热电阻及热敏电阻

1、 利用热电阻、热敏电阻、半导体测温利用热电阻、热敏电阻、半导体测温ICIC等构等构成的传感器。成的传感器。Georg Simon Ohm（1787-1854)1787年生于巴伐利亚埃尔兰根城，其父亲是一个锁匠，对哲学年生于巴伐利亚埃尔兰根城，其父亲是一个锁匠，对哲学和数学都十分爱好和数学都十分爱好1803年考入埃尔兰根大学，未毕业就在一所中学教书。年考入埃尔兰根大学，未毕业就在一所中学教书。1811年欧姆又回到埃尔兰根完成了大学学业，并通过考试于年欧姆又回到埃尔兰根完成了大学学业，并通过考试于1813年获得哲学博士学位年获得哲学博士学位1817年，他的年，他的几何学教科书几何学教科书一书出版一

2、书出版1826年，欧姆用伏打电池和年，欧姆用伏打电池和温差电池温差电池做实验时，发现：电流强做实验时，发现：电流强度与导线长度成反比，完成度与导线长度成反比，完成金属导电定律的测定金属导电定律的测定的论文，的论文，发表在德国发表在德国化学和物理学杂志化学和物理学杂志上上1827年出版的年出版的动力电路的数学研究动力电路的数学研究一书中，从理论上推导一书中，从理论上推导了欧姆定律了欧姆定律为了纪念他，人们把电阻的单位命名为欧姆为了纪念他，人们把电阻的单位命名为欧姆 欧姆定律被发现以后，人们在实验研究的过程中发现，导体的电阻值不是恒定的，与温度变化息息相关。电阻值变化温 度热电阻的工作原理热电阻的

3、工作原理热电阻测温的基础：热电阻测温的基础： 电阻率随温度升高而增大，具有正的电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数温度系数特点特点: 准确度高，适宜于测低温准确度高，适宜于测低温 工业上一般用来测量工业上一般用来测量200500 范围的温度，现在已可以测量的低温范围的温度，现在已可以测量的低温端：端：1K 高温端：高温端：1000 热电阻分度表热电阻的材料热电阻的材料作为测温热电阻的金属材料应具有如下特性：作为测温热电阻的金属材料应具有如下特性： 电阻温度系数大，电阻率大，热容量小；在整个测温范围内应具有稳定的物理和化电阻温度系数大，电阻率大，热容量小；在整个测温范围内应具有稳定的物理和化

4、学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；容易加工，复制性好，学性质；电阻与温度的关系最好近似于线性，或为平滑的曲线；容易加工，复制性好，价格便宜价格便宜。 目前应用最广目前应用最广泛的热电阻材料是泛的热电阻材料是铂和铜，铂和铜，并且已作并且已作为标准温测热电阻。为标准温测热电阻。同时，也有用镍、同时，也有用镍、铁、铟等材料制成铁、铟等材料制成的测温热电阻。的测温热电阻。 铂电阻铂电阻的特点是准确度高，稳定性好，性能可靠。铂在氧化性气氛中，的特点是准确度高，稳定性好，性能可靠。铂在氧化性气氛中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。因此铂被公认为是目前制造热甚至在高温下的物理、

5、化学性质都非常稳定。因此铂被公认为是目前制造热电阻的最好材料。电阻的最好材料。 铂电阻铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递。铂电阻温度计是目前测温复现还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递。铂电阻温度计是目前测温复现性最好的一种，它的长时间稳定的复现性可达性最好的一种，它的长时间稳定的复现性可达1010-4-4K K，优于其他所有温度计。，优于其他所有温度计。 热电阻性能分析热电阻性能分析以铂为例以铂为例 铂电阻的阻值与温度之间的关系，在铂电阻的阻值与温度之间的关系，在0-6

6、500-650范围内可用下式表示：范围内可用下式表示：)1 (20BtAtRRt在在20020000范围内则用下式表示：范围内则用下式表示：)100(1 320ttCBtAtRRt式中 Rt温度为t时的铂电阻的阻值； R0温度为0时的铂电阻的阻值；A、B、C常数A=3.968410-3/B=-5.84710-7/C=-4.2210-12/ 由式可见，电阻值与t、R0有关，当R0值不同时，即使在同样的温度下其Rt的值也不同。因此作为测量用热电阻必须规定R0值。 工业用标准铂电阻R0有100和50两种，并将电阻值Rt与温度t的对应关系列成表格，称为铂电阻分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。薄

7、膜式铂热电阻防爆式铂热电阻铠装式铂热电阻Pt100热电阻Pt100热电阻分度表目前已经达到W(100)=1.3930, 铂纯度：99.9995%工业用铂电阻纯度W(100)=1.3871.390 铂电阻材料的纯度通常用百度电阻比W（100）来表示，即：0100)100(RRW式中 R100水沸点（100）时的铂电阻的电阻值； R0水冰点（0）时的铂电阻的电阻值。问题1W(100)、Pt(100)中100的含义相同吗？问题2W(100)是如何计算而来的？)1 (20BtAtRRt热电阻性能分析热电阻性能分析以铜为例以铜为例 铂是贵金属，价格昂贵，因此铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小（在

8、测温范围比较小（-50+150-50+150）的情况下，可采用铜制成的测温电的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称阻，称铜电阻铜电阻。铜在上述温度范围。铜在上述温度范围内有很好的稳定性，温度系数比较内有很好的稳定性，温度系数比较大，电阻值与温度之间接近线性关大，电阻值与温度之间接近线性关系。而且材料容易提纯，价格便宜。系。而且材料容易提纯，价格便宜。不足之处是测量准确度较铂电阻稍不足之处是测量准确度较铂电阻稍低、电阻率小。低、电阻率小。 )1 (320CtBtAtRRt 百度电阻比 W（100）不小于1.425，分度号分别为Cu100和Cu50。热电阻测量电路热电阻测量电路 如果热电阻安装的地方

9、与仪表相距甚远，当环境温度变化时其连接导线电阻也要变化。因为它与热电阻Rt是串联的，也是电桥臂的一部分，所以会造成测量误差。动圈显示仪表特点：动圈显示仪表特点： 零位可调零位可调 显示内容任选显示内容任选 刻度自由标定刻度自由标定 G为动圈显示仪表；为动圈显示仪表；R1、R2、R3及（及（Rt+2RW）组成不平衡）组成不平衡电桥四个桥臂，电桥四个桥臂，Rt为热电阻，为热电阻，RW=RW1+RL为线路电阻，为线路电阻，RL1为热电阻为热电阻引线电阻，引线电阻，RL2为连接导线的电阻，为连接导线的电阻，RW1为调整电阻。为调整电阻。 R1、R2、R3及及RW1为锰为锰铜电阻。铜电阻。 由于引线及连

10、接导线的电阻由于引线及连接导线的电阻（RL1+RL2=RL）与热电阻）与热电阻Rt一起处在电一起处在电桥的一个桥臂中，因此桥的一个桥臂中，因此RL随环境温度的随环境温度的变化全部加入热电阻的变化之中，直接变化全部加入热电阻的变化之中，直接影响到热电阻温度计测量准确性。影响到热电阻温度计测量准确性。 热电阻及电桥的三线制接法如图所示。此时两根引线经RL1及连接导线RL2分别接在两个桥臂上，从而使得它们由于环境温度变化而引入的误差被相互抵消。1834年以前，年以前，M.法拉第就发现硫化银等半导体材料具有法拉第就发现硫化银等半导体材料具有很大的负电阻温度系数很大的负电阻温度系数1871年西门子公司首

11、先用纯铂制成测温用铂热敏电阻器年西门子公司首先用纯铂制成测温用铂热敏电阻器，之后又出现纯铜和纯镍热敏电阻器，之后又出现纯铜和纯镍热敏电阻器1940年美国年美国J.A.贝克等人发现某些过渡金属氧化物经混贝克等人发现某些过渡金属氧化物经混合烧结后，成为具有很大负温度系数的半导体，而且性合烧结后，成为具有很大负温度系数的半导体，而且性能相当稳定。能相当稳定。1946年后生产的普通负温度年后生产的普通负温度 系数热敏电阻器，绝大多系数热敏电阻器，绝大多数是用这种合成氧化物半导体制成的。数是用这种合成氧化物半导体制成的。1954年年P.W.哈依曼等人发现添加微量稀土元素的钛酸钡哈依曼等人发现添加微量稀土

12、元素的钛酸钡陶瓷具有较理想的正电阻温度系数陶瓷具有较理想的正电阻温度系数, 以后在此基础上制以后在此基础上制成了热敏电阻器。成了热敏电阻器。热电阻热电阻金属材料金属材料热敏电阻热敏电阻半导体材料半导体材料Michael Faraday (17911867)英国物理学家、化学家电磁学奠基人之一热敏电阻原理热敏电阻原理热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电电阻随温度变化而显著变化。阻随温度变化而显著变化。电阻电阻- -温度特性温度特性 电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示: :R = AR =

13、Ae eB/TB/T A A与热敏电阻尺寸形状以及它的半导体物理性能有关与热敏电阻尺寸形状以及它的半导体物理性能有关 的常数；的常数； BB与半导体物理性能有关的常数；与半导体物理性能有关的常数； TT热敏电阻的绝对温度。热敏电阻的绝对温度。 若已知两个电阻值R1和R2，以及相应的温度值T1和T2，便可求出A、B两个常数。211221lnRRTTTTB 可得到以电阻R1作为一个参数的温度特性表达式 )/(11TBTBeRRR1 = AeB/T1R2 = AeB/T2 通常取20时的热敏电阻的阻值为R1，记作R20，并称它为标称电阻值，则BTeRR)298/1/1(20BTeRR)298/1/1

14、(20 其电阻-温度特性曲线如图所示。 电阻温度系数T可求得21TBdTdRRT 由式可知，热敏电阻的温度系数也与温度有关。而且对于大多数热敏电阻，它的温度系数均为负值。控制材料成分，也可以制成具有正温度系数的热敏电阻。正温度系数热敏电阻的电阻-温度特性可用下面公式计算)(11TTBeRR式中 R2、R1温度分别为T、T1时的电阻值； B正温度系数，热敏电阻与半导体物理 性能有关的常数。NTC热敏电阻NTC热敏电阻PTC热敏电阻 讨论测量原理：硅半导体的基极与测量原理：硅半导体的基极与发射极间的电压发射极间的电压V Vbebe具有大约具有大约2mV/ 2mV/ 的温度系数。的温度系数。特点：传

15、感器体积小、精度高、特点：传感器体积小、精度高、响应快和稳定性好，容易集成响应快和稳定性好，容易集成化，温度传感器中可包含放大化，温度传感器中可包含放大器。器。测温范围：测温范围：50 50 200 200 温度传感器温度传感器ICDS18B20测温测温IC恒流工作方式恒流工作方式REIcTVbe当集电极以恒定电流通过时，基极与发射极间电压（-Vbe）作为运算放大器A的输出得到。Ic一定时，Vbe的温度关系曲线和它的温度系数曲线如图示。beCtVCIR0( ,)ln()beCgCKTTVT IVeI若已知温度为T1，激励电流为IC1时，输出电压为Vbe1 则根据扩散电流理论给出，在150以下：式中 、由半体决定的常数； k/e波耳兹曼常数与电子电量之比； Vg0硅的能量禁带宽度的外插值（约1.2V） Vbe1和Ic1在T1时各自的值1CCII00111()ln()beggbeTKTTVVVVTeT11110