热电阻传感器论文

热电阻传感器摘 要：热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合。介绍了金属热电阻和热 敏热电阻传感器的工作原理、分类、结构及应用。关键词：传感器；热电阻；热敏Abstract: Thermal resistor sensor suitable for the occasion that requires high temperature detection. Introduce the operating principle,classification,structure and application about the metal thermal resistor and heat-sensitive resistance sensor.Key words: sensor ;thermal resistor ; heat-sensitive新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中， 首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领 域中信息的主要途径与手段。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、 海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等 等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋， 以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的 传感器。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温 度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器 比较适用。热电阻传感器具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用 温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200 °C+500 °C范围内的温度。 1工作原理在金属中，载流子为自由电子，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。热电阻就要是利用电阻 随温度升高而增大这一特性来测量温度的。热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。半导体中参加导电的是载流 子，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多，所以 它的电阻率大。随温度的升高，半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较 高能级而产生新的电子一空穴对，因而参加到电的载流子数目增加了，半 导体的电阻率也就降低了（电导率增加）。因为载流子数目随温度上升按指 数规律增加，所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。热敏 电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温 度敏感元件。当温度变化 1C时，某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到（36） %。在一定条件下，根据测量热敏电阻值的变化得到温度的变化。2分类热电阻传感器按不同的分类方式可以分为多种。按材料分，热电阻传 感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后 者简称热敏电阻。按结构分，普通型热电阻、锴装热电阻、薄膜热电阻。 按用途分，工业用热电阻、精密标准电阻。以下是按照第一类来介绍热电 阻传感器。2.1金属热电阻传感器目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜、镍、铁和铑铁合金等，而 常用的是铂、铜，他们的电阻温度系数在36x 10-WC范围内。作为测温用 的热电阻材料，希望电阻温度系数要大，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。在铂、铜中，铂的性 能最好，采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用范围为 -200 - 9600C ；铜电阻价廉并且线性较好，但温度高易氧化，故只适用于温 度较低-50 + 1500C的环境中，目前已逐渐被铂电阻所取代。2.1.1钳热电阻铂材料的优点为：物理、化学性能极为稳定尤其是耐氧化能力很强， 并且在很宽的温度范围内(1200 °C以下)均可保持上述特性；易于提纯， 复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔；电阻率 较高。缺点是：电阻温度系数较小；在还原介质中工作时易被沾污变脆； 价格较高。铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，其特性方程为当-200 °CW tW 0C时：R = r"1 + At + Bt 2 + C (t - 100) 13 -当 0CW t w 960 C 时：R = R0(1 + At + Bt 2)式中Rt 温度为tC时铂热电阻的阻值，单位为Q；R0 温度为0C时铂热电阻的阻值，单位为Q；A、B、C温度系数，它们的数值分别为A = 3.90802 x 10-3(1/0 C2)，B = -5.802x 10-7(1/0 C)， C = -4.27350x10-12(1/0 C4)。2.1.2铜热电阻铂金属贵重，因此在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，普遍地采用铜热电阻来测量-50+150°C的温度。铜热电阻有如下特点。在上述使用的温度范围内，阻值与温度的关系几乎呈线性关系，即可 近似表示为R = %（1+a t）式中 a 电阻温度系数，a= （4.25 - 4.28）x10一3/0 C。1. 电阻温度系数比铂高，而电阻率则比铂低。2. 容易提纯，加工性能好，可拉成细丝，价格便宜。3. 易氧化，不宜在腐蚀性介质或高温下工作。鉴于上述特点，在介质温度不高、腐蚀性不强、测温元件体积不受限 制的条件大都采用铜热电阻。表一热电阻的主要技术性能材料铂（WZP）铜（WZC）使用温度范围/C-200+960-50+150电阻率 /(Q - m x 10 -6)0.09810.1060.017间电阻温度系数a （0100 0C 平均值）/（1/ 0 C）0.003850.00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在 还原性介质中使用，尤其在高温情 况下。超过100C易氧化特性特性近于线性、性能稳定、精度高线性较好、价格低廉、体积大应用适用于较高温度的测量，可作为 标准测温装置适用于测量低温、无水分、无腐 蚀性介质的温度2.1.3热电阻的结构普通型热电阻由感温元件（金属电阻丝）、支架、引出线、保护套管及 接线盒等基本部分组成。为避免电感分量，热电阻丝常采用双线并绕，制 成无感电阻。1、感温元件（金属电阻丝）由于铂的电阻率较大，而且相对机械强度较大，通常铂丝的直径在 0.030.07哑土 0.005哑之间。可单层绕制，若铂丝太细，电阻体可做的小， 但强度低；若铂丝粗，虽强度大，但电阻体积大了，热惰性也大，成本高。由于铜的机械强度较低，电阻丝的直径需较大。一般为（0.1 土0.005 ）哑的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。由于铜电阻的温 度低，故可以重叠多层绕制，一般多用双绕法，即两根丝平行绕制，在末端把两个头焊接起来，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根热电 阻丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的 电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。2、骨架热电阻是绕制在骨架上的，骨架是用来 支持和固定电阻丝的。骨架应使用电绝缘性 能好，高温下机械强度高，体膨胀系数小， 物理化学性能稳定，对热电阻丝无污染的材 料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃 及塑料等。3、引线图2.1-1热电阻外形1保护套管2测温元3一紧固螺栓4一接线盒5一引出线密封套管引线的直径应当比热电阻丝大几倍，尽量 减少引线的电阻，增加引线的机械强度和连 接的可靠性，对于工业用的伯热电阻，一般 采用1哑的银丝作为引线。对于标准的伯热 电阻则可采用0.3哑的伯丝作为引线。对于铜 热电阻则常用0.5哑的铜线。在骨架上绕制 好热电阻丝，并焊好引线之后，在其外面加上 云母片进行保护，在装入外保护套管，并和接 线盒或外部导线相连接，即得到热电阻传感器。 伯、铜热电阻外形如2.1-1所示，结构如图 2.1-2、 2.1-3。图2.1-2伯电阻结构1-铆钉2-伯热电阻3-银质引脚=1 口匚口口匚J ULILZUUL： J*洁m他必队图2.1-3铜电阻结构1-线圈骨架2-保护层3-铜电阻丝4-扎线5-补偿绕组6-铜质引脚2.2热敏电阻传感器热敏电阻是一种利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成，由 金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结的敏感元件。优点：热敏电阻 的温度系数比金属大（49倍）；电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量 点、表面温度及快速变化的温度；结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。2.2.1分类热敏电阻按照其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两的类。所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度 的变化趋势相同；所谓负温度系数是指温度上升时，电阻值反而下降的变 化特性。1、NTC热敏电阻NTC热敏电阻研制的较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成的。 如锰、钻、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成，其标辰阻值（25 °C）视氧化物的比例，可以从0.1 Q至几兆 欧范围内选择。2.2-1各种热电阻的特性曲线根据不同的用途，NTC又可分为 对 两大类：第一类用于测量温度。它的 iir 阻值与温度之间呈严格的负指数关 系，如图2-7中的曲线2所示。指数 g ” 型NTC的灵敏度由制造工艺、氧化物 您以 含量决定。用户可根据需要选择，其©精度和一致性可达0.1%。因此，NTC住的离散性较小，测量精度较高。:例如，在25 C时的标称阻值为10.0-又称临界温度型（CTR）。当温Q的NTC，在-30C时阻值高达130k Q； 而在100C时只有850 Q，相差两个数量级， 灵敏度很高，多用于空调、电热水器等，在 0100C范围内作测温元件。第二类为突变型，度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流。 例如，显像管的灯丝回路中串联一只突变型NTC，可减小上电时的冲击电流。 负突变型热敏电阻的温度一电阻特性如图2.2-1中的曲线1所示。2、PTC热敏电阻典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡着掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界点温度。它的温度一电阻特性呈非线性，如图2-7着的曲线4所示。它在电子线路中多起限流、保护作用。当流过 PTC的电流超过一 定限度或PTC个感受到的温度超过一定限度时，其电阻值突然增大。例如， 电视机显像管的消磁线圈上就串联了一只PTC热敏电阻。大功率的PTC型陶瓷热电阻还可以用于电热暖风机。当PTC的体温达到设定值（例如210°C） 时，PTC的阻值急剧上升，流过PTC的电流减小，使暖风机的温度基本恒 定于设定值上，提高了安全性。近年来还研制出掺有大量杂质的Si单晶PTC。它的电阻变化接近向性， 如图2-7中的曲线3所示，其最高工作温度上限约为140C左右。2.2.2结构及外形热敏电阻可根据使用要求封装加工成各种形状的探头，如圆片型、柱 型、珠型、铠装型、薄膜型、厚膜型等，如图2.2-2所示。图2.2-2热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1热敏电阻 2玻璃外壳 3一引出线 4一紫铜外壳5一传感安装孔3热电阻的应用3.1金属热电阻传感器的应用热电阻式流量计热电阻式流量计是根据物理学中关于介质内部热传导现象制成的。如