熱電阻及熱敏電阻

利用熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體測(cè)溫IC等構(gòu)成的傳感器。第7章.2熱電阻式傳感器熱電阻1熱敏電阻23半導(dǎo)體測(cè)溫IC主要內(nèi)容熱電阻1熱敏電阻23半導(dǎo)體測(cè)溫IC主要內(nèi)容熱電阻1GeorgSimonOhm（1787-1854)1787年生于巴伐利亞埃爾蘭根城，其父親是一個(gè)鎖匠，對(duì)哲學(xué)和數(shù)學(xué)都十分愛(ài)好1803年考入埃爾蘭根大學(xué)，未畢業(yè)就在一所中學(xué)教書(shū)。1811年歐姆又回到埃爾蘭根完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，并通過(guò)考試于1813年獲得哲學(xué)博士學(xué)位1817年，他的《幾何學(xué)教科書(shū)》一書(shū)出版1826年，歐姆用伏打電池和溫差電池做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：電流強(qiáng)度與導(dǎo)線長(zhǎng)度成反比，完成《金屬導(dǎo)電定律的測(cè)定》的論文，發(fā)表在德國(guó)《化學(xué)和物理學(xué)雜志》上1827年出版的《動(dòng)力電路的數(shù)學(xué)研究》一書(shū)中，從理論上推導(dǎo)了歐姆定律為了紀(jì)念他，人們把電阻的單位命名為歐姆歐姆定律被發(fā)現(xiàn)以后，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體的電阻值不是恒定的，與溫度變化息息相關(guān)。電阻值變化溫度熱電阻1①熱電阻的工作原理熱電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)：

電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)特點(diǎn):

準(zhǔn)確度高，適宜于測(cè)低溫

工業(yè)上一般用來(lái)測(cè)量－200－＋500℃范圍的溫度，現(xiàn)在已可以測(cè)量的低溫端：1K高溫端：1000℃

熱電阻分度表熱電阻1②熱電阻的材料作為測(cè)溫?zé)犭娮璧慕饘俨牧蠎?yīng)具有如下特性：

電阻溫度系數(shù)大，電阻率大，熱容量小；在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)；電阻與溫度的關(guān)系最好近似于線性，或?yàn)槠交那€；容易加工，復(fù)制性好，價(jià)格便宜。

目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，并且已作為標(biāo)準(zhǔn)溫測(cè)熱電阻。同時(shí)，也有用鎳、鐵、銦等材料制成的測(cè)溫?zé)犭娮琛?/p>

鉑電阻的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。鉑在氧化性氣氛中，甚至在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。因此鉑被公認(rèn)為是目前制造熱電阻的最好材料。

鉑電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，也常被用在工業(yè)測(cè)量中。此外，還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。鉑電阻溫度計(jì)是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種，它的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4K，優(yōu)于其他所有溫度計(jì)。

熱電阻1③熱電阻性能分析——以鉑為例

鉑電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系，在0-650℃范圍內(nèi)可用下式表示：在－200－0℃范圍內(nèi)則用下式表示：式中Rt——溫度為t℃時(shí)的鉑電阻的阻值；

R0——溫度為0℃時(shí)的鉑電阻的阻值；A、B、C——常數(shù)A=3.9684×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃C=-4.22×10-12/℃電阻值是溫度的單值函數(shù)，但不一定是線性函數(shù)電阻值不僅與材料、溫度相關(guān)，還與初始電阻值有關(guān)。

由式可見(jiàn)，電阻值與t、R0有關(guān)，當(dāng)R0值不同時(shí)，即使在同樣的溫度下其Rt的值也不同。因此作為測(cè)量用熱電阻必須規(guī)定R0值。

工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R0有100Ω和50Ω兩種，并將電阻值Rt與溫度t的對(duì)應(yīng)關(guān)系列成表格，稱(chēng)為鉑電阻分度表，分度號(hào)分別為Pt100和Pt50。薄膜式鉑熱電阻防爆式鉑熱電阻鎧裝式鉑熱電阻Pt100熱電阻Pt100熱電阻分度表目前已經(jīng)達(dá)到W(100)=1.3930,鉑純度：99.9995%工業(yè)用鉑電阻純度W(100)=1.387－1.390

鉑電阻材料的純度通常用百度電阻比W（100）來(lái)表示，即：式中R100——水沸點(diǎn)（100℃）時(shí)的鉑電阻的電阻值；

R0——水冰點(diǎn)（0℃）時(shí)的鉑電阻的電阻值。問(wèn)題1W(100)、Pt(100)中100的含義相同嗎？問(wèn)題2W(100)是如何計(jì)算而來(lái)的？熱電阻1④熱電阻性能分析——以銅為例

鉑是貴金屬，價(jià)格昂貴，因此在測(cè)溫范圍比較?。?50~+150℃）的情況下，可采用銅制成的測(cè)溫電阻，稱(chēng)銅電阻。銅在上述溫度范圍內(nèi)有很好的穩(wěn)定性，溫度系數(shù)比較大，電阻值與溫度之間接近線性關(guān)系。而且材料容易提純，價(jià)格便宜。不足之處是測(cè)量準(zhǔn)確度較鉑電阻稍低、電阻率小。

成本低、測(cè)量范圍小、用量廣

百度電阻比

W（100）不小于1.425，分度號(hào)分別為Cu100和Cu50。熱電阻1④熱電阻測(cè)量電路

如果熱電阻安裝的地方與儀表相距甚遠(yuǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)其連接導(dǎo)線電阻也要變化。因?yàn)樗c熱電阻Rt是串聯(lián)的，也是電橋臂的一部分，所以會(huì)造成測(cè)量誤差。熱電阻一般與動(dòng)圈儀表、自動(dòng)平衡電橋配套使用。動(dòng)圈顯示儀表特點(diǎn)：零位可調(diào)顯示內(nèi)容任選刻度自由標(biāo)定

G為動(dòng)圈顯示儀表；R1、R2、R3及（Rt+2RW）組成不平衡電橋四個(gè)橋臂，Rt為熱電阻，RW=RW1+RL為線路電阻，RL1為熱電阻引線電阻，RL2為連接導(dǎo)線的電阻，RW1為調(diào)整電阻。R1、R2、R3及RW1為錳銅電阻。

由于引線及連接導(dǎo)線的電阻（RL1+RL2=RL）與熱電阻Rt一起處在電橋的一個(gè)橋臂中，因此RL隨環(huán)境溫度的變化全部加入熱電阻的變化之中，直接影響到熱電阻溫度計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性。熱電阻及電橋的三線制接法如圖所示。此時(shí)兩根引線經(jīng)RL1及連接導(dǎo)線RL2分別接在兩個(gè)橋臂上，從而使得它們由于環(huán)境溫度變化而引入的誤差被相互抵消。熱電阻1熱敏電阻23半導(dǎo)體測(cè)溫IC主要內(nèi)容熱敏電阻21834年以前，M.法拉第就發(fā)現(xiàn)硫化銀等半導(dǎo)體材料具有很大的負(fù)電阻溫度系數(shù)1871年西門(mén)子公司首先用純鉑制成測(cè)溫用鉑熱敏電阻器，之后又出現(xiàn)純銅和純鎳熱敏電阻器1940年美國(guó)J.A.貝克等人發(fā)現(xiàn)某些過(guò)渡金屬氧化物經(jīng)混合燒結(jié)后，成為具有很大負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體，而且性能相當(dāng)穩(wěn)定。1946年后生產(chǎn)的普通負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，絕大多數(shù)是用這種合成氧化物半導(dǎo)體制成的。1954年P(guān).W.哈依曼等人發(fā)現(xiàn)添加微量稀土元素的鈦酸鋇陶瓷具有較理想的正電阻溫度系數(shù),以后在此基礎(chǔ)上制成了熱敏電阻器。熱電阻金屬材料熱敏電阻半導(dǎo)體材料MichaelFaraday(1791～1867)英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家電磁學(xué)奠基人之一熱敏電阻2④熱敏電阻原理熱敏電阻是用一種半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻隨溫度變化而顯著變化。電阻-溫度特性

電阻與溫度之間的關(guān)系可用下面公式來(lái)表示:R=AeB/TA—與熱敏電阻尺寸形狀以及它的半導(dǎo)體物理性能有關(guān)

的常數(shù)；

B—與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)；

T—熱敏電阻的絕對(duì)溫度。

若已知兩個(gè)電阻值R1和R2，以及相應(yīng)的溫度值T1和T2，便可求出A、B兩個(gè)常數(shù)。

可得到以電阻R1作為一個(gè)參數(shù)的溫度特性表達(dá)式R1=AeB/T1R2=AeB/T2

通常取20℃時(shí)的熱敏電阻的阻值為R1，記作R20，并稱(chēng)它為標(biāo)稱(chēng)電阻值，則

其電阻-溫度特性曲線如圖所示。

電阻溫度系數(shù)αT可求得

由式可知，熱敏電阻的溫度系數(shù)也與溫度有關(guān)。而且對(duì)于大多數(shù)熱敏電阻，它的溫度系數(shù)均為負(fù)值?？刂撇牧铣煞?，也可以制成具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻-溫度特性可用下面公式計(jì)算式中

R2、R1——溫度分別為T(mén)、T1時(shí)的電阻值；

B——正溫度系數(shù)，熱敏電阻與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)。NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻PTC熱敏電阻討論熱敏電阻有什么具體的應(yīng)用呢？熱電阻1熱敏電阻23半導(dǎo)體測(cè)溫IC主要內(nèi)容3半導(dǎo)體測(cè)溫IC測(cè)量原理：硅半導(dǎo)體的基極與發(fā)射極間的電壓Vbe具有大約－2mV/℃的溫度系數(shù)。特點(diǎn)：傳感器體積小、精度高、響應(yīng)快和穩(wěn)定性好，容易集成化，溫度傳感器中可包含放大器。測(cè)溫范圍：－50℃～＋200℃溫度傳感器IC－DS18B203半導(dǎo)體測(cè)溫IC①測(cè)溫IC——恒流工作方式當(dāng)集電極以恒定電流通過(guò)時(shí)，基極與發(fā)射極間電壓（-Vbe）作為運(yùn)算放大器A的輸出得到。Ic一定時(shí)，Vbe的溫度關(guān)系曲線和它的溫度系數(shù)曲線如圖示。若已知溫度為T(mén)1，激勵(lì)電流為IC1時(shí)，輸出電壓為Vbe1則根據(jù)擴(kuò)散電流理論給出，在150℃以下：式中α、γ——由半體決定的常數(shù)；

k/e——波耳茲曼常數(shù)與電子電量之比；

Vg0——硅的能量禁帶寬度的外插