热电阻传感器及其应用探析

对测温用的热电阻材料要求：电阻值与温度变化具有良好的线性关系；电阻温度系数要大，便于精确测量；电阻率高、热容小、响应速度快；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。目前使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。随着低温和超低温测量技术的发展，已开始采用钢、锰、碳等材料。

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，性能非常稳定，测量精度高，其测温范围为-200~850℃。

按照ITS-1990标准，国内统一设计的最常用的工业用铂电阻为Pt100和Pt1000，即在0℃时铂电阻阻值R₀为100Ω和1000Ω。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可以查热电阻分度表Pt100（见相关说明书）或Pt1000，也可由下式计算得出，

在-200~0℃的范围内：R_t＝R₀[1＋At＋Bt²＋C（t-100）t³ （2-16）

在0~850℃的范围内：R_t＝R₀（1＋At＋Bt²） （2-17）

式中，R_t和R₀分别为温度为t℃和0℃时的电阻值；A、B、C为常数，A＝3.96847×10-³/℃，B＝-5.847×10-⁷/℃，C＝-4.22×10-¹²/℃。

在精度要求不高的场合，可以忽略式中的高次项，近似认为R_t与t成正比例关系，温度系数为0.003851。

Pt100正确的接线方法可以用图2-32来说明。图2-32a是两线出三线入接法，图2-32b是三线出三线入接法。R_t为铂热电阻，R₁、R₂为固定电阻，R₃为可调电阻，A为检流计。

在实际工业生产中，铂热电阻和温度巡检仪的距离很大，其间引线很长，会达到几十米甚至几百米。由于使用厂家为了节约信号线，就从铂热电阻端两线出，到温度巡检仪再并出一根线，三线接入温度巡检仪。虽然也是三线接入（见图2-32a），但是对实测的温度值有很大的影响。

图2-32 铂热电阻接线方法

设导线长度oa＝ob＝oc，即R_oa＝R_ob＝R_oc＝R_L。

对图2-32列电桥平衡式为

图2-32a R₁（R_t＋R_oc＋R_ob）＝R₂R₃

图2-32b R₁（R_t＋R_ob）＝R₂（R₃＋R_oa）

令 R₁＝R₂

图2-32a R₃＝R_t＋R_ob＋R_oc＝R_t＋2R_L

图2-32b R₃＝R_t （2-18）

从式（2-18）可以看出，当按照图2-32b接法接时，导线电阻R_L对铂热电阻的测量结果无任何影响，能够消除导线线路电阻带来的测量误差。即使是不平衡电桥，虽然不能消除导线的影响，但是也可以大大地减小误差，起到补偿作用。

2.铜热电阻

铜热电阻价格便宜，易于提纯，复制性较好。在-50~150℃测温范围内，线性较好。电阻温度系数比铂高，但电阻率比铂小，在温度稍高时易于氧化，测温范围较窄，体积较大。所以，铜热电阻适用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的场合。

我国常用的铜电阻为Cu50和Cu100，即在0℃时其阻值R₀值为50Ω和100Ω，铜电阻阻值与温度之间的关系可以查热电阻分度表Cu50（见相关说明书）和Cu100，也可由下式计算得出，

R_t＝R₀（1＋αt） （2-19）

式中，α为电阻温度系数，一般取α＝4.25×10-³~4.28×10-³/℃。(www.xing528.com)

3.热电阻传感器结构

（1）普通热电阻传感器结构 普通热电阻传感器一般由测温元件（电阻体）、保护套管和接线盒三部分组成，如图2-33所示。铜热电阻的感温元件通常用φ0.1mm漆包线或丝包线采用双线并绕在塑料圆柱形骨架上，再浸入酚醛树脂（起保护作用）。铂热电阻的感温元件一般用φ0.03~φ0.07mm铂丝绕在云母绝缘片上，云母片边缘有锯齿缺口，铂丝绕在齿缝内以防短路。

（2）销装热电阻传感器结构 销装热电阻传感器由金属保护管、绝缘材料和感温元件三部分组成，如图2-34所示。其感温元件用细铂丝绕在陶瓷或玻璃骨架上。这种结构的热电阻传感器，其热惰性小、响应速度快，具有良好的力学性能，可以耐强烈振动和冲击，适合于高压设备测温以及有振动的场合和恶劣环境中使用。

图2-33 普通热电阻传感器结构示意图

图2-34 销装热电阻传感器结构示意图

（3）薄膜与厚膜型铂热电阻传感器结构 薄膜与厚膜型铂热电阻传感器由感温元件、绝缘基板、接头夹和引线四部分组成，如图2-35所示。这种结构的铂热电阻传感器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℃。

4.热电阻Pt100在测温电路中的应用

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将Pt100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，二为恒流源式测温电路。下面分别对桥式电路和恒流源式电路的原理在设计过程中应注意的事项进行说明。

（1）桥式测温电路 桥式测温的典型应用电路如图2-36和图2-37所示（图2-36和图2-37均为桥式电路，分别画出来是为了说明两线制接法和三线制接法的区别）。

图2-35 薄膜热电偶示意图

1—工作端 2—绝缘基板 3—接头夹 4—引线

图2-36 三线制接法桥式测温电路

图2-37 两线制接法桥式测温电路

测温原理：电路采用TL431和电位器RP₁调节产生4.096V的参考电源；采用R₁、R₂、RP₂、Pt100构成测量电桥（其中R₁＝R₂，RP₂为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和RP₂的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R₃＝R₄、R₅＝R₆、放大倍数＝R₅/R₃，运放采用单一5V供电。

（2）恒流源式测温电路 恒流源式测温的典型应用电路如图2-38所示。

测温原理：通过运放U1A将基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为10），即输出期望的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。

根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电位”，运放U1A的“＋”端和“-”端电位V＋＝V-＝4.096V；假设运放U1A的输出脚1对地电压为V_o，根据虚断概念，（0-V_-）/R₁＋（V_o-V_-）/R_Pt100＝0，因此电阻Pt100上的压降V_Pt100＝V_o-V_-＝V_-R_Pt100/R₁，因V_-和R₁均不变，因此图中虚线框内的电路等效为一个恒流源流过一个Pt100电阻，电流大小为V_-/R₁，Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻值有关。

图2-38 恒流源式测温电路