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一、热电阻传感器

热电阻传感器是利用电阻随温度变化的特性而制成的，它在工业上被广泛用来进行对温度和温度有关参数的检测。按热电阻性质的不同，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。下面先介绍金属热电阻传感器。

1.金属热电阻工作原理

金属热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。当被测温度变化时，金属导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小，这就是热电阻测温的基本工作原理。

作为测温的热电阻应达到下列基本要求：电阻温度系数（即温度每升高一度时，电阻增大的百分数，常用α表示） 要大，以获得较高的灵感度；电阻率ρ要高，以便使元件尺寸小；电阻值随温度变化尽量呈线性关系，以减小非线性误差；在测量范围内，物理化学性能稳定；材料工艺性好、价格便宜等。

2.常用热电阻及特性

常用热电阻材料有铂、铜、铁和镍等，它们的电阻温度系数在（3～6）×10^-3/℃范围内，下面分别介绍它们的使用特性。

（1）铂电阻　

铂的熔点1772℃，沸点3827℃，是目前公认的制造热电阻的最好材料，它性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。缺点是电阻温度系数小，价格较高。铂电阻主要用于制造标准电阻温度计，其测量范围一般为-200～+850℃。图4-1所示为铂电阻的构造。

当温度t在-200～0℃范围内时，铂的电阻与温度的关系可表示为

　　（4-1）

当温度t在0～850℃范围内时，铂的电阻值与温度的关系为

　　（4-2）

式中　R₀——温度为0℃时的电阻值；

R_t——温度为t℃时的电阻值；

A——常数（A=3.96847×10^-3　1/℃）；

B——常数（B=-5.847×10^-7　1/℃²）；

C——常数（C=-4.22×10^-12　1/℃⁴）。

由式（4-1）和式（4-2）可知，热电阻R_t不仅与t有关，还与其在0℃时的电阻值R₀有关，即在同样温度下，R₀取值不同，R_t的值也不同。目前国内统一设计的工业用铂电阻的R₀值有46Ω和100Ω等几种，并将R₀与t相应关系列成表格形式，称为分度表，如表4-1所示。使用分度表时，只要知道热电阻R_t值，便可查得对应温度值。

（2）铜电阻

铜电阻的特点是价格便宜，纯度高，重复性好，电阻温度系数大，其测温范围为-50～+150℃，当温度再高时，裸铜就氧化了。

在一定的测温范围内，铜的电阻值与温度呈线性关系，可表示为

　　（4-3）

铜电阻的主要缺点是电阻率小（仅为铂的一半左右），所以制成一定电阻时，与铂材料相比，铜电阻要细，机械强度不高，而且铜电阻容易氧化，测温范围小。因此，铜电阻常用于介质温度不高、腐蚀性不强、测温元件体积不受限制的场合。铜电阻的R₀值有50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50、Cu100。

（3）其他热电阻　

除了铂和铜热电阻外，还有镍和铁材料的热电阻。镍和铁的电阻温度系数大，电阻率高，可用于制成体积大、灵敏度高的热电阻。但由于容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，重复性和线性度差，目前应用还不多.

近年来在低温和超低温测量方面开始采用一些较为新颖的热电阻，例如铑铁电阻、铟电阻、锰电阻、碳电阻等。铑铁电阻常用于测量0.3～20K范围内的温度，具有较高的灵敏度和稳定性，重复性较好。

3.热电阻的测温电路

最常用的热电阻测温电路是电桥电路，如图4-2所示。图中R₁、R₂、R₃和R_t（或R_q、R_M）组成电桥的四个桥臂，其中R_t是热电阻，R_q和R_M分别是调零和调满刻度的调整电阻。测量时先将切换开关S扳到“1”位置，调节R_q使仪表指示为零，然后将S扳到“3”位置，调节R_M使仪表指示到满刻度，再将S扳到“2”位置，则可进行正常测量。由于热电阻本身电阻值较小（通常约在100Ω以内），而热电阻安装处（测温点）距仪表之间总有一定距离，其连接导线的电阻也会因环境温度的变化而变化，从而造成测量误差。为了消除导线电阻的影响，一般采用三线制连接法，如图4-3所示。图4-3（a）的热电阻有三根引出线，而图4-3（b）的热电阻只有两根引出线，但都采用了三线制连接法。采用三线制接法，引线的电阻分别接到相邻桥臂上，且电阻温度系数相同，因而温度变化时引起的电阻变化亦相同，使引线电阻变化产生的附加误差减小。

在进行精密测量时，常采用四线制连接法，如图4-4 所示。由图可知，调零电阻R_q分为两部分，分别接在两个桥臂上，其接触电阻与检流计G串联，接触电阻的不稳定不会影响电桥的平衡和正常工作状态。