3.2 熱電阻式傳感器

• 熱電阻式傳感器
• • 3.2.1 金屬熱電阻式傳感器
  • • 1.鉑熱電阻
    • 2.銅熱電阻
  • 3.2.2 半導體熱敏電阻式傳感器
  • • 1.半導體熱敏電阻的特性
    • 2.半導體熱敏電阻的分類與結構
  • 3.2.3 熱電阻式傳感器的應用
  • • 1.熱電阻用于溫度測量
    • 2.熱電阻用于流量測量
    • 3.熱敏電阻用于電動機的過熱保護控制

熱電阻式傳感器

熱電阻式傳感器是利用導體或半導體的阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。
按照其材料的不同可分為金屬熱電阻式傳感器和半導體熱敏電阻式傳感器。

3.2.1 金屬熱電阻式傳感器

金屬熱電阻傳感器又稱為熱電阻傳感器，測量原理為熱電阻效應，即利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化進行測溫的。
熱電阻廣泛用來測量?220℃～850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量1K（?272℃），高溫可測量1000℃。金屬導體的溫度升高時，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。金屬熱電阻的材料主要是鉑和銅。

1.鉑熱電阻

**鉑熱電阻的特點是測溫精度高，性能穩定。**鉑熱電阻的測溫范圍為?200～850℃。圖3-11所示為鉑熱電阻的結構圖。

2.銅熱電阻

由于鉑是貴金屬，鉑熱電阻的成本較高，在測量精度要求不高，溫度范圍在?50～150℃時普遍采用**銅熱電阻，**可以降低成本。銅熱電阻的結構如圖3-12所示。

銅熱電阻R0的分度號Cu50為50Ω，Cu100為100Ω。
鉑熱電阻和銅熱電阻的主要技術性能如表3-1所示。

3.金屬熱電阻傳感器的測量轉換電路

工業測溫時，熱電阻安裝在測溫現場，而記錄和顯示儀器則安裝在控制室。要完成測溫過程，就需要相當長的引線，引線與電阻串聯在一起，引線所產生的電動勢將會影響到熱電阻的測量數據，造成誤差。因此，工業熱電阻多采用三線制接法，如圖3-13 所示。即從金屬熱電阻同時引出三根導線，這三根導線具有相同的粗細、長短和電阻值。當熱電阻和電橋配合使用時，采用這種三線制的接法可以較好地消除引出線電阻的影響，以提高測量精度。

3.2.2 半導體熱敏電阻式傳感器

半導體熱敏電阻式傳感器又稱為熱敏電阻，材料是半導體，其電阻值會隨溫度的變化而變化，直接將溫度的變化轉化為電信號。

1.半導體熱敏電阻的特性

半導體的溫度特性是由它的導電方式決定的，其導電方式是載流子（電子、空穴）導電。**由于半導體中的載流子的數目比金屬中的自由電子少得多，因而它自身的電阻很大。**隨著溫度的升高，半導體中參加導電的載流子數目就會增多，電阻率減小，電阻就會降低。

2.半導體熱敏電阻的分類與結構

半導體熱敏電阻按溫度系數可分為正溫度系數熱敏電阻PTC和負溫度系數熱敏電阻NTC與臨界溫度電阻器CTR，溫度特性曲線如圖3-15所示。
（1）PTC熱敏電阻PTC熱敏電阻是一種具有正溫度系數的半導體熱敏電阻，當測量溫度超過標準時，它的電阻會隨著溫度的升高呈階躍式升高，如圖3-15所示。PTC熱敏電阻在工業上用于溫度的測量和控制，在生活中可以用來控制冷庫溫度。PTC熱敏電阻容易受外界溫度影響，非常小的電流會產生明顯的電壓變化，因此使用時流經的電流不宜過大，否則會造成測量誤差。

（2）NTC熱敏電阻
NTC熱敏電阻是一種具有負溫度系數的半導體熱敏電阻，當溫度上升時，它的電阻會隨著溫度的升高而減小，如圖3-15所示。NTC熱敏電阻的材料眾多，改變成分及組成就可以得到不同測溫范圍、不同電阻溫度系數的NTC熱敏電阻，因此它廣泛用于測溫。
（3）CTR熱敏電阻
CTR熱敏電阻又稱為臨界溫度電阻器，在溫度升高到一定程度，電阻值就會突變，如圖3-15所示。由于CTR熱敏電阻隨著溫度會產生劇變，因此利用CTR熱敏電阻這一特性可以制作溫控開關。如圖3-16所示為熱敏電阻的各種結構圖。

3.2.3 熱電阻式傳感器的應用

1.熱電阻用于溫度測量

熱電阻具有靈敏度高的特點，利用這一特性對液體、氣體、固體、固溶體進行溫度測量是熱電阻的主要應用。工業測溫常用的三線制接法，可以消除外界因素導致的誤差。在測量過程中，要保證流經電阻絲的電流不能過大，否則電阻絲會產生過多熱量，導致熱電阻自身升溫，影響測量精度。如圖3-17所示為熱電阻的溫度測量電路。

2.熱電阻用于流量測量

流體流過熱電阻時會帶走熱電阻上的熱量，利用熱電阻上的熱量消耗和介質流速的關系可以測量流量、流速、風速等。如圖3-18所示。熱電阻Rt1為測量電阻，放置在流體流經的中心位置；熱電阻Rt2為補償電阻，放置在不受外界流體響應的空間。測量電路在氣體靜止時處于平衡狀態，橋路輸出為零；當氣體流動時，被測介質將Rt1上的熱量帶走，使Rt1和Rt2的散熱情況不一樣，Rt1的電阻值會發生變化，電橋失去平衡，產生的信號與氣體流量成比例，并在檢流計P上顯示出來。檢流計顯示的數據反映氣體的流速和流量。

3.熱敏電阻用于電動機的過熱保護控制

電動機經常會出現超負荷、斷相及機械傳動部分的故障，這些現象會造成繞組發熱，當溫度升高到超過電動機所能承受的最高溫度時，就會使電動機燒壞。利用NTC熱敏電阻具有負溫度系數這一特性可以實現電動機的過熱保護。如圖3-19所示為電動機過熱保護電路，Rt1、Rt2、Rt3是特性相同的NTC熱敏電阻，埋設在電動機繞組的端部。電動機正常運轉時，三極管BG截止，繼電器KA不工作；當電動機由于故障溫度急劇升高時，NTC電阻值急劇減小，所在支路的電流增大，三極管BG導通，繼電器KA吸合，繼電器開關控制電路停止工作，從而起到保護作用。

總結

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