5.8　温度传感器特性研究

2026年01月14日

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5.8　温度传感器特性研究

温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。接触式是传感器直接与被测物体接触进行温度测量,这是温度测量的基本形式。而非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度,可进行遥测,这是接触方式所做不到的。

接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等,利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度,被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等。

本实验将通过测量几种常用的接触式温度传感器的特征物理量随温度的变化,来了解这些温度传感器的工作原理。

【实验目的】

①了解几种常用的接触式温度传感器的工作原理及其应用范围。

②测量这些温度传感器的特征物理量随温度的变化曲线。

【实验原理】

1.热电阻

热电阻一般由纯金属制成,其电阻系数较高。目前应用最多的是铂电阻和铜电阻,结构一般均为绕组(包括补偿部分),其是用金属丝双绕在圆柱形塑料支架上制成的。它们都可制成标准测温热电阻,目前应用非常广泛。

铂电阻电阻率ρPt=9.81×10-8Ω·m,在0 ～650 ℃内其阻值用式(5.60)表示

在-200 ～0 ℃内阻值表示为

式(5.61)中,R0 为0 ℃时的电阻值,Rt 为t ℃时的电阻值;A、B、C 为常数。

由此看出,由于A、B、C 数值很小,式(5.60)和式(5.61)均可以近似地写作

而且铂的物理化学性能非常稳定,故在-200 ～500 ℃的测量范围内,可用式(5.62)来表示其阻值与温度之间的关系。

铜电阻电阻率ρPt=1.7×10-8Ω·m,在一些测量要求不高,测温范围较小(-50 ～150 ℃)的情况下使用。其阻值与温度变换的关系式在上述温度范围内也可用式(5.62)来表示,其中

铜电阻温度系数较高,但缺点是其电阻率较铂电阻小。在等大电阻情况下,铜电阻较铂电阻的长度更长、体积更大;而且铜电阻在温度较高时其化学稳定性较差。

铜电阻和铂电阻的阻值变化率与温度之间的关系如图5.27 所示。

图5.27　铜电阻和铂电阻的阻值变化率与温度之间的关系

2.半导体热敏电阻

热敏电阻是电阻值随温度显著变化的一种热敏元件。热敏电阻按其电阻随温度变化的典型特性可分为3 类,即负温度系数(NTC)热敏电阻、正温度系数(PTC)热敏电阻和临界温度电阻器(CTR)。 PTC 和CTR 型热敏电阻在某些温度范围内,其电阻值会产生急剧变化,适用于某些狭窄温度范围内的一些特殊应用,而NTC 热敏电阻可用于较宽温度范围的测量。热敏电阻的电阻-温度特性曲线如图5.28 所示。

图5.28　半导体热敏电阻-温度特性曲线

NTC 半导体热敏电阻由一些金属氧化物,如钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物,采用不同比例的配方,经高温烧结而成,然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。与金属导体热电阻比较,半导体热敏电阻具有以下特点。

①有很大的负电阻温度系数,因此其温度测量的灵敏度也比较高。

②体积小,目前最小的珠状热敏电阻的尺寸可达0.2 mm,故热容量很小,可作为点温或表面温度以及快速变化温度的测量。

③具有很大的电阻值(100 ～10 000 Ω),因此可以忽略线路导线电阻和接触电阻等的影响,特别适用于远距离的温度测量和控制。

④制造工艺比较简单,价格便宜,缺点是温度测量范围较窄。

半导体热敏电阻具有负电阻温度系数,其电阻值随温度升高而减小,电阻与温度的关系可以用下面的经验公式表示

式(5.63)中,RT 为在温度为T 时的电阻值,T 为绝对温度(以K 为单位),A 和B 分别为具有电阻量纲和温度量纲,并且与热敏电阻的材料和结构有关的常数。由式(5.63)可得到温度为T0 时的电阻值R0,即

比较式(5.63)和式(5.64),可得

从式(5.65)可以看出,只要知道常数B 和在温度为T0 时的电阻值R0,就可以利用式(5.65)计算在任意温度T 时的RT 值。

常数B 可以通过实验来确定。将式(5.65)两边取对数,则有

热敏电阻的温度系数At 定义如下

由式(5.67)可以看出,At 是随温度降低而迅速增大。 At 决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。热敏电阻的测温灵敏度比金属热电阻的高很多。例如,B 值为4 000 K,当T=293.15 K(20 ℃)时,热敏电阻的At=4.7% /°C,约为铂电阻的12 倍。(https://www.daowen.com)

【实验仪器】

DHW 型温度传感器实验装置1 台、DHW-1 温度传感器实验加热装置2 台、数字万用电表1 块等。

DHW 型温度传感器实验装置面板图如图5.29 所示。