热电阻传感器测量温度

【任务分析】

利用导体及半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性可实现测温。一般把金属导体如铂、铜、镍等制成的测温元件称为热电阻；把半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻。

【知识准备】

一、热电阻

1.常用的热电阻传感器

热电阻主要是利用金属材料的阻值随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，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力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。

热电阻传感器主要用于中、低温度（-200～650℃或850℃）范围的温度测量。常用的工业标准化热电阻有铂热电阻、铜热电阻及镍热电阻。

（1）铂热电阻

铂热电阻主要用于高精度的温度测量和标准测温装置。铂的物理化学性能极为稳定，并具有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是-200～850℃。分度号为Pt50（R0=50.00Ω）和Pt100（R0=100.00Ω），铂的纯度可用W（100）=R100／R0来表示，其中，R0代表在水冰点（0℃）时的电阻值，R100代表在水沸点（100℃）时的电阻值。当铂的纯度为99.9995%时，W（100）=1.3930。铂是稀有金属，价格较贵。

（2）铜热电阻

如果测量精度要求不是很高，测量温度小于150℃时，可选用铜热电阻，铜热电阻的测量范围是-50～150℃。铜热电阻价格便宜，易于提纯，复制较好；在测温范围内，线性较好，电阻温度系数比铂高，但它的固有电阻太小，另外，铜在温度稍高时易于氧化，只能用于150℃以下的温度测量。铜热电阻测温范围较窄，体积较大，因此适用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的场合。

铂和铜热电阻目前都已经标准化和系列化，选用较方便。

（3）镍热电阻

镍热电阻的测温范围为-100～300℃，其电阻温度系数较高，电阻率较大，但易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，非线性较大，因此，目前应用不多。

2.热电阻传感器的结构

（1）普通热电阻

热电阻传感器一般由测温元件（电阻体）、保护管、引线和接线盒等组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径为0.03～（0.07±0.005）mm，可单层绕制，电阻体可做得很小。铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大，一般为（0.1±0.005）mm的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而制成。由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即先将铜丝对折，两根丝平行绕制，两个端头处于支架的同一端，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，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，故又称为无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。

（2）铠装热电阻

铠装热电阻由金属保护管、绝缘材料和感温元件组成，如图4-2所示。其感温元件用细铂丝绕在陶瓷或玻璃骨架上制成。

图4-2　热电阻传感器的结构

铠装热电阻热惰性小、响应速度快；具有良好的机械性能，可以耐强烈振动和冲击，适用于高压设备测温，以及在有振动的场合和恶劣环境中使用。因为后面引线部分具有一定的柔韧性，也适用于安装在结构复杂的设备上进行测温，此种热电阻寿命较长。

（3）薄膜及厚膜型铂热电阻

薄膜及厚膜型铂热电阻主要用于平面物体的表面温度和动态温度的检测，也可部分代替线绕型铂热电阻用于测温和控温，其测温范围一般为-70～600℃。薄膜及厚膜型铂热电阻是近些年来发展起来的新型测温元件。薄膜型铂电阻采用溅射工艺来成膜，再经光刻、腐蚀工艺形成图案，其他工艺与厚膜型铂电阻相同。厚膜型铂电阻一般用陶瓷材料作基底，采用精密丝网印刷工艺在基底上形成铂电阻，再经焊接引线、胶封、校正电阻等工序，最后在电阻表面涂保护层而成。

3.热电阻传感器的测量线路

热电阻传感器的测量线路一般使用电桥，如图4-3所示。实际应用中，热电阻安装在生产环境中，感受被测介质的温度变化，而测量电阻的电桥通常作为信号处理器或显示仪表的输入单元，随相应的仪表安装在控制室。由于热电阻很小，热电阻与测量桥路之间的连接导线的阻值r会随环境温度的变化而变化，给测量带来较大的误差。为此，工业上常采用三线制接法，如图4-4所示。使导线电阻分别加在电桥相邻的两个桥臂上，在一定程度上可克服导线电阻变化对测量结果的影响。尽管这种补偿还不能完全消除温度的影响，但在环境温度为0～50℃内使用时，这种接法可将温度附加误差控制在0.5%以内，基本可满足工程要求。