传感器与检测技术课件 项目六 测量物体温度 任务6.2 热电阻传感器测量温度

项目六测量物体温度任务描述：炼铁高炉生产运行到了炉役后期，原设计炉缸测温使用的预埋式热电耦大部分已经损坏并且无法修复。由于炉役后期炉缸内陶瓷杯侵蚀严重，在没有炉缸测温系统的情况下，高炉运行人员无法掌握炉缸的腐蚀情况，生产运行具有很大的盲目性和危险性。若生产调整不当，则有穿炉的危险。为弥补这一缺陷，可以通过检测炉缸外皮的温度，间接反映内部砖衬的温度变化，从而有效监测高炉炉缸的状态。此外汽车（电喷型）的气管进风量的测量，在进气口张拉一根白金丝（热电阻），通上一定的电流，白金丝通电发热，而其上的温度随进风量而变化，白金丝的电阻随温度变化，然后测量白金丝上的电流就可得知进风量。在生活中常常用到的电器如：电磁炉、电压力锅、电饭煲、电烤箱、消毒柜、饮水机、微波炉、电取暖机、办公自动化设备（如复印机、打印机）等，以及工业、医疗、环保、气象、食品加工设备等的仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器等，这些都需要温度检测及温度补偿，采用热电偶是很多场合是不合适，这些时候我们需要用到热电阻或热敏电阻。本节课的任务就是认识热电阻和热敏电阻，合理用温度传感器。让我们一起来认识一下热电阻和热敏电阻吧！知识链接：热电偶测量物体温度

电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度的。材料的电阻率随温度的变化而变化的现象称为热电阻效应。当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。按制造材料来分，一般把由金属导体铂、铜、镍等制成的测温元件称为金属热电阻传感器，简称热电阻传感器；把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻，它的灵敏度比前者高十倍以上。知识链接：热电偶测量物体温度

一、热电阻

1．热电阻基本工作原理

金属热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。最基本的热电阻测温仪是由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图6-11所示。热电阻广泛用来测量-220~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至-272℃，高温可测量至1000℃。金属热电阻常用的材料是铂和铜。标准铂电阻温度计精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。图6-10热电阻结构示意图图6-11热电阻测量示意图知识链接：热电偶测量物体温度

作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒，如图6-12云母铂电阻示意图所示，绝缘套管材料是云母，云母起到绝缘、耐高温的作用。图6-12云母铂电阻示意图知识链接：热电偶测量物体温度

2．常用热电阻

（1）铂热电阻

铂材料的具有以下优点：①物理、化学性能极为稳定，耐氧化能力强，温度范围宽（1200℃以下）保持特性稳定；②易于提纯，复制性好，有良好的工艺性；③电阻率高。

但也有如下缺点：①电阻温度系数较小；②在还原介质中工作时易被沾污变脆；③价格较高。

主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出-输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。有10、100、1000标准，对应分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000，各有相应的分度表，即Rt–t的关系表。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34℃~630.73℃温域内，以铂电阻温度计作基准器。知识链接：热电偶测量物体温度表6-8Pt100铂电阻分度表知识链接：热电偶测量物体温度（2）铜热电阻铂金属贵重，价格昂贵，当测量精度要求不高，温度范围-50~150℃的场合，普遍采用铜热电阻，用于测量精度要求不高且温度较低的场合。Rt=R0（1+αt），α=4.28×10-3/℃。两种分度号：Cu50（R0=50Ω），Cu100（R0=100Ω）

表6-9Cu50铜热电阻分度表温度℃0102030405060708090

电阻/Ω05047.8545.743.5541.439.24

05052.1445.2856.4258.5660.762.8464.9867.1269.2610071.473.5475.6877.8379.9882.13

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铜热电阻其具有如下特点：①容易提纯，价格便宜；②铜的电阻与温度几乎是线性关系；③电阻温度系数比较大。

但也有如下缺点：①热惯性较大，稳定性较差，易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。②与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。

工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。（3）其它热电阻

铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50~100℃；用的较少。

铟电阻：-269~-258℃；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。

锰电阻：-271~-210℃；灵敏度高，但脆性高，易损坏；

炭电阻：-273~-268.5℃；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。知识链接：热电偶测量物体温度

3.热电阻的结构金属热电阻按其结构类型分有：普通型、铠装型、薄膜型等。（1）普通型热电阻温度传感器。普通型热电阻由热电阻元件、绝缘套管、引出线、保护套管及接线盒等基本部分组成。电阻丝采用双线并绕法（防止出现电感）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，如图6-13所示，保护套管不仅用来保护热电阻感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤，还具有导热功能，将被测介质温度快速传导至热电阻。图6-13普通型热电阻温度传感器、结构示意图知识链接：热电偶测量物体温度

（2）铠装热电阻温度传感器。铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、高绝缘氧化镁、不锈钢套管等组成。这种结构保证了传感器在安装、弯曲时，不会损坏热电阻元件。与普通型热电阻相比，它具有体积小、内部无空气隙、热惯性小、测量滞后小；机械性能好、耐振、抗冲击；能弯曲、便于安装；耐腐蚀、使用寿命长等优点。

（3）端面热电阻温度传感器。端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝绕制，紧贴在温度计端面。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，其外形如图6-14所示。知识链接：热电偶测量物体温度（4）隔爆型热电阻温度传感器。隔爆型热电阻通过具有隔爆外壳的接线盒，把其外壳内部可能产生爆炸的混合气体，因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，阻止向周围的生产现场传爆，如图6-15所示。隔爆型热电阻一般用于有爆炸危险场所的温度测量。图6-14端面热电阻图

6-15隔爆型热电阻知识链接：热电偶测量物体温度

4．热电阻的测量电路由于热电阻本身的阻值较小，随温度变化而引起的电阻变化值更小，例如，铂电阻在零度时的阻值R0=100Ω，铜电阻在零度时R0=100Ω。因此，在传感器与测量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差。在实际应用时，通常采用所谓的两线、三线或四线制的方式，如图所示。（a）电路原理

（b）二线制（c）三线制（d）四线制图6-16热电阻的接入方式（c）三线制（d）四线制图6-16热电阻的接入方式知识链接：热电偶测量物体温度

在图6-16（a）所示的电路中，电桥输出电压Vo为

当R>>Rt、Rr时，

式中：Rt为铂电阻，Rr为可调电阻，R为固定电阻，I为恒流源输出电流值。

（1）二线制

二线制的电路如图6-16（b）所示。这是热电阻最简单的接入电路，也是最容易产生较大误差的电路。图中的两个R是固定电阻。Rr是为保持电桥平衡的电位器。二线制的接入电路由于没有考虑引线电阻和接触电阻，有可能产生较大的误差。如果采用这种电路进行精密温度测量，整个电路必须在使用温度范围内校准。知识链接：热电偶测量物体温度

（2）三线制

三线制的电路如图6-16（c）所示。这是热电阻最实用的接入电路，可得到较高的测量精度。

图中的两个R是固定电阻。Rr是为保持电桥平衡的电位器。三线制的接入电路由于考虑了引线电阻和接触电阻带来的影响。Rl1.Rl2和Rl3分别是传感器和驱动电源的引线电阻，一般说来，Rl1和Rl2基本上相等，而Rl3不引入误差。所以这种接线方式可取得较高的精度。（3）四线制

四线制的电路如图6-16（d）所示。这是热电阻最高精度的接入电路。

图中Rl1.Rl2.Rl3和Rl4都是引线电阻和接触电阻。Rl1和Rl2在恒流源回路，不会引入误差。Rl3和Rl4则在高输入阻抗的仪器放大器的回路中，也不会带来误差。上述三种热电阻传感器的引入电路的输出，都需要后接高输入阻抗、高共模抑制比的仪器放大器。知识链接：热电偶测量物体温度

二、热敏电阻

1．热敏电阻的特性

热敏电阻是利用半导体（某些金属氧化物如NiO，MnO2，CuO，TiO2）的电阻值随温度显著变化而测温。通常采用重金属氧化物锰、钛、钻等材料，在高温下烧结混合而成。测温范围：-50～300℃。阻值在常温下很大（数千欧），所以采用二线制接法即可。阻值随温度改变显著，所需供电电流很小，但仍要注意电流的加热影响。图6-17热敏电阻的结构形式知识链接：热电偶测量物体温度

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻MF58型热敏电阻大功率PTC热敏电阻图6-18热敏电阻实物2．热敏电阻的分类热敏电阻按其温度特性通常分为两大类：负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）。NTC和PTC都可以细分为指数变化型和突变型（又称临界温度型，英文缩写CTR）。它们的电阻和温度特性的变化关系曲线如图6-14所示。

从热敏电阻温度特性图可以看出：热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻，一般是金属的十几倍。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。热敏电阻Rt-T曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围远小于金属热电阻。图6-14热敏电阻温度特性图知识链接：热电偶测量物体温度

（1）负温度系数热敏电阻（NTC）。它在温度变化与电阻率变化之间呈线性关系。主要由Mn、CO、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成，特别适用于-100℃~300℃之间测温。一般用于各种电子产品中作微波功率测量、温度检测、温度补偿、温度控制及稳压用，选用时应根据应用电路的需要选择合适的类型及型号。测温范围一般为-50～350℃，温度系数为-（1～6）%／℃。

（2）正温度系数热敏电阻（PTC）。正温度系数热敏电阻（PTC）是一种新型的测温器件，它在温度变化与电阻率变化之间呈线性关系。钛酸钡掺合稀土元素烧结而成，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。一般用于电冰箱压缩机起动电路、彩色显像管消磁电路、电动机过电流过热保护电路、限流电路及恒温电加热电路。知识链接：热电偶测量物体温度

（3）突变型热敏电阻（CTR）。具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数。以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气体中混合烧结而成，在某个温度上电阻急剧变化，具有开关特性。主要用途：温度开关。【实事求是】通过热敏电阻和热电阻的学习，尽管两者一字之差，但是功能用途差别很大。正所谓“没有调查，没有发言权”，科学研究和技术进步总是离不开调查，温度传感器的信息采集就是开展“调查”的重要手段之。“科学是实实在在的，来不得半点虚假”，调查研究是唯物主义认识路线的具体体现，是发挥人的主观能动性把握客观规律的具