传感器技术-热电阻式传感器（学习笔记三）_铜热电阻的结构图

热电阻式传感器

热电阻式传感器是利用导体或半导体的阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。
按照其材料的不同可分为金属热电阻式传感器和半导体热敏电阻式传感器。

3.2.1 金属热电阻式传感器

金属热电阻传感器又称为热电阻传感器，测量原理为热电阻效应，即利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化进行测温的。
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1K（−272℃），高温可测量1000℃。金属导体的温度升高时，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。金属热电阻的材料主要是铂和铜。

1.铂热电阻

**铂热电阻的特点是测温精度高，性能稳定。**铂热电阻的测温范围为−200～850℃。图3-11所示为铂热电阻的结构图。

2.铜热电阻

由于铂是贵金属，铂热电阻的成本较高，在测量精度要求不高，温度范围在−50～150℃时普遍采用**铜热电阻，**可以降低成本。铜热电阻的结构如图3-12所示。

铜热电阻R0的分度号Cu50为50Ω，Cu100为100Ω。
铂热电阻和铜热电阻的主要技术性能如表3-1所示。

3.金属热电阻传感器的测量转换电路

工业测温时，热电阻安装在测温现场，而记录和显示仪器则安装在控制室。要完成测温过程，就需要相当长的引线，引线与电阻串联在一起，引线所产生的电动势将会影响到热电阻的测量数据，造成误差。因此，工业热电阻多采用三线制接法，如图3-13 所示。即从金属热电阻同时引出三根导线，这三根导线具有相同的粗细、长短和电阻值。当热电阻和电桥配合使用时，采用这种三线制的接法可以较好地消除引出线电阻的影响，以提高测量精度。

3.2.2 半导体热敏电阻式传感器

半导体热敏电阻式传感器又称为热敏电阻，材料是半导体，其电阻值会随温度的变化而变化，直接将温度的变化转化为电信号。

1.半导体热敏电阻的特性

半导体的温度特性是由它的导电方式决定的，其导电方式是载流子（电子、空穴）导电。**由于半导体中的载流子的数目比金属中的自由电子少得多，因而它自身的电阻很大。**随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，电阻率减小，电阻就会降低。

2.半导体热敏电阻的分类与结构

半导体热敏电阻按温度系数可分为正温度系数热敏电阻PTC和负温度系数热敏电阻NTC与临界温度电阻器CTR，温度特性曲线如图3-15所示。
（1）PTC热敏电阻PTC热敏电阻是一种具有正温度系数的半导体热敏电阻，当测量温度超过标准时，它的电阻会随着温度的升高呈阶跃式升高，如图3-15所示。PTC热敏电阻在工业上用于温度的测量和控制，在生活中可以用来控制冷库温度。PTC热敏电阻容易受外界温度影响，非常小的电流会产生明显的电压变化，因此使用时流经的电流不宜过大，否则会造成测量误差。

（2）NTC热敏电阻
NTC热敏电阻是一种具有负温度系数的半导体热敏电阻，当温度上升时，它的电阻会随着温度的升高而减小，如图3-15所示。NTC热敏电阻的材料众多，改变成分及组成就可以得到不同测温范围、不同电阻温度系数的NTC热敏电阻，因此它广泛用于测温。
（3）CTR热敏电阻
CTR热敏电阻又称为临界温度电阻器，在温度升高到一定程度，电阻值就会突变，如图3-15所示。由于CTR热敏电阻随着温度会产生剧变，因此利用CTR热敏电阻这一特性可以制作温控开关。如图3-16所示为热敏电阻的各种结构图。

3.2.3 热电阻式传感器的应用

1.热电阻用于温度测量

热电阻具有灵敏度高的特点，利用这一特性对液体、气体、固体、固溶体进行温度测量是热电阻的主要应用。工业测温常用的三线制接法，可以消除外界因素导致的误差。在测量过程中，要保证流经电阻丝的电流不能过大，否则电阻丝会产生过多热量，导致热电阻自身升温，影响测量精度。如图3-17所示为热电阻的温度测量电路。

2.热电阻用于流量测量

流体流过热电阻时会带走热电阻上的热量，利用热电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等。如图3-18所示。热电阻Rt1为测量电阻，放置在流体流经的中心位置；热电阻Rt2为补偿电阻，放置在不受外界流体响应的空间。测量电路在气体静止时处于平衡状态，桥路输出为零；当气体流动时，被测介质将Rt1上的热量带走，使Rt1和Rt2的散热情况不一样，Rt1的电阻值会发生变化，电桥失去平衡，产生的信号与气体流量成比例，并在检流计P上显示出来。检流计显示的数据反映气体的流速和流量。

3.热敏电阻用于电动机的过热保护控制

电动机经常会出现超负荷、断相及机械传动部分的故障，这些现象会造成绕组发热，当温度升高到超过电动机所能承受的最高温度时，就会使电动机烧坏。利用NTC热敏电阻具有负温度系数这一特性可以实现电动机的过热保护。如图3-19所示为电动机过热保护电路，Rt1、Rt2、Rt3是特性相同的NTC热敏电阻，埋设在电动机绕组的端部。电动机正常运转时，三极管BG截止，继电器KA不工作；当电动机由于故障温度急剧升高时，NTC电阻值急剧减小，所在支路的电流增大，三极管BG导通，继电器KA吸合，继电器开关控制电路停止工作，从而起到保护作用。