12热电阻式温度传感器

12.2热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器是利用基本材料（金属或非金属）的电阻随温度变化而变化(热电组效应）的特性来实现测量温度的目的。变化关系可表示为：Rt=R0[1+ą(t-t0)]根据敏感元件材料的不同，可分为金属测温电阻器（热电阻传感器）和半导体热敏电阻器（热敏电阻）。12.2.1热电阻传感器1.热电阻工作原理热电阻就是利用物质（一般为纯金属）的电阻随温度变化并呈一定函数关系的特性，制成温度传感器来进行测温的。将金属丝绕在有锯齿的云母骨架上，构成感温元件，用银导线作为引出线与显示仪表连接。当感温元件上的热电阻材料处于不同温度时，感温元件的电阻值随温度而变化，并呈一定的函数关系。将变化的电阻值作为信号输入到平衡或非平衡电桥回路的显示仪表中，即可测得被测温度的值。2常用热电阻材料（1）对材料的要求作为测量温度的热电阻材料，必须具有以下特点：①较大的电阻率及较高的电阻温度系数，以便有较高的灵敏度和测量精度；②在使用范围内，物理、化学性能稳定；③电阻与温度关系特性好，一是电阻与温度的函数呈单质函数（最好是呈线性关系），二是对同一种材料来讲，其复制性要好，以便批量生产。（2）常用热电阻材料满足热电阻材料要求，适合制作热电阻的材料主要有:Pt、Cu、Ni、W、In等，其中应用广泛的是Pt与Cu。这两种材料制成的热电阻属于标准化热电阻，即有国家统一的标准分度表。①Pt热电阻Pt的物理与化学性能都非常稳定，即使是在高温和氧化介质中也是如此。Pt容易提纯，保证它具有非常好的重现性能，并有较高的测量精度。Pt还具有较大的电阻率和高的熔化温度，因此它的体积可做得较小，测温范围也比较宽。在高精度的工业测量和计算检定中得到广泛的应用。通常用作标准热电阻。Pt电阻的电阻值和温度关系在-200～0°C时，Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]在0～850°C时，为Rt=R0[1+At+Bt2]A、B、C为分度系数，其中A=3.96847×10-3(1/°C)B=-5.847×10-7(1/°C)-2C=-4.22×10-12(1/°C)-4要确定电阻与温度的关系，首先要确定R0的数值，它为热电阻的标称值。目前Pt热电阻标称值有R0=10（或100）欧姆两种。一般场合下可略去B、C的影响，即Rt=R0（1+At），Pt电阻的电阻-温度特性曲线接近线性。②Cu热电阻Cu价格低廉，容易提纯，在-50～150°c的温度范围内，化学、物理性能稳定，输出-输入特性接近线性，但其测量精度不如Pt热电阻高，测量范围也比Pt热电阻小。在-50～150°c的温度范围内，Cu电阻的电阻值和温度的关系可用下式表示：Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）A、B、C为分度系数，其中A=4.28899×10-3(1/°C)B=-2.133×10-7(1/°C)-2C=1.233×10-9(1/°C)-3由于Cu热电阻在0-100°c之间基本上是线性的，故在此温度范围内也可用下式表示阻值和温度的关系：Rt=R0（1+At）Cu热电阻的标称值有R0=50（或100）欧姆两种。因价格便宜，且在-50～150°c范围内灵敏度高。在测量要求不太高、测温范围比较小的场合常用Cu制作热电阻，其缺点是热电阻率较Pt小，电阻丝细而长，机械强度较差。由于Cu热电阻的体积较大，热惯性也较大，且当温度高于100°c时易被氧化，因此Cu热电阻适合在温度较低的介质中工作。3热电阻的结构及测量电路（1）热电阻的结构普通型热电阻、铠装热电阻、薄膜热电阻等。（2）热电阻的测量电路在实际温度测量中，通常用电桥来测量热电阻的阻值。由于热电阻的阻值都是在几欧到几十欧范围内，因此，热电阻的引线及连接导线的电阻对温度测量结果有很大的影响。特别是热电阻的引线常处于被测温度的环境中，温度波动较大，其阻值随温度的变化难以估计和修正。为减少导线电阻的影响，工业用热电阻的引线有两线制、三线制和四线制。4使用热电阻时的注意事项（1）自热误差在用热电阻进行测量时，电阻总要消耗一定的电功率，它同样会造成电阻值的变化，但是这种变化是测量时不希望的。使用中应尽量减小由此引起的测量误差。一般规定电流应不超过6mA。(2)引线电阻的影响用于测量的热电阻，总得有连接导线，但由于热电阻本身的电阻值很小，所以引线的电阻值及其变化不能忽略。采用三线式连接方法后，一根引线接到电源对角线上，另两根分别接到电桥相邻的两个臂。这样，引线电阻值及其变化对仪表读数的影响可以互相抵消一部分。5热电阻的应用—气体元素成分分析仪首先建立一个元素分析仪气体成分分析室，它主要由四个外壳用相同材料制成的分析室组成。分析室RK1、RK2为参考室，室内充入洁净的空气，另外两个分析室RX1、RX2内充入被分析的混合气体，四个分析室组成桥路。工作时先将惰性气体通入分析室，电桥失去平衡，其不平衡输出是混合气体成分的函数。气体的导热系数与气体成分的体积浓度有关，对于相互不发生化学反应的混合气体，其导热系数为各气体导热系数的平均值。设氢气的导热系数为λ1、气体的百分数含量为α，氮气的导热系数为λ2，两种混合气体的导热系数为λ，则得下式：λ=[λ1α+λ2（1-α）]/2氢气和氮气的导热系数已知，只要测出氢气的百分数含量α，进而获得氮气的百分数1-α。大量的实验和理论计算表明，热电阻阻值与气体的导热系数在一定范围内呈线性关系。通过测量热电阻阻值就可求得气体的导热系数，也就间接求得各气体的百分数含量。12.2.2热敏电阻热敏电阻由半导体材料制成，用途很广，它作为温度测量仪表的感温元件，开始于20世纪60年代。热敏电阻是利用半导体的热电阻阻值与温度呈现一定函数关系的原理制成的温度传感器。1热敏电阻的特点与热电阻相比，热敏电阻具有如下优点：①电阻温度系数大（约为热电阻的10倍），灵敏度高；②结构简单，体积小，热惯性小，可以用来测定点温度及变化温度；③使用寿命长④利用半导体掺杂技术，可以测得42-100k之间的温度，是一种重要的低温传感器。其不足之处是互换性差，发散性严重。2热敏电阻的结构形式热敏电阻是用一些金属氧化物，按一定的比例进行研磨，掺入一定的粘合剂成型，再经高温烧结而成。采用不同的封装形式，热敏电阻可制成珠状、圆片形、片形、杆状等各种形状，作为感温元件时通常选用珠状和圆片形。热敏电阻主要由热敏元件、引线和壳体组成。其中引线是在高温烧结前埋入的。3热敏电阻的主要特性热敏电阻主要有三种类型：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻（CTR）。负温度系数热敏电阻应用较为普遍，这类热敏电阻大部分都是用Mn、Co、Ni、Fe的金属氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工艺制备而成。具有灵敏度高、热惯性小、寿命长、价格便宜等优点，深受使用者欢迎。(1)电阻与温度特性负温度系数热敏电阻的电阻与温度的关系可由下式求得：RT=RT0×e[B(1/T-1/T0)]热敏电阻的电阻温度系数是指温度变化时热敏电阻的阻值变化率与其阻值之比，即：α决定了热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。随着温度的升高，热敏电阻的灵敏度显著下降。2TTT/BdTdRR1（2）热敏电阻的伏安特性热敏电阻两端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为热敏电阻的伏安特性。当通过热敏电阻的电流很小时，遵循欧姆定律；当电流增大到一定值时，热敏电阻自身开始发热，出现负阻效应。热敏电阻作为温度测量仪表的感温元件，实际测温中是接在不平衡电桥的一个臂中，工作时必定通过测量电流，而对该电流范围有一定的要求。一般使它保持在电流与电压特性曲线的0-5mA区域。电流和电压的关系基本符合欧姆定律。这是热敏电阻在实际测温时特别注意的一个问题。4热敏电阻的应用热敏电阻在日常生活中的应用