第四章+热电检测器件

热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件2/2/20231热电检测器件的特性1、光电器件基于光量子效应、热电器件基于热效应，即热电检测器件吸收入射辐射产生温升，从而引起材料物理性质的变化，而输出电信号。2、从光谱响应看，热电检测器件属于无选择器件，室温下不需致冷，应用上不同于光电器件。3、热电检测器件将辐射能转换为热能，这是每个器件都要经历的阶段，属于热电检测器件的共性。4、将热能转换为电能随每个器件的结构原理不同而存在差异，属于热电检测器件的个性。2/2/20232

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器。它是利用测温敏感元件的电或磁的参数随温度变化而改变的特性，将温度变化转换为电量变化达到测量温度的目的。主要介绍热电偶、热电阻、热敏电阻和热释电探测器。

2/2/20233热电偶传感器

热电偶传感器简称热电偶，是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。其测温范围较宽，一般为-50~1600℃，最高的可达到3000℃，并有较高的测量精度。另外，它具有结构简单、制造方便、热惯性小、输出信号便于远传等优点。其产品已标准化、系列化、运用十分方便。2/2/202344.1.1基本原理及热电效应1.基本原理

1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头中的一个加热即可产生电流，如图所示。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差E，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。2/2/202352.热电效应

将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路，若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。

热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成的。2/2/20236

（1）接触电势

当两种导体（或半导体）接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去电子的导体呈正电位，得到电子的导体呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电位差，此电位差称为接触电势。其大小与两种导体的性质及结点的温度有关，可表示为：2/2/20237

式中，EAB(T)为A、B两种导体在温度T时的接触电势；K为玻尔兹曼常数；e为电子电荷；NA，NB为导体A、B的自由电子密度；T为结点处的绝对温度。

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（2）温差电势也称为汤姆逊电势，产生原因是，金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大;因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势：2/2/20239

式中，EA(T,T0)为导体A的两端温度分别为T与T0时的温差电势；бA为温度系数（又叫汤姆逊系数），它表示单一导体的两端温差为1℃时所产生的温差电势。热电偶的热电势如图所示，可表示为2/2/202310可进一步写成2/2/202311几点结论：

①如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。

②组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。

③由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度T0恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内是热端温度T的单值函数。2/2/202312赛贝克效应2/2/202313高温贵金属热电偶、铠装热电偶高温贵金属热电偶高温贵金属热电偶高温贵金属热电偶2/2/202314高温防腐热电偶2/2/202315防爆热电偶2/2/202316镍铬-铜镍热电偶

2/2/202317多点热电偶（同时测量多点）2/2/2023184.1.2热电偶的基本定律1.匀质导体定律

由同一种匀质（电子密度处处相同）导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面积和长度如何，不论其各处的温度分布如何，都不能产生热电势，这就是匀质导体定律。

（1）热电偶必须由两种不同的匀质材料制成，热电势的大小只与热电极材料及两个结点的温度有关，而与热电极的截面及温度分布无关。

（2）此定律可用来检验热电极材料是否为匀质材料。2/2/2023192.中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种金属导体，如图所示，只要该金属导体C与金属导体A、B的两个结点处在同一温度，则此导体对于回路总的热电势没有影响，称为中间导体定律。热电偶回路接入中间导体C后的热电势为：2/2/202320所以因而中间导体定律得到证明。

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此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致，仪表的接入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。

根据此定律，除可在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量。2/2/202322

如图所示，将热电极A和B直接插入液态金属或焊在固体金属表面上。例如，用热电偶连续测量铁水的温度就是这样的。在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。

3.连接导体定律和中间温度定律

在热电偶回路中，如果热电极A与B分别连接导线a、b，其结点温度分别为T、Tn和T0，如图所示。2/2/202323

则回路的总热电势EABba(T,Tn,T0)等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线的热电势Eab(Tn,T0)之和，这就是连接导体定律，可用下式表示：

2/2/202324

当A和a，B和b的材料分别相同时，其各结点的温度仍为T，Tn和T0时，总热电势由上式可得：

这就是中间温度定律。它表明结点温度为T和T0的热电偶，其热电势等于结点温度分别为T和Tn(中间温度)，以及Tn和T0两只同性质热电偶热电势的代数和。

2/2/202325

中间温度定律也有重要的应用。热电偶的分度表均是以参比端T0=0℃为标准的，而热电偶在实际使用时其参比端温度不是0℃，一般是高于0℃的某个数值，如Tn=20℃，此时可根据相关公式来修正热电势，从而得到被测温度。2/2/2023264.参考电极定律（标准电极定律）

如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且ABACCBTTTT0T0T0根据此定律，可以给出所有热电偶材料与标准电极的热电势，方便热电偶电极的选配。2/2/2023272/2/2023282/2/2023294.1.3热电偶的材料、分类与结构1、热电偶材料

热电偶的热电极材料应满足以下要求：①物理、化学性能稳定；②测温范围宽；③热电性能好；④电阻温度系数小；⑤热容量小；⑥有良好的机械加工性能等。

完全满足上述条件的材料很难找到，故一般只根据被测温度的范围，选择适当的热电极材料。目前热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。金属中又有廉价金属、贵金属和难熔金属等。常见的热电偶材料有：康铜、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag等。2/2/2023302.热电偶的分类

热电偶分为标准化与非标准化两大类。

（1）标准化热电偶

标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度关系及允许误差，并有统一标准分度表的热电偶。

目前在国际上被公认比较好的热电偶的材料只有几种。国际电工委员会(IEC)向世界各国推荐8种标准化热电偶。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。2/2/202331

①PtRh10-Pt（铂铑合金）热电偶。这是一种贵金属热电偶，正极是由质量分数为90%的Pt和10%的Rh制成的合金丝，负极为纯Pt丝。可用于较高的温度，能长时间在0~1300℃中工作，短时间可测到1600℃。它的物理化学性能稳定，因此具有较好的复制性、精确性、稳定性和可靠性，易于在氧化性和中性气氛中使用。（在空气中能被氧化的气体都可称“还原性气体”，如：氢气、一氧化碳，硫化氢,甲烷，一氧化硫。气体还原性是相对的，如：一氧化碳，加氢气可能被还原成碳和水，氢气在钾，钠面前也不具还原性。以上“还原性气体”只是在空气中能被氧化的气体。）2/2/202332

缺点是热电势小、热电特性的非线性较大，不宜在还原性气体、金属蒸气、金属氧化物、氧化硅和氧化硫等气氛中使用。否则会很快受到腐蚀而变质。在上述气氛中使用时，必须加保护套管。另外，它的价格贵，热电偶金属丝的直径在0.5mm以下，机械强度低。②NiCr-NiSi(NiCr-NiAl)热电偶

这是一种廉价的金属热电偶，工业上应用最广泛。2/2/202333

正极是NiCr合金，其成分为Ni(89%)，Cr(10%)，Fe(1%)；负极是NiSi合金，其成分为Si(2.5~3)%，Cr(≤0.69%)，其余为Ni。因为热电极中含有大量的Ni，故这种热电偶在高温下抗氧化能力及抗腐蚀能力都很强。另外热电势与温度的线性关系好，热电势也较大，复制性好，价格低廉，可长时间在900℃使用，短时间可以用到1200℃，因此应用广泛。2/2/202334

NiCr-NiSi热电偶的缺点是在还原性介质、硫及硫化物介质(SO2，H2S)气氛中测量500℃以上温度时容易被腐蚀，这种情况下必须另加保护套管。另外，其精度低于PtRh-Pt热电偶。但由于它的热电势较大，故还是可以保证有足够的精度，其误差一般在6℃~8℃范围内。

由于NiCr-NiSi热电偶有一系列优点，尤其是性能稳定、经长期考验可作为标准热电偶使用。因此，我国已正式决定选用NiCr-NiSi热电偶作为三级标准热电偶。

2/2/202335

③铜-康铜热电偶

它在低温下使用较普遍。其正极为纯Cu，负极为CuNi合金（Cu60%，Ni40%）。铜-康铜价格低廉，且在低温下有较好的稳定性，可测-200℃的低温。是常用的低温热电偶。目前在0~100℃范围内，铜-康铜热电偶被选定为三级标准热电偶，用来检测低温测量仪表。因为铜极易氧化，故一般测量上限≤300℃。

2/2/202336（2）非标准化热电偶

①W-Mo热电偶。正极为W，负极为Mo。具有较高的熔点，因此可测量高达2200℃的温度。W、Mo化学稳定性差，易被氧化，在还原介质中高温稳定性也差，故只能在真空或中性介质中工作；它在1200℃以上的一段温区才出现热电势与温度的线性对应关系，故只能用于1300～2200℃的高温测量。2/2/202337

②W-Re系(钨铼）热电偶。常用的是WRe5-WRe20热电偶，正极为95%的W与5%的Re制成的合金；负极为80%的W、20%的Re制成的合金。W-Re合金热电偶可在惰性、还原性气体及真空中使用，最高温度可达2600~3000℃，线性较好，热电势较大，价格低廉。2/2/202338

但这种热电偶易氧化，不能在氧化气体中使用。此外，这类合金的杂质含量不稳定，不同批的热电偶丝热电特性是有差别的，每一批应单独分类。

③Ir-Rh（铱铑）系热电偶。最常用的是IrRh40-Ir热电偶，其正极为60%的Ir、40%的Rh制成的合金，负极为纯Ir。

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这类热电偶可在氧化、真空或中性气氛中使用。测量温度可达2200℃。它的热电势虽然较小，但线性好。这类热电偶的不足之处是不宜在还原性气氛中使用；寿命较短，在空气中2000℃使用时，寿命只有20小时。

2/2/202340常用热电偶的热电特性如图所示2/2/2023413.热电偶的结构

（1）普通型热电偶

普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，如图所示。主要用于测量气体，蒸气和液体等介质的温度。2/2/202342

（2）铠装热电偶(铠装”就是在产品的最外面加装一层金属保护，以免内部的效用层在运输和安装时受到损坏)

铠装热电偶是20世纪60年代兴起的新型结构热电偶。它是把热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组成一个整体，并经复合拉伸而成的组合热电偶，如图所示。其外径可拉得很细，一般直径为1mm~8mm，最小可达0.2mm，长度1m~20m。其特点是：动态响应快，热容量小，强度高，可挠性好，便于安装。2/2/202343

（3）薄膜热电偶

薄膜热电偶的形状可分片状、针状等形式，它是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将两种热电极材料直接蒸镀（或沉积）于绝缘的基片上而制成，如图所示是片状薄膜热电偶。其特点是热容量小，动态响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便而迅速。2/2/202344

（4）表面热电偶

表面热电偶是一种专门用来测量各种固体表面温度的热电偶。它可根据需要自行设计，加工和安装使用。

（5）快速热电偶

这种热电偶又称为消耗热电偶，它是专为测量钢水，铝水，铜水及熔融合金的温度而设计的，其主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。2/2/202345辐射热电偶2/2/202346半导体热电偶半导体材料具有较高的温差电位差，可达500µV/℃将p和N两种半导体材料用涂黑金箔连在一起，增加对辐射的吸收能力。在热辐射作用下，由于热端温度升高，半导体材料的载流子密度增加，平均动能也增大，热端载流子向冷端扩散，使N型材料热端带正电，冷端带负电，P型材料相反。2/2/202347热电偶及测温仪表2/2/202348铠装热电偶2/2/2023494.1.4热电偶测温电路1.工业用热电偶测温电路

一般与动圈表或电子电位差计配套使用，测温电路如图所示。左图为与动圈表配套使用的电路，热电偶冷端温度补偿用的是补偿电桥法，右图为与自动电子电位差计配套使用的电路。图中T0为热电偶冷端处的温度。+-2/2/2023502.实验室用热电偶测温电路

在科学研究、计量检定等场合，热电偶冷端补偿采用冰浴法，并与电位差计配套使用。通常的做法是用冰点槽将冷端恒定在0℃，然后用UJ系列电位差计测量热电势。2/2/2023513.热电偶串、并联线路如图所示。图为(a)正向串联；图为(b)反向串联；图为(c)并联。2/2/2023522/2/202353热电堆1、热电堆结构为减少热电偶的响应时间，提高灵敏度，常常把辐射接受面分为若干块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶串接起来，形成了热电堆。2/2/2023544.2热电阻传感器

利用电阻随温度的变化而变化的物理现象制成的热电式传感器称为热电阻传感器。和热电偶相比：①同样温度下，输出信号大，易于测量。0-100℃，K型热电偶输出4.095mV；Pt热电阻电阻变化39.1Ω。②热电阻输出的是电阻增量，热电偶输出的是电动势。③热电偶输出不需要外加电源，热电阻输出需要外加电源。④热电阻感温部分尺寸大，热电偶感温部分尺寸小。⑤同类材料热电阻测温上限小。2/2/202355

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。1、热电阻测温原理及材料

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。2、热电阻的类型1）普通型热电阻从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。2）铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2--φ8mm，最小可达1mm。2/2/202356与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。3）端面热电阻:感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。4）隔爆型热电阻:隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于B1a--B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。2/2/202357WZ装配式热电阻2/2/202358防爆热电阻

2/2/2023594.2热电阻传感器4.2.1热电阻的工作原理及材料结构4.2.2热电阻的结构及测量电路2/2/2023604.2.1热电阻的工作原理及材料结构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。一般结构如图所示。将铂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。2/2/202361

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具有平衡或非平衡电桥回路的显示仪表，即可测得被测温度的值。2/2/202362

如图所示为WZ系列热电阻，是工业用热电阻，作为温度测量传感器，通常和显示仪表配套，直接测量各种生产过程中0~850ºC范围内液体，蒸气和气体介质以及固体表面等温度。

特点：具有能弯曲，耐高压，反应时间快和坚固耐用等许多特点。常作为温度测量和调节型的检测元件。2/2/2023632.常用热电阻材料

（1）对热电阻材料的要求如下：

①具有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。电阻与温度的函数呈单值函数（最好是呈线性关系）；对同一种材料来讲，其复制性要好，以便批量生产。2/2/202364

（2）常用热电阻材料

①Pt热电阻。其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。此外，Pt容易提纯，保证它具有非常好的重现性能，并有高的测量精度。Pt还具有较大的电阻率（r=0.1W‧mm2/m）和高的熔化温度（1772℃），因此体积可做得较小，测温范围也比较宽。2/2/202365

由于Pt为贵金属，在测量精度要求不高和测量范围较小时，大多采用Cu电阻。②Cu热电阻。Cu价格低廉，容易提纯，在-50~150℃的温度范围内化学、物理性能稳定，灵敏度高(温度系数大)，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，但价格便宜。2/2/202366

其缺点是电阻率较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℃时易被氧化，因此Cu热电阻适用于工作在温度较低的介质中，适用于测量精度要求不太高、测温范围比较小的场合。Cu热电阻的标称值有R0=50W及R0=100W两种。2/2/202367常用热电阻的特性如图所示。2/2/202368常用热电阻材料特性如表所示。2/2/202369图10.132/2/202370WZ系列热电阻2/2/2023714.2.2热电阻的结构及测量电路1.热电阻的结构

热电阻的结构形式有如下几种：

（1）普通型热电阻

工业上使用最为广泛的热电阻是普通型热电阻，其外形结构与普通型热电偶的外形结构基本相同，参看图10.6。仅从外形上是难以区分二者的，但两者的内部结构却完全不同。2/2/202372

普通型热电偶内部的感温元件是热电极，而在热电阻中代替它们的是热电阻体，热电阻体的有关构成参看图10.13。（2）铠装热电阻

铠装热电阻类似于铠装热电偶，它是将感温元件焊到预先拉制好的、与保护套及绝缘材料组成一体的导线上，然后在外边焊上一小段短的保护管，在感温元件及保护管之间充填氧化镁绝缘材料，最后在端部焊上封头而成。2/2/202373

它具有以下优点：热惯性小，响应速度快；耐振、抗冲击，坚固性好；寿命长。

（3）薄膜热电阻

它是利用真空镀膜、化学涂层、电泳等方法，将纯金属（如Cu）蒸镀（或沉积）于绝缘的基片上而制成，其外形有棒状和片状。这类热电阻的最大优点是响应速度非常快。2/2/2023744.3热敏电阻

原理：半导体材料吸收入射辐射，引起晶格振动加剧，器件温度升高致使器件的电阻值发生变化。利用半导体的电阻值与温度呈现一定函数关系的原理可以制成的温度传感器。

典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。温度特性图中曲线上所标的是其室温下的电阻值。热敏电阻的符号如图所示。2/2/202375热电阻与热敏电阻的区别是：一般热电阻都是指金属热电阻（PT100）等，热敏电阻都是指半导体热电阻由于半导体热电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化，而且电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择。所以称为热敏电阻，但是热敏电阻阻值随温度变化的曲线呈非线性，而且每个相同型号的线性度也不一样，并且测温范围比较小。所以工业上一般用金属热电阻~也就是我们平常所说的热电阻，而热敏电阻一般用在电路板里，比如可以类似于一个保险丝。由于其阻值随温度变化大，可以作为保护器使用。当然这只是一方面，它的用途也很多，如热电偶的冷端温度补偿就是靠热敏电阻来补偿，另外，由于其阻值与温度的关系非线性严重，所以元件的一致性很差，并不能像热电阻一样有标准信号。2/2/2023761.热敏电阻的特点

①电阻温度系数大，约为金属电阻的10～100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。元件尺寸可做到直径为0.2mm，能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度；③使用寿命长；电阻率高，适宜作动态测量。④利用半导体掺杂技术，可以测量42～100K之间的温度，是一种重要的低温传感器。⑤使用方便，电阻值可在0.1~100kW之间任意选择。其不足之处是互换性差，离散性严重。2/2/202377热敏电阻的特性

（1）近年来研制的玻璃封装热敏电阻具有较好的耐热性、可靠性和频响特性。如图所示为玻璃封装热敏电阻的结构示意图。它适用于作高性能温度传感器的热敏器件。当温度由125℃上升到300℃时，响应时间由30s加快到6s，工作稳定性由±5%改善为±(3~1)%。2/2/202378

（2）氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在低于300℃时工作。用硼的卤化物与氢还原研制的硼热敏电阻，在700℃高温时仍能满足灵敏度、互换性、稳定性的要求。可用于测量液体流速、压力成分等。

（3）负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重。近期研制的CdO-Sb2O3-WO3和CdO-Sn2O3-WO3两种热敏电阻，在-100~300℃温度范围内，特性曲线呈线性关系，解决了负温度系数热敏电阻存在的非线性问题。2/2/202379

（4）近年来发现四氰醌二甲烷有机半导体材料具有电阻率随温度迅速变化的特性，如图所示。当温度自低温上升至TH时，因电阻率迅速下降，使电阻值相应减小，直至温度等于或高于TH时，电阻值变为R0。当温度自高温下降至TH附近直至TH时，电阻率变化较小，电阻值变化不大。当温度继续下降至TL时，由于电阻率迅速增加，电阻值达到Rp。2/2/202380利用上述特性可制成定时器，通过保持材料的温度在TH与TL之间，即可使定时时间限制在R0至Rp的持续时间里。这种有机材料不仅可制成厚膜，还可以制成薄膜或压成杆形。用它制成的电子定时元件，具有定时时间宽（从数秒~数十小时）、体积小、造价低的优点。2/2/2023812.热敏电阻的结构形式

热敏电阻是用一些金属氧化物，按一定的比例混合进行研磨，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，如图所示。作为感温元件通常选用珠状和圆片形。一些型号的热敏电阻如图所示。2/2/202382热敏电阻结构示意图2/2/202383热敏电阻结构2/2/202384不同材料热敏电阻的温度曲线2/2/2023853．热敏电阻的主要特性

热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数(PTC)热敏电阻和负温度系数(NTC)热敏电阻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器(CTR)。

如图所示，为几种不同材料的热敏电阻的温度特性。负温度系数热敏电阻应用较为普遍。2/2/202386(1)温度特性①正温度系数（PTC）型热敏电阻。正温度系数（PTC）型热敏电阻是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3(化学名称是三氧化二钇,白色略带黄色粉末。熔点:2415℃;相对密度:5.01;溶解性:不溶于水和碱,溶于矿物酸)。

和Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大，其色标标记为红色。开关型正温度系数热敏电阻在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的区段;2/2/202387

通过成分配比和添加剂的改变，可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里，例如加入适量铅其居里温度升高；若将铅换成锶，其居里温度下降。正温度系数的热敏电阻，其温度系数从常温到居里点以前是负值，一旦过了居里点，其电阻值就迅速增加，温度系数变为正值，直到达到最高电阻值之后，又开始平缓地变为负温度系数。2/2/202388因此，使处于低阻态的元件通过额定电流后，元件迅速升温，而处于高阻态，可起到限流作用。利用它的限流特性已制成彩电自动消磁器、马达启动装置以及现代汽车中的“软”启动装置。目前已越来越多地应用于日常生活中，如房间温度调节器、荧光灯电子镇流器、可恢复保险丝等。2/2/202389

②临界型（CTR）热敏电阻。如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体，可制成临界型（CTR）热敏电阻;它是负温度系数型，但在某个温度范围里阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡峭，灵敏度极高，其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警电路中。2/2/202390

③负温度系数热敏电阻负温度系数(NTC)型半导体热敏电阻研究最早，生产最成熟，是应用最广泛的热敏电阻之一;通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于-100～300℃之间的温度测量，其色标标记为绿色，其阻值与温度的关系为2/2/202391

式中，RT是温度为T时的阻值，单位为Ω；T为温度，单位是K；A、B为取决于材质和结构的常数，其中A的量纲为W，B的量纲为K。由上面的关系式不难得到下式式中，RT为任意温度T时热敏电阻的阻值，T为任意温度，RT0为标准温度T0时的阻值，B称为负温度材料系数，也称为B常数。2/2/202392上式是经验公式。实验表明，无论是用氧化物还是用单晶做成的热敏电阻，在不太宽的温度范围内(小于400℃)都能用上式描述。

这里应该指出，B常数不是固定值，是温度T的函数，即B=f(T)，如图所示。不同厂家生产的热敏电阻B值都不一样，从上式可求出B常数为2/2/202393

如果被测温度比较低，而且不需要很高的精度时，一般把B看成一个常数，求出温度或热敏电阻的阻值。这时计算温度的公式为2/2/202394热敏电阻的温度系数为

例3已知某负温度系数热敏电阻，在温度为298K时阻值RT1=3144W；当温度为303K时阻值RT2=2772W。试求该热敏电阻的材料常数B和298K时的电阻温度系数a是多少?解按前式求得B=2275K，温度系数为2/2/202395

(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；当电流增大时，热敏电阻自身开始发热，出现负阻效应（NTC型）。如图所示。2/2/202396

(3)热敏电阻的安时特性

流过热敏电阻的电流与时间的关系，称为安时特性，如图所示。它表示热敏电阻在不同电压下，电流达到稳定最大值所需要的时间。2/2/202397热敏电阻2/2/202398四氰醌二甲烷特性2/2/202399热敏电阻的结构形式2/2/2023100热敏电阻1高分子PTC热敏电阻SMD热敏电阻

2/2/2023101热敏电阻2特点：

玻璃封装、耐热、小型化、稳定性和可靠性高，适用于自动插件机安装，性价比高、经济。应用范围：

电磁炉、电热水器、电饭煲、电烤箱、消毒柜、饮水机、洗碗机等化工设备、食品加工设备中温度测控，手机电池及充电器。MF58型热敏电阻2/2/2023102热敏电阻3MF55系列绝缘薄膜NTC热敏电阻器CMF片式负温度系数热敏电阻器

MF74超大功率型NTC热敏电阻器2/2/2023103热敏电阻4MF72功率型NTC热敏电阻器MF73超大功率型NTC热敏电阻器2/2/2023104热敏电阻5MF11、MF12补偿型NTC热敏电阻器MF57型水箱温度感应塞专用NTC热敏电阻器2/2/2023105热敏电阻6MF51玻封高精密测温型NTC热敏电阻器MF52珠状精密型NTC热敏电阻器2/2/2023106图10.152/2/2023107B常数2/2/2023108热敏电阻与热电偶的区别热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,是工业上最常用的温度检测元件之一.热电偶测温基本原理:将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个节点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个温差电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

热敏电阻则是用半导体材料制作的电阻，主要有两种：一种是随温度上升而电阻下降,叫负温度系数热敏电阻,另一种是随温度上升电阻也上升,叫正温度系数热敏电阻。

2/2/2023109严格来说所有电阻对温度都会有响应，金属电阻一般是正温度系数，也就是说温度越高电阻越高而热敏电阻分正温度系数和负温度系数两种，正的是随温度升高而升高，负的相反光敏电阻对光比较敏感，对温度不是很敏感，但是也是随温度升高电阻减小一般来说照度增加电阻减小2/2/20231104.5热电式传感器应用举例

热电式传感器在实际中有很多应用。

4.5.1测温热电偶

4.5.2气体成分分析

4.5.3热敏电阻式过热保护继电器

4.5.4AD590温度传感器在远距离检测中的应用

4.5.5用热敏电阻测量流量

4.5.6铠装铂电阻液位测量传感器

4.5.7其他测温传感器2/2/20231114.5.1测温热电偶在使用中，只需将热电偶的冷端与集成温度传感器AD590置于同一环境中，不论环境温度如何改变，均可在电路的输出端得到正比于热电偶工作端温度的电压值。

如图所示是这种冷端温度补偿电路的原理图，图中，A1、A2、A3三个集成运放构成数据放大器，以放大热电偶的热电势E；2/2/2023112

运放A5是一同相比例运算电路，它把AD590正比于环境温度的电流转变为电压信号Uo2；运放A4是一反相输入求和电路，该电路对Uo1、Uo2求和，抵消随环境温度变化的成分，使输出电压Uo正比于热电偶工作端的温度。2/2/2023113图4.12/2/20231144.5.2气体成分分析

如图所示为元素分析仪气体成分分析原理图。它主要由四个外壳用相同材料制成的分析室组成。气体成分分析室结构如图所示。分析室Rk1和Rk2为参考室，室内充入洁净的空气，另外两个分析室Rx1和Rx2内充入被分析的混合气体，四个分析室组成桥路。2/2/2023115

工作时先将惰性气体通入分析室，使电桥达到平衡，而后使被测混合气体进入分析室，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浓度有关。导热系数不同，散热情况不同，热电阻温度不同。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。2/2/2023116

设氢气的导热系数为l1、气体的百分数含量为a，氮气的导热系数为l2，两种混合气体的导热系数为l，则2/2/2023117

氢气和氮气的导热系数已知，只要测出l，就可获得氢气的百分数含量a，进而获得氮气的百分数含量(1-a)。大量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成线性关系。通过测量热电阻阻值就可求得气体的导热系数，也就间接求得氮、氢气体的百分数含量。2/2/2023118图4.22/2/2023119气体成分分析室结构2/2/20231204.5.3热敏电阻式过热保护继电器

如图所示是一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路。三只特性相同的RC6型负温度系数热敏电阻Rs1、Rs2、Rs3(阻值20℃时为10kW；100℃时为1kW；110℃时为0.6kW)串联在一起，固定在电机三线绕组附近。2/2/2023121

当电机正常运转时，温度较低，热敏电阻阻值较高，三极管不导通，继电器J不吸合。当电机过载或其中一相与地短路时，电机绕组温度剧增，热敏电阻阻值相应减少，三极管导通，继电器J吸合，电机电路被断开，起到过热保护作用。

2/2/2023122图4.32/2/20231234.5.4AD590温度传感器在远距离检测中的应用

如图所示电路可测量300m内某点的温度，由于使用了屏蔽的绞合电缆及在电缆两端串、并了电阻R=1kW和电容C=0.33mF;实验结果证明，输出噪音峰-峰值只有10mV，能够有效的消除噪音和干扰。

图中令AD590的输出电流流过1kW电阻，产生电压1mV/K，并将其接AD524仪表放大器的同相输入端，2/2/2023124AD580作基准电压输出2.5V，用电阻分压到273.2mV，接仪表放大器的反相输入端;因为AD590直接测量绝对温度（标称输出为1mA/K），为了以摄氏度读出，其输出必须以273.2mA偏置，与AD580输出的电阻分压值叠加后，AD524将差值放大100倍，其输出量程-0.55V~+10V(100mV/℃)直接对应-5.5～+100℃。2/2/2023125图4.42/2/20231264.5.5用热敏电阻测量流量

应用热敏电阻测量管道流量的工作原理如图所示，Rt1、Rt2为热敏电阻，Rt1放入被测流量管道中，Rt2放入不受流体流速影响的容器内，R1、R2为一般电阻，四个电阻组成桥路。当流体静止时，电桥处于平衡状态，电流计没有指示。当流体流动时，Rt1上的热量被带走。Rt1因温度变化引起阻值变化，电桥失去平衡，电流计出现指示，其值与流速成正比。2/2/2023127用热敏电阻测量流量2/2/20231284.5.6铠装铂电阻液位测量传感器

传感器由2只标准铂电阻温度计Pt100和Pt10组成，2只温度计的几何尺寸和结构完全相同，如图所示。2/2/2023129

由R1、R2和Pt100、Pt10组成一测量电桥，Uab为电桥输出电压(mV)。当工作电流很小时，Pt100和Pt10的温度相同(此时Pt100与Pt10的温升可以忽略)，输出电压Uab为0。当传感器用于探测液面位置时，适当增大工作电流，2只铂电阻温度计都将发热升温，其温度都将高于周围介质温度。2/2/20231304.5.6铠装铂电阻液位测量传感器

虽然通过Pt100和Pt10的工作电流相同，但由于其阻值相差约10倍，发热功率相差也约为10倍，因而Pt100与Pt10的温升不同，导致其电阻值的增长幅度不同，从而电桥上的输出电压不为0。传感器浸没于水中的散热系数远大于其裸露在蒸汽中的散热系数。当铂电阻温度计Pt100、Pt10完全浸没于水中时，如图(a)所示，2/2/2023