热电阻传感器(新)

热电传感器

热电阻传感器的介绍

专业：生物医学工程

班级：生物1201

组员：刘少杰刘小斌日期：2015.9.18

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。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。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们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℃～+500℃范围内的温度。

温度测量系统应用广泛，涉及到各行各业的各个方面，在各种不同的领域中都占有重要的位置。从降低开放成本扩大适用范围、系统运行的稳定性、可靠性出发，设计一种以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件的传感器温度测量系统。才测量系统不但可以测量室内的温度，还可以测量液体等的温度，在实际应用中，该系统运行稳定、可靠，电路设计简单实用。热电阻传感器工作原理

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—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1℃时，某些半导体热敏电阻的阻值变化将达到

（3～6）%。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。

与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。 相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。 热电阻的信号连接方式

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响

○1二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r ，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 ○2三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。 ○3四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I ，把R 转换成电压信号U ，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测

它的分类

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。

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33~610/C -??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0200~960C -；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050~150C -+的环境中，目前已逐渐被铂电阻所取代。

铂热电阻

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℃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℃≤t ≤0℃时： 230R 1(100)t R At Bt C t t ??=+++-??

当0℃≤t ≤960℃时： 20R (1)t R At Bt =++

式中R t ——温度为t ℃时铂热电阻的阻值，单位为Ω；

0R ——温度为0℃时铂热电阻的阻值，单位为Ω；

A 、

B 、

C ——温度系数，它们的数值分别为3023.9080210(1/)A C -=?，

705.80210(1/)B C -=-?，12044.2735010(1/)C C -=-?。

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℃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

0(1)t R R t α=+

式中 α——电阻温度系数，30(4.25~4.28)10/C α-=?。

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。

材料铂（WZP）铜（WZC）使用温度范围/℃-200～+960 -50～+150 电阻率6

/(10)

m-

Ω??0.0981～0.106 0.017 间电阻温度系数

(0~100C

α平均值

)/(1/)

C

0.00385 0.00428

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100℃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

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0.03～0.07㎜±0.005㎜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±0.005）㎜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

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，对于工业用的铂热电阻，一般采用1㎜的银丝作为引线。对于标准的铂热电阻则可采用0.3㎜的铂丝作为引线。对于铜热电阻则常用0.5㎜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。铂、铜热电阻外形如2.1-1所示，

结构如图

2.1-2、2.1-3。

图2.1-1 热电阻外形

1—保护套管2—测温元3—紧固螺栓

4—接线盒5—引出线密封套管

图2.1-2 铂电阻结构

1-铆钉2-铂热电阻3-银质引脚

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