖2.1-1熱電阻外形1保護(hù)套管2測(cè)溫元3一緊固螺栓4一接線(xiàn)盒5一引出線(xiàn)密封套管圖2.1-2伯電阻結(jié)構(gòu)1-鉚釘2-圖2.1-2伯電阻結(jié)構(gòu)1-鉚釘2-伯熱電阻3-銀質(zhì)引腳=1 口匚口口匚J ULILZUUL： J*潔m他必隊(duì)圖2.1-3銅電阻結(jié)構(gòu)1-線(xiàn)圈骨架2-保護(hù)層3-銅電阻絲4-扎線(xiàn)5-補(bǔ)償繞組6

12、-銅質(zhì)引腳2.2熱敏電阻傳感器熱敏電阻是一種利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成，由 金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié)的敏感元件。優(yōu)點(diǎn)：熱敏電阻 的溫度系數(shù)比金屬大（49倍）；電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測(cè)量 點(diǎn)、表面溫度及快速變化的溫度；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好。缺點(diǎn)：線(xiàn)性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。2.2.1分類(lèi)熱敏電阻按照其溫度系數(shù)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）兩的類(lèi)。所謂正溫度系數(shù)是指電阻的變化趨勢(shì)與溫度 的變化趨勢(shì)相同；所謂負(fù)溫度系數(shù)是指溫度上升時(shí)，電阻值反而下降的變 化特性。1、NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻研制的較早，也較成熟。最常見(jiàn)的

13、是由金屬氧化物組成的。 如錳、鉆、鐵、鎳、銅等多種氧化物混合燒結(jié)而成，其標(biāo)辰阻值（25 C）視氧化物的比例，可以從0.1 Q至幾兆 歐范圍內(nèi)選擇。2.2-1各種熱電阻的特性曲線(xiàn)根據(jù)不同的用途，NTC又可分為 對(duì) 兩大類(lèi)：第一類(lèi)用于測(cè)量溫度。它的 iir 阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān) 系，如圖2-7中的曲線(xiàn)2所示。指數(shù) g ” 型NTC的靈敏度由制造工藝、氧化物 您以 含量決定。用戶(hù)可根據(jù)需要選擇，其2.2-1各種熱電阻的特性曲線(xiàn) TOC o 1-5 h z 精度和一致性可達(dá)0.1%。因此，NTC住的離散性較小，測(cè)量精度較高。:例如，在25 C時(shí)的標(biāo)稱(chēng)阻值為10.0-又稱(chēng)臨界溫度型（CTR）。

14、當(dāng)溫Q的NTC，在-30C時(shí)阻值高達(dá)130k Q； 而在100C時(shí)只有850 Q，相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)， 靈敏度很高，多用于空調(diào)、電熱水器等，在 0又稱(chēng)臨界溫度型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降，多用于各種電子電路中抑制浪涌電流。 例如，顯像管的燈絲回路中串聯(lián)一只突變型NTC，可減小上電時(shí)的沖擊電流。 負(fù)突變型熱敏電阻的溫度一電阻特性如圖2.2-1中的曲線(xiàn)1所示。2、PTC熱敏電阻典型的PTC熱敏電阻通常是在鈦酸鋇著摻入其他金屬離子，以改變其溫度系數(shù)和臨界點(diǎn)溫度。它的溫度一電阻特性呈非線(xiàn)性，如圖2-7著的曲線(xiàn)4所示。它在電子線(xiàn)路中多起限流、保護(hù)作用。當(dāng)流過(guò) PTC的電流超過(guò)一 定

15、限度或PTC個(gè)感受到的溫度超過(guò)一定限度時(shí)，其電阻值突然增大。例如， 電視機(jī)顯像管的消磁線(xiàn)圈上就串聯(lián)了一只PTC熱敏電阻。大功率的PTC型陶瓷熱電阻還可以用于電熱暖風(fēng)機(jī)。當(dāng)PTC的體溫達(dá)到設(shè)定值（例如210C） 時(shí)，PTC的阻值急劇上升，流過(guò)PTC的電流減小，使暖風(fēng)機(jī)的溫度基本恒 定于設(shè)定值上，提高了安全性。近年來(lái)還研制出摻有大量雜質(zhì)的Si單晶PTC。它的電阻變化接近向性， 如圖2-7中的曲線(xiàn)3所示，其最高工作溫度上限約為140C左右。2.2.2結(jié)構(gòu)及外形熱敏電阻可根據(jù)使用要求封裝加工成各種形狀的探頭，如圓片型、柱 型、珠型、鎧裝型、薄膜型、厚膜型等，如圖2.2-2所示。圖2.2-2熱敏電阻的外

16、形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號(hào)1熱敏電阻 2玻璃外殼 3一引出線(xiàn) 4一紫銅外殼5一傳感安裝孔3熱電阻的應(yīng)用3.1金屬熱電阻傳感器的應(yīng)用熱電阻式流量計(jì)熱電阻式流量計(jì)是根據(jù)物理學(xué)中關(guān)于介質(zhì)內(nèi)部熱傳導(dǎo)現(xiàn)象制成的。如 果溫度為fa的熱電阻放入溫度為fc介質(zhì)內(nèi)，設(shè)熱電阻與介質(zhì)相接觸的表面面 積為A，則熱電阻耗散的熱量 Q可表示為Q = KA（ttc）式中K熱傳導(dǎo)系數(shù)或稱(chēng)傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，K與介質(zhì)的密度、粘度、平均流速等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)其他參數(shù)為定值時(shí)，K僅與介質(zhì)的平均流速V成正比，即Q V上式說(shuō)明通過(guò)測(cè)量熱電阻耗散的熱量 Q即可測(cè)量介質(zhì)的平

17、均流速或流量。3.2熱敏電阻傳感器的應(yīng)用1、熱敏電阻測(cè)溫作為測(cè)量溫度的熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低廉。沒(méi)有外面保 護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方；密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕， 可以使用在較惡劣的環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值較大，故其連接導(dǎo)線(xiàn)的 電阻和接觸電阻可以忽略，因此熱敏電阻可以在長(zhǎng)達(dá)幾千米的遠(yuǎn)距離測(cè)量 溫度中應(yīng)用。2、熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對(duì)某些元器件溫度進(jìn)行補(bǔ)償。例如， 動(dòng)圈式儀表表頭中的動(dòng)圈由銅線(xiàn)繞制而成。溫度升高，電阻增大。引起溫 度的誤差。因而可以在動(dòng)圈的回路中將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電 阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元器件串聯(lián)，從而抵消由于溫度變化所

18、產(chǎn)生的誤差。 在晶體管電路、對(duì)數(shù)放大器中，也常用熱敏電阻組成補(bǔ)償電路，補(bǔ)償由于 溫度引起的漂移誤差。3、過(guò)熱保護(hù)過(guò)熱保護(hù)分直接保護(hù)和間接保護(hù)。對(duì)小電流場(chǎng)合，可把熱敏電阻直接 串入負(fù)載中，防止過(guò)熱損壞以保護(hù)器件。對(duì)大電流場(chǎng)合，可用于繼電器、 晶體管電路等的保護(hù)。不論哪種情況，熱敏電阻都與被保護(hù)器件緊密結(jié)合 在一起，從而使二者之間充分進(jìn)行熱交換，一旦過(guò)熱，熱敏電阻則起保護(hù) 作用。例如，在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中嵌入突變型熱敏電阻并與繼電器串聯(lián)。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)定子電流增大，引起發(fā)熱。當(dāng)溫度大于突變點(diǎn)時(shí)，電路中 的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?，因此繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn) 過(guò)熱保護(hù)。熱敏電阻用于液面的測(cè)量給NTC熱敏電阻施加一定的加熱電流，它的表面溫度將高與周?chē)目?氣溫度，此時(shí)它的阻值較小。當(dāng)液面高于它的安裝高度時(shí)，液體將帶走它 的熱量，使之溫度下降、阻值升高。判斷它的阻值變化，就可以知道液面 是否低于設(shè)定值