热电阻式传感器原理

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范围内的温度，少数情况下，低温可测至，高温达。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。下页上页返回Co800~200K1Co10001）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来表示，它是铂热电阻在时的阻值与时的阻值之比。按IEC标准，工业用铂热电阻的。铂热电阻除用作一般的工业测温外，在国际温标IPTS-68中还被用来作为在温度范围内的温度基准器。热电阻显示仪表导线图3.47热电阻传感器100WCo100100RCo00RCCoo74.630~34.259下页上页返回铂电阻与温度的关系，可用下面的公式表示在以内（3.67）在以内（3.68）式中—温度为时的电阻值；—温度为时的电阻值；—任意温度（）；、、—常数；铂的时，，，；铂的时，，，；下页上页返回CCoo0~200CCoo800~0)]100(1[320ttCBtAtRRt)1(20BtAtRRttR0RCtoCo0tCoABC391.1100WCAo/10968.33CBo/10847.57CCo/1022.412389.1100WCAo/10949.33CBo/10851.57CCo/1004.412从式（3.67）和式（3.68）可以看出，热电阻在温度时的电阻值与有关，目前我国规定工业用铂热电阻有和两种，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，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（3.69）式中—温度为时的电阻值；—温度为时的电阻值；下页上页返回t0R100R1000RtR)1(0tRRttR0RCtoCo0—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（）、Cu50（）和Cu100（）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2.3WZB型铜热电阻G分度表温度系数：下页上页返回Co/1028.4~1025.433530R500R1000R温度（0C）0102030405060708090电阻（Ω）-5041.74053.0050.7548.5046.2443.99-053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.27-175.5277.7880.0382.2884.5486.79Co/1025.43530R下页上页返回表2.3铂电阻分度表分度号：Pt100温度/℃0102030405060708090电阻/Ω-200-1000010020030040050060070080018.4960.25100.00100.00138.50175.84212.02247.04280.90313.59345.13375.5156.1996.09103.90142.29179.51215.57250.48284.22316.80348.22378.4852.1192.16107.79146.06183.17219.12253.90287.53319.99351.30381.4548.0088.22111.67149.82186.82222.65.257.32290.83323.18354.37384.4043.8784.27115.54153.58190.45226.17260.72294.11326.35357.37387.3439.7180.31119.40157.31194.07229.67264.11297.39329.51360.47390.2635.5376.33123.24161.04197.69233.17267.49300.65332.66363.5031.3272.33127.07164.76201.29236.65270.86303.91335.79366.5227.0868.33130.89168.46204.88240.13274.22307.15338.92369.5322.8064.30134.70172.16208.45243.59277.56310.38342.03372.52100Pt1000R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。下页上页返回下页上页返回热电阻热电阻热电阻两线制三线制四线制图热电阻测量电路内部引线方式1-热电阻感温元件；2、4-引线；3－接线盒；5－显示仪表；图三线制接法热电阻的接法三线制与两线制的对比保护套管接线盒连接法兰普通热电阻热电阻结构半导体热敏电阻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。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。下页上页返回从图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。下页上页返回电阻(Ω)图3.49各种热敏电阻的温度特性曲线40100温度(oC)负温度系数（NTC）80120160200102104106临界温度系数（CTR）正温度系数（PTC）根据半导体理论，在不太宽的温度范围内（），NTC型热敏电阻在温度时的阻值可表示为（2-24）式中—温度时的电阻值；—材料常数，一般情况下，在高温时，值要增大。由上式可求得热敏电阻的温度系数（2-26）可见，随温度降低而迅速增大，决定了NTC热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。跟热电阻相比较，NTC型热敏电阻具有下下页上页返回Co450)11(exp00TTbRRT0R0TbKb6000~2000b21TbdTdRRTT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。K700~3下页上页返回下页上页返回热敏电阻绝缘套管引线a)结构RTb)符号图热敏电阻的结构和符号e)珠状a)珠状b)圆片状c)方片状d)棒状热敏电阻体电极基片图热敏电阻的常见形式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中热敏电阻与补偿电阻串联后的等效电阻为，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中热敏电阻与补偿电阻并联后的等效电阻为。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。下页上页返回TRcrcTrRRcrTRcrTcTcRrRrR下页上页返回rcRTIErcRTRT+rc温度电阻a)串联补偿线路rcb)并联补偿线路rcRTRTRT//rc温度电阻图热敏电阻常用补偿线路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。下页上页返回rcRTR1+R3UoutR2-E图热敏电阻电桥测量电路