第15章应用1.2热电阻测温

1、 15.1.4 热电阻传感器热电阻传感器 利用利用导体导体或或半导体半导体的电阻值随温度的电阻值随温度变化而变化的原理进行变化而变化的原理进行测温测温。 热电阻传感器的分类：热电阻传感器的分类： 金属热电阻金属热电阻 半导体热电阻。半导体热电阻。 一般把一般把金属金属热电阻称为热电阻称为热电阻热电阻， 而把而把半导体半导体热电阻称为热电阻称为热敏电阻热敏电阻。 热电阻用来测量热电阻用来测量200 850范范围内的温度，围内的温度， 少数情况下：少数情况下： 低温可测量至低温可测量至 1K ， 高温达高温达 1000。 标准标准铂电阻温度计铂电阻温度计的精确度高，的精确度高， 作为复现国际温标作

2、为复现国际温标的标准仪器。的标准仪器。 热电阻传感器由热电阻、连接导线热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图及显示仪表组成，如图15-18所示。所示。 热电阻传感器 显 示 仪 表控 制 室现 场热 电 阻 热电阻也热电阻也可与温度变送器连接，可与温度变送器连接， 转换为标准电流信号输出。转换为标准电流信号输出。 1. 常用热电阻常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可用于制造热电阻的材料应具有尽可能能大大和和稳定稳定的的电阻温度系数电阻温度系数和和电阻率电阻率， R t 关系最好成线性，关系最好成线性， 物理化学性能稳定，物理化学性能稳定， 复现性好。复现性好。 目前最常用的热

3、电阻：目前最常用的热电阻： 铂铂热电阻热电阻 铜铜热电阻。热电阻。 (1) 铂热电阻铂热电阻 精度高、稳定性好、性能可靠，在精度高、稳定性好、性能可靠，在温度传感器中广泛应用。温度传感器中广泛应用。 铂热电阻的使用温度范围：铂热电阻的使用温度范围： 200 850。 铂热电阻的特性方程铂热电阻的特性方程 在在200 0的温度范围内的温度范围内 Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t100) 在在0850的温度范围内的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) Rt 铂热电阻在铂热电阻在 t 时的电阻值；时的电阻值； R0铂热电阻在铂热电阻在 0 时的电阻值；时的电阻值； A、B 和和 C常

4、数。常数。 A = 3.908310-3/ B = 5.77510-7/2 C = 4.18310-12/4 热电阻在温度热电阻在温度 t 时的电阻值与时的电阻值与0时时的电阻值的电阻值R0有关。有关。 目前我国规定工业用铂热电阻有目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两种，两种， 它们的分度号分别为它们的分度号分别为 Pt10 和和 Pt100， 其中以其中以Pt100为常用。为常用。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即表，即Rtt 的关系表，的关系表， 在实际测量中，只要在实际测量中，只要测得测得热电阻的热电阻的阻值阻值Rt ，便可从分度表上

5、查出对应的温，便可从分度表上查出对应的温度值。度值。 Pt100的分度表的分度表见表见表15-8。 铂电阻分度表铂电阻分度表 铂热电阻中的铂热电阻中的铂丝纯度铂丝纯度用用电阻比电阻比W（100）表示，即）表示，即 1000(100)RWR R100铂热电阻在铂热电阻在100时的电阻值；时的电阻值； R0铂热电阻在铂热电阻在0时的电阻值。时的电阻值。 电阻比电阻比W（100）越大，其纯度越高。）越大，其纯度越高。 按按IEC标准，工业使用的铂热电阻标准，工业使用的铂热电阻的的W1001.3850。 目前技术水平：目前技术水平： W（100）=1.3930， 其对应铂的纯度为其对应铂的纯度为99.

6、9995%。 (2) 铜热电阻铜热电阻 铂是贵重金属，在一些铂是贵重金属，在一些测量精度要测量精度要求不高求不高且且温度较低温度较低的场合，可采用铜热的场合，可采用铜热电阻进行测温，电阻进行测温， 测量范围为测量范围为50 150。 铜热电阻在测量范围内其铜热电阻在测量范围内其电阻值与电阻值与温度的关系几乎是线性的温度的关系几乎是线性的，可近似地表，可近似地表示为示为 Rt=R0（1+t） 为铜热电阻的为铜热电阻的电阻温度系数电阻温度系数， 取取=4.2810-3/。 铜热电阻有两种分度号，分别为：铜热电阻有两种分度号，分别为： Cu50 (R0=50) Cu100（R100=100）。）。

7、铜热电阻铜热电阻线性好线性好， 价格便宜。价格便宜。 但但测量范围窄测量范围窄， 易氧化易氧化， 不适宜在腐蚀性介质或高温下不适宜在腐蚀性介质或高温下工作工作。 2. 热电阻的结构热电阻的结构 热电阻结构 电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。 电阻丝采用电阻丝采用双线无感绕法双线无感绕法绕制在具绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，架上， 支架起支撑和绝缘作用。支架起支撑和绝缘作用。 引出线采用直径引出线采用直径1 mm的银丝或镀银的银丝或镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接线路相连而测量及

8、显示温度。线路相连而测量及显示温度。 用热电阻传感器进行测温时，测量用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电路经常采用电桥电路电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。影响。 热电阻内部引线方式有二线制、三热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图线制和四线制三种，如图15-20 所示。所示。 内部引线方式 电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制 电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制 二线制中引线电阻对测量影响大，二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合。用于测温精度

9、不高的场合。 电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制 三线制可以减小热电阻与测量仪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。化所引起的测量误差。 电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制 四线制可以完全消除引线电阻对四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。测量的影响，用于高精度温度检测。 2.2.2 半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器 1. 分类及特性分类及特性 按半导体电阻值随温度变化的特性按半导体电阻值随温度变化的特性分为三种类型：分为三种类型： 负电阻温度系数热敏电阻（负电阻温度系数热敏电阻（NTC） 正电

10、阻温度系数热敏电阻（正电阻温度系数热敏电阻（PTC） 在某一特性温度下电阻值会发生突在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻（变的临界温度电阻（CTR）。）。 它们的特性曲线如图它们的特性曲线如图2.14所示。所示。图图2.14 三种类型热敏电阻的典型特性三种类型热敏电阻的典型特性 048121620t10 /101102103104105106CTRPTCNTC / (cm) 由图由图2.14可见可见,使用使用CTR组成热控制开组成热控制开关是十分理想的。关是十分理想的。 但在温度测量中但在温度测量中,则主要采用则主要采用NTC,其温度特性如下式所示：其温度特性如下式所示：)11(ex

11、p00TTBRRt Rt为为 T 时的热敏电阻值；时的热敏电阻值； R0 为为 T0 时的热敏电阻值；时的热敏电阻值； B热敏电阻的热敏电阻的材料常数材料常数, 其值主要取决于热敏电阻的材料。其值主要取决于热敏电阻的材料。 一般情况下一般情况下, B=20006000K, 在高温下使用时在高温下使用时, B值将增大；值将增大； 若定义若定义 为热敏电阻的温度为热敏电阻的温度系数系数, 则有则有2200)1()11(exp11TBTBTTBRRdTdRRatttdTdRRtt1 可见可见,随温度降低而迅速增大。随温度降低而迅速增大。 如如B4000 K,当当T=293.15K(20) 时时, 求

12、得求得=4.7 %/, 约为约为铂电阻铂电阻的的12倍倍, 因此因此, 这种测温电阻灵敏度高。这种测温电阻灵敏度高。 R0的常用范围是几百欧到一百千的常用范围是几百欧到一百千欧欧, 所以所以,这种测温电阻的引线电阻影这种测温电阻的引线电阻影响小响小,可以忽略。可以忽略。 体积小也是它的又一特点。体积小也是它的又一特点。 由于有这些特点由于有这些特点,使它非常适合于使它非常适合于测量微弱的温度变化、温差以及温度测量微弱的温度变化、温差以及温度场的分布。场的分布。 2. 使用时的注意事项使用时的注意事项 在使用热敏电阻时在使用热敏电阻时, 要注意到自热要注意到自热效应问题效应问题, 但是但是,必须

13、特别注意的有如下两点。必须特别注意的有如下两点。 1） 热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻温度特性的非线性 热敏电阻随温度变化呈指数规律热敏电阻随温度变化呈指数规律,也就是说也就是说, 其非线性是十分严重的。其非线性是十分严重的。 当需要进行线性转换时当需要进行线性转换时,应考虑线应考虑线性化处理。性化处理。 常用的线性化方法如下。常用的线性化方法如下。 （1） 线性化网络。线性化网络。 利用包含有热敏电阻的电阻网络利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻敏电阻, 其一般形式如图其一般形式如图2.15所示。所示。图2.15 热敏电阻的线性

14、化网络RR2 RtR1RTR3R#t / R# R3 /(R2 Rt)oR1、 R2、 R3的 温度系数近似为零Rt 具有负温度系数R1R3R2RtRT 根据根据 Rt 的实际特性和要求的网络的实际特性和要求的网络特性特性 RT（t）, 通过计算或图解方法确通过计算或图解方法确定网络中的电阻定网络中的电阻R1、R2、R3。 目前这种方法用得较多。目前这种方法用得较多。 为了提高设计的准确度为了提高设计的准确度, 可利用计可利用计算机进行。算机进行。 （2） 利用电子装置中其它部件的利用电子装置中其它部件的特性进行综合修正。特性进行综合修正。 图图2.16是一个温度是一个温度频率转换电路。频率转

15、换电路。图2.16 温度-频率转换电路 ArRR1RtCUoT 它实际是一个三角波它实际是一个三角波方波变换器方波变换器, 电容电容C的充电特性是非线性特性。的充电特性是非线性特性。 适当地选取线路中的电阻适当地选取线路中的电阻 r 和和 R, 加上加上Rt ,可以在一定的温度范围内可以在一定的温度范围内, 得到得到近似于线性的温度近似于线性的温度频率转换特性。频率转换特性。 该电路的振荡周期为该电路的振荡周期为)21ln(21rRRCRTt （3） 计算修正法。计算修正法。 在带有微处理机（或微型计算机）在带有微处理机（或微型计算机）的测量系统中的测量系统中, 当已知热敏电阻的实际特性和要当

16、已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时求的理想特性时, 可采用线性插值法将特性分段可采用线性插值法将特性分段, 并把各分段点的值存放在计算机并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。的存储器内。 计算机将根据热敏电阻器的实际计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后输出值进行校正计算后, 给出要求的输出值。给出要求的输出值。2）热敏电阻器特性的稳定性和老化问题）热敏电阻器特性的稳定性和老化问题 早期热敏电阻器的应用曾因其特早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。老化问题而受到限制。 近十几年来近十几年来,随着半导体工

17、艺水平随着半导体工艺水平的提高的提高,产品性能已得到很大的改善。产品性能已得到很大的改善。 现在已研制出精度优于热电偶现在已研制出精度优于热电偶, 并具有互换性的热敏电阻并具有互换性的热敏电阻, 而且还能制造出而且还能制造出300以下可忽略以下可忽略老化影响的产品。老化影响的产品。 但不同厂家产品质量差异还比较大。但不同厂家产品质量差异还比较大。 一般说一般说,正温度系数热敏电阻器和正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的临界温度热敏电阻器特性的均匀性均匀性要要差于差于负温度系数热敏电阻器。负温度系数热敏电阻器。 在辐射热检测器中在辐射热检测器中, 采用薄膜式金采用薄膜式金属电阻和热敏电

18、阻薄膜属电阻和热敏电阻薄膜, 构成热量型检构成热量型检测器测器, 将辐射热转换成电阻的变化。将辐射热转换成电阻的变化。 3. 应用举例应用举例 电动机过热保护装置组成电路原理电动机过热保护装置组成电路原理如图如图2.17所示。所示。 图图2.17 电动机过热保护装置组成电路原理电动机过热保护装置组成电路原理 220 V7812KV1R1RwSRt1Rt2Rt3V2 三只特性相同的负温度系数热敏三只特性相同的负温度系数热敏电阻（如电阻（如RRC6型）型） （经测试，阻值在（经测试，阻值在20时为时为10 k；100 时为时为1 k; 110 时为时为0.6 k） 放置在电动机内绕组旁放置在电动机内绕组旁,紧靠绕组紧靠绕组,每相各放置一只每相各放置一只, 用万能胶固定。用万能胶固定。 当电动机正常运转