热电阻传感器

7.1　热电阻传感器

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。

7.1.1　热电阻

1.热电阻材料的特点

作为测量温度用的热电阻材料，必须具有以下特点:（1）高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。（2）化学、物理性能稳定，以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。（3）良好的输出特性，即必须有线性的或者接近线性的输出。（4）良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。

适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。

2.铂、铜热电阻的特性

铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。

铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出-输入特性接近线性，测量精度高。

铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示:在0～660℃温度范围内

R_t＝R₀（1＋At＋Bt²）　　　　　　　　（7-1）

在-190～0℃温度范围内

R_t＝R₀［1＋At＋Bt²＋C（t-100）t³］　　　　　　（7-2）

式中，R₀、R_t——分别为0℃和t℃的电阻值；

A——常数（3.96847×10^-3/℃）；

B——常数（-5.847×10^-7/℃²）；

C——常数（-4.22×10^-12/℃⁴）。

铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。

铜容易提纯，在-50～＋150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出-输入特性接近线性，价格低廉。

铜电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示:

R_t＝R₀（1＋At＋Bt²＋Ct³）　　　　　　　　（7-3）

式中，A——常量（4.28899×10^-3/℃）；

B——常量（-2.133×10^-7/℃²）；

C——常量（1.233×10^-9/℃³）。

由于铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1/6左右，当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。

3.其他热电阻

铂、铜热电阻不适宜作低温和超低温的测量。近年来一些新颖的热电阻材料相继被采用。

铟电阻适宜在-269～-258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。

锰电阻适宜在-271～-210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。

碳电阻适宜在-273～-268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。

常用热电阻材料特性见表7-1。

表7-1　常用热电阻材料特性

除了普通工业用热电阻外，近年来为了提高响应速度，发展了一些新品种。例如，封装在金属套管内的嵌装热电阻，这种热电阻外径直径小（最小仅1mm），除感温元件处外，可以任意弯曲，特别适合在复杂结构中安装。由于封装良好，具有良好的抗振动、抗冲击性能和耐腐蚀性能。又如线绕薄片型铂热电阻和利用IC工艺制作的厚膜铂电阻与薄膜铂电阻，后者具有较高的性价比。

7.1.2　热敏电阻

1.热敏电阻的特点

热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类:（1）负温度系数热敏电阻（NTC）；（2）正温度系数热敏电组（PTC）；（3）临界温度系数热敏电阻（CTR）。

由于负温度系数热敏电阻应用较为普遍，本书只介绍这种热敏电阻。

负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量-100～＋300℃范围内的温度，与热电阻相比，其特点是:（1）电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；（2）结构简单，体积小，可以测量点温度；（3）电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；（4）易于维护和进行远距离控制；（5）制造简单，使用寿命长。

不足之处为互换性差，非线性严重。

图7-1　热敏电阻特性曲线

2.负温度系数热敏电阻的特性

图7-1为负温度系数热敏电阻的电阻-温度特性曲线，可以用如下经验公式描述:

式中，R_T——温度为T（K）时的电阻值；

A——与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数；

B——热敏电阻常数。

若已知T₁和T₂时的电阻为R_T1和R_T2，则可通过公式求取A、B值，即

图7-2　热敏电阻的伏安特性

图7-2示出热敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，当流过热敏电阻的电流较小时，曲线呈直线状，服从欧姆定律。当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电压上升速度减慢，出现了非线性。当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。

热敏电阻特性的严重非线性，是扩大测温范围和提高精度必须解决的关键问题。解决办法是，利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。图7-3介绍一种金属电阻与热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。只要金属电阻R_x选得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性［图（b）R_s］，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系［图（c）］。近年来已出现利用微机实现较宽温度范围内线性化校正的方案。

图7-3　热敏电阻非线性校正

图7-4为柱形热敏电阻的结构组成。热敏电阻除柱形外，还有珠状、探头式、片状等，见图7-5。热敏电阻的主要用途见表7-2。

图7-4　柱形热敏电阻结构图

图7-5　其他热敏电阻示意图

（a）珠状；（b）探头式；（c）片状

表7-2　热敏电阻的主要用途

图7-6　玻璃封装热敏电阻

3.近代热敏电阻的特性

（1）近年来研制的玻璃封装热敏电阻具有较好的耐热性、可靠性、频响特性。

图7-6为玻璃封装热敏电阻的结构示意图。它适用于作高性能温度传感器的热敏器件。当测量温度由125℃上升到300℃时，响应时间由30s加快到6s，工作稳定性由±5%改善为±（3～1）%。

（2）氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在低于300℃时工作。近期用硼卤化物与氢还原研制成的硼热敏电阻，在700℃高温时仍能满足灵敏度、互换性、稳定性的要求。可用于测量液体流速、压力、成分等。

（3）负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重。近期研制的CdO-Sb₂O₃-WO₃和CdO-SnO₂-WO₃两种热敏电阻，在-100～＋300℃温度范围内，特性曲线呈线性关系，解决了负温度系数热敏电阻存在的非线性问题。

图7-7　有机热敏电阻的特性曲线

（4）近年来发现四氰醌二甲烷新型有机半导体材料，具有电阻率随温度迅速变化的特性，如图7-7所示。当温度自低温上升至T_H时，因电阻率迅速下降，使电阻值相应减小，直至温度等于或高于T_H时，电阻值变为R_o。当温度自高温下降至T_H附近直至T_H时，电阻率变化较小，电阻值变化不大。当温度继续下降至T_L时，由于电阻率迅速增加，电阻值达到R_P值。利用上述特性可制成定时器，通过保持材料的温度在T_H与T_L之间，即可使定时时间限制在R₀至R_P的持续时间里。这种有机热敏材料不仅可以制成厚膜，还可以制成薄膜或压成杆形。用它制成的电子定时元件，具有定时时间宽（从数秒至数十小时）、体积小、造价低的优点。表7-3列出了几种常用热敏电阻。

表7-3　常用热敏电阻