熱電阻傳感器論文

1、<p><b>　　熱電阻傳感器</b></p><p>　　摘 要：熱電阻傳感器適用于溫度檢測要求較高的場合。介紹了金屬熱電阻和熱敏熱電阻傳感器的工作原理、分類、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：傳感器；熱電阻；熱敏</p><p>　　Abstract: Thermal resistor sensor suitable

2、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.</p><

3、p>　　Key words: sensor ;thermal resistor ; heat-sensitive </p><p>　　新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域

4、?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。</p><p>　　熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。熱電阻傳感器具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。 </p

5、><p><b>　　1 工作原理</b></p><p>　　在金屬中，載流子為自由電子，當溫度升高時，雖然自由電子數(shù)目基本不變（當溫度變化范圍不是很大時），但每個自由電子的動能將增加，因而在一定的電場作用下，要使這些雜亂無章的電子作定向運動就會遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。熱電阻就要是利用電阻隨溫度升高而增大這一特性來測量溫度的。</p>

6、;<p>　　熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測溫元件。半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流子，由于半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目遠比金屬中的自由電子數(shù)目少得多，所以它的電阻率大。隨溫度的升高，半導(dǎo)體中更多的價電子受熱激發(fā)躍遷到較高能級而產(chǎn)生新的電子—空穴對，因而參加到電的載流子數(shù)目增加了，半導(dǎo)體的電阻率也就降低了（電導(dǎo)率增加）。因為載流子數(shù)目隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律增加，所以半導(dǎo)體的電阻率也就隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律下降。熱敏電阻正是利用半導(dǎo)體這種載流子數(shù)

7、隨溫度變化而變化的特性制成的一種溫度敏感元件。當溫度變化1℃時，某些半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值變化將達到（3～6）%。在一定條件下，根據(jù)測量熱敏電阻值的變化得到溫度的變化。</p><p><b>　　2 分類</b></p><p>　　熱電阻傳感器按不同的分類方式可以分為多種。按材料分，熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電

8、阻。按結(jié)構(gòu)分，普通型熱電阻、鍇裝熱電阻、薄膜熱電阻。按用途分，工業(yè)用熱電阻、精密標準電阻。以下是按照第一類來介紹熱電阻傳感器。</p><p>　　2.1 金屬熱電阻傳感器</p><p>　　目前較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料是鉑、銅、鎳、鐵和銠鐵合金等，而常用的是鉑、銅，他們的電阻溫度系數(shù)在范圍內(nèi)。作為測溫用的熱電阻材料，希望電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度；電阻率盡可能大，以便減小電

9、阻體尺寸；熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度；在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價格便宜。在鉑、銅中，鉑的性能最好，采用特殊的結(jié)構(gòu)可以制成標準溫度計，它的適用范圍為；銅電阻價廉并且線性較好，但溫度高易氧化，故只適用于溫度較低的環(huán)境中，目前已逐漸被鉑電阻所取代。</p><p>　　2.1.1 鉑熱電阻</p><p>　　鉑材

10、料的優(yōu)點為：物理、化學(xué)性能極為穩(wěn)定尤其是耐氧化能力很強，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)（1200℃以下）均可保持上述特性；易于提純，復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔；電阻率較高。缺點是：電阻溫度系數(shù)較小；在還原介質(zhì)中工作時易被沾污變脆；價格較高。</p><p>　　鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似線性，其特性方程為</p><p>　　當-200℃≤t≤0℃時：

11、 </p><p>　　當0℃≤t≤960℃時： </p><p>　　式中——溫度為t℃時鉑熱電阻的阻值，單位為Ω；</p><p>　　——溫度為0℃時鉑熱電阻的阻值，單位為Ω；</p><p>　　A、B、C——溫度系數(shù)，它們的數(shù)值分別為，</p><p><b>

12、;　　，。</b></p><p>　　2.1.2 銅熱電阻</p><p>　　鉑金屬貴重，因此在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，普遍地采用銅熱電阻來測量-50～+150℃的溫度。銅熱電阻有如下特點。</p><p>　　在上述使用的溫度范圍內(nèi)，阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性關(guān)系，即可近似表示為</p><p>　　式中 —

13、—電阻溫度系數(shù)，。</p><p>　　1.電阻溫度系數(shù)比鉑高，而電阻率則比鉑低。</p><p>　　2.容易提純，加工性能好，可拉成細絲，價格便宜。</p><p>　　3.易氧化，不宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。</p><p>　　鑒于上述特點，在介質(zhì)溫度不高、腐蝕性不強、測溫元件體積不受限制的條件大都采用銅熱電阻。</p>

14、<p>　　表一 熱電阻的主要技術(shù)性能</p><p>　　2.1.3 熱電阻的結(jié)構(gòu)</p><p>　　普通型熱電阻由感溫元件（金屬電阻絲）、支架、引出線、保護套管及接線盒等基本部分組成。為避免電感分量，熱電阻絲常采用雙線并繞，制成無感電阻。</p><p>　　1、感溫元件（金屬電阻絲）</p><p>　　由于鉑的電阻率較

15、大，而且相對機械強度較大，通常鉑絲的直徑在0.03～0.07㎜±0.005㎜之間?？蓡螌永@制，若鉑絲太細，電阻體可做的小，但強度低；若鉑絲粗，雖強度大，但電阻體積大了，熱惰性也大，成本高。由于銅的機械強度較低，電阻絲的直徑需較大。一般為（0.1±0.005）㎜的漆包銅線或絲包線分層繞在骨架上，并涂上絕緣漆而成。由于銅電阻的溫度低，故可以重疊多層繞制，一般多用雙繞法，即兩根絲平行繞制，在末端把兩個頭焊接起來，這樣工作電

16、流從一根熱電阻絲進入，從另一根熱電阻絲反向出來，形成兩個電流方向相反的線圈，其磁場方向相反，產(chǎn)生的電感就互相抵消，故又稱無感繞法。這種雙繞法也有利于引線的引出。</p><p><b>　　2、骨架</b></p><p>　　熱電阻是繞制在骨架上的，骨架是用來支持和固定電阻絲的。骨架應(yīng)使用電絕緣性能好，高溫下機械強度高，體膨脹系數(shù)小，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，對熱電阻絲無污

17、染的材料制造，常用的是云母、石英、陶瓷、玻璃及塑料等。</p><p><b>　　3、引線</b></p><p>　　引線的直徑應(yīng)當比熱電阻絲大幾倍，盡量減少引線的電阻，增加引線的機械強度和連接的可靠性，對于工業(yè)用的鉑熱電阻，一般采用1㎜的銀絲作為引線。對于標準的鉑熱電阻則可采用0.3㎜的鉑絲作為引線。對于銅熱電阻則常用0.5㎜的銅線。在骨架上繞制</p&g

18、t;<p>　　好熱電阻絲，并焊好引線之后，在其外面加上云母片進行保護，在裝入外保護套管，并和接線盒或外部導(dǎo)線相連接，即得到熱電阻傳感器。鉑、銅熱電阻外形如2.1-1所示，結(jié)構(gòu)如圖</p><p>　　2.1-2、2.1-3。 </p><p>　　2.2 熱敏電阻傳感器</p><p>　　熱敏電阻是一種利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特

19、性制成，由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結(jié)的敏感元件。優(yōu)點：熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（4～9倍）；電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點、表面溫度及快速變化的溫度； 結(jié)構(gòu)簡單、機械性能好。</p><p>　　缺點：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。</p><p><b>　　2.2.1 分類</b></p><p>　　熱敏電阻按照其

20、溫度系數(shù)可分為負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）兩的類。所謂正溫度系數(shù)是指電阻的變化趨勢與溫度的變化趨勢相同；所謂負溫度系數(shù)是指溫度上升時，電阻值反而下降的變化特性。</p><p>　　1、NTC熱敏電阻 </p><p>　　NTC熱敏電阻研制的較早，也較成熟。最常見的是由金屬氧化物組成的。如錳、鈷、鐵、鎳、銅等多種氧化物混合燒結(jié)而成，其標辰阻值（25℃）視氧

21、化物的比例，可以從0.1Ω至幾兆歐范圍內(nèi)選擇。</p><p>　　根據(jù)不同的用途，NTC又可分為兩大類：第一類用于測量溫度。它的阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關(guān)系，如圖2-7中的曲線2所示。指數(shù)型NTC的靈敏度由制造工藝、氧化物含量決定。用戶可根據(jù)需要選擇，其精度和一致性可達0.1%。因此，NTC的離散性較小，測量精度較高。</p><p>　　例如，在25℃時的標稱阻值為10.0Ω的NT

22、C，在-30℃時阻值高達130kΩ；而在100℃時只有850Ω，相差兩個數(shù)量級，靈敏度很高，多用于空調(diào)、電熱水器等，在0～100℃范圍內(nèi)作測溫元件。第二類為突變型，又稱臨界溫度型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，多用于各種電子電路中抑制浪涌電流。例如，顯像管的燈絲回路中串聯(lián)一只突變型NTC，可減小上電時的沖擊電流。負突變型熱敏電阻的溫度—電阻特性如圖2.2-1中的曲線1所示。</p><p>

23、<b>　　2、PTC熱敏電阻</b></p><p>　　典型的PTC熱敏電阻通常是在鈦酸鋇著摻入其他金屬離子，以改變其溫度系數(shù)和臨界點溫度。它的溫度—電阻特性呈非線性，如圖2-7著的曲線4所示。它在電子線路中多起限流、保護作用。當流過PTC的電流超過一定限度或PTC個感受到的溫度超過一定限度時，其電阻值突然增大。例如，電視機顯像管的消磁線圈上就串聯(lián)了一只PTC熱敏電阻。大功率的PTC型陶

24、瓷熱電阻還可以用于電熱暖風(fēng)機。當PTC的體溫達到設(shè)定值（例如210℃）時，PTC的阻值急劇上升，流過PTC的電流減小，使暖風(fēng)機的溫度基本恒定于設(shè)定值上，提高了安全性。</p><p>　　近年來還研制出摻有大量雜質(zhì)的Si單晶PTC。它的電阻變化接近向性，如圖2-7中的曲線3所示，其最高工作溫度上限約為140℃左右。</p><p>　　2.2.2 結(jié)構(gòu)及外形</p><

25、p>　　熱敏電阻可根據(jù)使用要求封裝加工成各種形狀的探頭，如圓片型、柱型、珠型、鎧裝型、薄膜型、厚膜型等，如圖2.2-2所示。</p><p>　　圖2.2-2 熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號</p><p>　　圓片型熱敏電阻 b）柱型熱敏電阻 c）珠型熱敏電阻 d）鎧裝型 e）厚膜型 f）圖形符號</p><p>　　1—熱敏電阻 2—玻璃外殼

26、3—引出線 4—紫銅外殼 5—傳感安裝孔</p><p><b>　　3 熱電阻的應(yīng)用</b></p><p>　　3.1 金屬熱電阻傳感器的應(yīng)用</p><p><b>　　熱電阻式流量計</b></p><p>　　熱電阻式流量計是根據(jù)物理學(xué)中關(guān)于介質(zhì)內(nèi)部熱傳導(dǎo)現(xiàn)象制成的。如果溫度為的熱

27、電阻放入溫度為介質(zhì)內(nèi)，設(shè)熱電阻與介質(zhì)相接觸的表面面積為A，則熱電阻耗散的熱量Q可表示為</p><p>　　式中K——熱傳導(dǎo)系數(shù)或稱傳熱系數(shù)。</p><p>　　實驗證明，K與介質(zhì)的密度、粘度、平均流速等參數(shù)有關(guān)。當其他參數(shù)為定值時，K僅與介質(zhì)的平均流速V成正比，即</p><p>　　上式說明通過測量熱電阻耗散的熱量Q即可測量介質(zhì)的平均流速或流量。</p&

28、gt;<p>　　3.2 熱敏電阻傳感器的應(yīng)用</p><p><b>　　1、熱敏電阻測溫</b></p><p>　　作為測量溫度的熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)較簡單，價格較低廉。沒有外面保護層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方；密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以使用在較惡劣的環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值較大，故其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可以忽略，因此熱敏電阻可以在長

29、達幾千米的遠距離測量溫度中應(yīng)用。</p><p>　　2、熱敏電阻用于溫度補償</p><p>　　熱敏電阻可在一定的溫度范圍內(nèi)對某些元器件溫度進行補償。例如，動圈式儀表表頭中的動圈由銅線繞制而成。溫度升高，電阻增大。引起溫度的誤差。因而可以在動圈的回路中將負溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補償元器件串聯(lián)，從而抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。在晶體管電路、對數(shù)放大器中，也常用熱敏電

30、阻組成補償電路，補償由于溫度引起的漂移誤差。</p><p><b>　　3、過熱保護</b></p><p>　　過熱保護分直接保護和間接保護。對小電流場合，可把熱敏電阻直接串入負載中，防止過熱損壞以保護器件。對大電流場合，可用于繼電器、晶體管電路等的保護。不論哪種情況，熱敏電阻都與被保護器件緊密結(jié)合在一起，從而使二者之間充分進行熱交換，一旦過熱，熱敏電阻則起保護作

31、用。例如，在電動機的定子繞組中嵌入突變型熱敏電阻并與繼電器串聯(lián)。當電動機過載時定子電流增大，引起發(fā)熱。當溫度大于突變點時，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟玻虼死^電器動作，從而實現(xiàn)過熱保護。</p><p>　　熱敏電阻用于液面的測量</p><p>　　給NTC熱敏電阻施加一定的加熱電流，它的表面溫度將高與周圍的空氣溫度，此時它的阻值較小。當液面高于它的安裝高度時，液體將帶走

32、它的熱量，使之溫度下降、阻值升高。判斷它的阻值變化，就可以知道液面是否低于設(shè)定值。汽車油箱中的油位報警傳感器就是利用以上原理制作的。熱敏電阻在汽車中還用于測量油溫、冷卻水溫等。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1 黃素逸．動力工程現(xiàn)代測試技術(shù).華中科技大學(xué)出版社，2001</p><p>　　2 王芳．熱電阻

33、式溫度傳感器的測溫原理與應(yīng)用．黑龍江冶金，2007（2）：33~35</p><p>　　3 劉振全，王漢芝．金屬熱電阻溫度傳感器在多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用．傳感器世界，2006（12）</p><p>　　4 張志剛，胡勝川．工業(yè)過程溫度測量－熱電偶熱電阻溫度傳感器的主要技術(shù)指標．醫(yī)藥工程設(shè)計雜志，2005（3）:37~40</p><p>　　5 唐新平，趙金，