第15章应用1.2热电阻测温

15.1.4热电阻传感器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。热电阻传感器的分类：金属热电阻半导体热电阻。

一般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。热电阻用来测量—200℃

～850℃范围内的温度，少数情况下：低温可测量至1K

，高温达1000℃。

标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图15-18所示。热电阻传感器

热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。

1.常用热电阻

用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，R——t关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现性好。目前最常用的热电阻：铂热电阻铜热电阻。

(1)铂热电阻精度高、稳定性好、性能可靠，在温度传感器中广泛应用。铂热电阻的使用温度范围：－200℃

～850℃。

铂热电阻的特性方程

在－200℃

～0℃的温度范围内Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t－100)］

在0～850℃的温度范围内

Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt——铂热电阻在t℃时的电阻值；R0—铂热电阻在0℃时的电阻值；

A、B和C——常数。

A=3.9083×10-3/℃

B=－5.775×10-7/℃2

C=－4.183×10-12/℃4

热电阻在温度t时的电阻值与0℃时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。

铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt－t的关系表，在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。Pt100的分度表见表15-8。铂电阻分度表

铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W（100）表示，即

R100——铂热电阻在100℃时的电阻值；R0——铂热电阻在0℃时的电阻值。

电阻比W（100）越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W100≥1.3850。目前技术水平：

W（100）=1.3930，

其对应铂的纯度为99.9995%。

(2)铜热电阻铂是贵重金属，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，测量范围为－50℃

～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+αt）

α为铜热电阻的电阻温度系数，取α=4.28×10-3/℃。

铜热电阻有两种分度号，分别为：Cu50(R0=50Ω)Cu100（R100=100Ω）。

铜热电阻线性好，价格便宜。但测量范围窄，

易氧化，

不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。

2.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。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。

引出线采用直径1mm的银丝或镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接线路相连而测量及显示温度。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。

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影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图15-20所示。内部引线方式

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。

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，用于高精度温度检测。

2.2.2半导体热敏电阻器1.分类及特性 按半导体电阻值随温度变化的特性分为三种类型：负电阻温度系数热敏电阻（NTC）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变的临界温度电阻（CTR）。它们的特性曲线如图2.14所示。图2.14三种类型热敏电阻的典型特性

由图2.14可见,使用CTR组成热控制开关是十分理想的。但在温度测量中,则主要采用NTC,其温度特性如下式所示：

Rt——为T时的热敏电阻值；R0——为T0时的热敏电阻值；

B——热敏电阻的材料常数,其值主要取决于热敏电阻的材料。一般情况下,B=2000～6000K,在高温下使用时,B值将增大； 若定义为热敏电阻的温度系数α,则有

可见,α随温度降低而迅速增大。如B＝4000K,当T=293.15K(20℃)时,求得α=4.7%/℃,约为铂电阻的12倍,因此,这种测温电阻灵敏度高。R0的常用范围是几百欧到一百千欧,所以,这种测温电阻的引线电阻影响小,可以忽略。体积小也是它的又一特点。由于有这些特点,使它非常适合于测量微弱的温度变化、温差以及温度场的分布。

2.使用时的注意事项 在使用热敏电阻时,要注意到自热效应问题,但是,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 热敏电阻随温度变化呈指数规律,也就是说,其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时,应考虑线性化处理。常用的线性化方法如下。 （1）线性化网络。利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻,其一般形式如图2.15所示。图2.15热敏电阻的线性化网络

根据Rt的实际特性和要求的网络特性RT（t）,通过计算或图解方法确定网络中的电阻R1、R2、R3。目前这种方法用得较多。为了提高设计的准确度,可利用计算机进行。

（2）利用电子装置中其它部件的特性进行综合修正。图2.16是一个温度——频率转换电路。图2.16温度-频率转换电路它实际是一个三角波——方波变换器,电容C的充电特性是非线性特性。适当地选取线路中的电阻r和R,加上Rt,可以在一定的温度范围内,得到近似于线性的温度——频率转换特性。该电路的振荡周期为

（3）计算修正法。在带有微处理机（或微型计算机）的测量系统中,当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时,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的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后,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、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来,随着半导体工艺水平的提高,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,并具有互换性的热敏电阻,而且还能制造出300℃以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大。

一般说,正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。 在辐射热检测器中,采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜,构成热量型检测器,将辐射热转换成电阻的变化。 3.应用举例 电动机过热保护装置组成电路原理如图2.17所示。图2.17电动机过热保护装置组成电路原理

三只特性相同的负温度系数热敏电阻（如RRC6型）（经测试，阻值在20℃时为10kΩ；100℃时为1kΩ;110℃时为0.6kΩ）放置在电动机内绕组旁,紧靠绕组,每相各放置一只