3.5　热电阻材料与结构

3.5.1　热电阻材料

按照热电阻的测温原理，各种金属导体均可作为热电阻材料用于温度测量，但实际使用中对热电阻材料提出如下要求：

（1）电阻温度系数大，即灵敏度高；

（2）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温环境，互换性好；

（3）电阻率要大，以使电阻体积小，减小测温的热惯性；

（4）电阻与温度之间近似为线性关系，测温范围广；

（5）价格低廉、复制性强、加工方便。

目前，使用的金属热电阻材料有铜、铂、镍、铁等。其中，因铁、镍提纯比较困难，其电阻与温度的关系线性度较差，纯铂丝的各种性能最好，纯铜丝在低温下性能也好，所以实际应用最广的是铜、铂两种材料，并已列入了标准化生产。

1.铂热电阻

铂热电阻由纯铂丝绕制而成，其使用温度范围为（按IEC标准）-200～850℃。铂电阻的特点是精度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化学性能稳定。另外，它易提纯、复制性好、有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝（直径可达0.02mm或更细）或极薄的铂箔，与其他热电阻材料相比，电阻率较高。因此，它是一种较为理想的热电阻材料，除作为一般工业测温元件外，还可作为标准器件。但它的缺点是电阻温度系数小，电阻与温度呈非线性，高温下不宜在还原性介质中使用，而且属贵重金属，价格较高。

根据国际实用温标的规定，在不同的温度范围内，电阻与温度之间的关系也不同。

在-200～0℃范围内，铂热电阻与温度的关系为

Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]　　（3-16）

在0～850℃范围内，铂电阻分温度的关系为

Rt=R0[1+At+Bt2]　　（3-17）

式（3-16）、式（3-17）中Rt、R0分别为t℃和0℃时的电阻值；A、B、C分别为常数，A=3.90802×10-3℃-1，B=-5.80195×10-7℃-2，C=-4.27350×10-12℃-4。

满足上述关系的热电阻，其平均温度系数α=3.85×10-3℃-1，一般工业上使用的铂热电阻，国际规定的分度号有Pt10和Pt100两种。即0℃时相应的电阻值分别为R0=10Ω和R0=100Ω，Pt10的热电阻温度计电阻丝较粗，主要应用于600℃以上的温度测量。不同分度号的铂热电阻因为R0不同，在相同温度下的电阻值是不同的，因此电阻值与温度的对应关系，即分度表也是不同的。

2.铜热电阻

铜热电阻一般用于-50～150℃范围的温度测量。它的特点是电阻值与温度之间基本为线性关系，电阻温度系数大，且材料易提纯、价格便宜，但它的电阻率低、易氧化，所以在温度不高，测温元件体积无特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。

铜热电阻与温度的关系为

Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）　　（3-18）

式中，Rt、R0分别为t℃和0℃时的电阻值；A、B、C分别为常数，A=4.28899×10-3℃-1，B=-2.133×10-7℃-2，C=1.233×10-9℃-3

由于B和C很小，某些场合可以近似地表示为

Rt=R0（1+αt）（3-19）

式中，α称为电阻温度系数，取α=4.28×10-3℃-1。而一般铜导线的材料纯度不高，其电阻温度系数稍小，约为4.25×10-3℃-1。

国内工业用铜热电阻的分度号分为Cu50和Cu100两种，其R0的值分别为50Ω和100Ω。工业热电阻的基本参数见表3-4。

3.半导体热敏电阻

半导体热敏电阻是利用某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小（或升高）的特性制成的。热敏电阻有正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种，它们的温度特性曲线如图3-14所示。大多数的半导体热敏电阻具有负温度系数，称为NTC型热敏电阻，其电阻值与温度的关系可用式（3-20）表示，即

NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性

式中：RT，R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值，Ω；

T0，T——介质的起始温度和变化温度，K；

t0，t——介质的起始温度和变化温度，℃；

B——热敏电阻材料常数，，一般为2000～6000K，其大小取决于热敏电阻的材料。

根据电阻温度系数的定义，可求得NTC型热敏电阻的温度系数为

电阻温度系数并非常数，低温段比高温段要更灵敏NTC型热敏电阻主要由锰、铁、镍、钴、钛、钼、镁等复合氧化物高温烧结而成，通过不同的材质组合，能得到不同的电阻值R0及不同的温度特性。测温范围为-50～+300℃。

与金属热电阻相比，半导体热敏电阻优点如下：

（1）电阻温度系数、灵敏度高；

（2）电阻率ρ很大，体积很小，连接导线电阻变化的影响可忽略；

（3）结构简单，可测量点的温度。

（4）热惯性小、响应快。

缺点如下：

（1）互换性差；

（2）电阻和温度的关系不稳定，随时间变化。

3.5.2　热电阻结构

热电阻传感器一般由测温元件（电阻体）、不锈钢套管和接线盒三部分组成，如图3-15所示。铜热电阻的感温元件通常用0.1mm的漆包线或丝包线采用双线并绕在塑料圆柱形骨架上，线外再浸入酚醛树脂起保护作用。铂热电阻的感温元件一般用0.03～0.07mm的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。绕组的两面再盖以云母片绝缘。

1.普通型热电阻

普通型热电阻的基本结构如图3-15所示。它的外形与热电偶相似，主要由感温元件（电阻体）、接线盒、不锈钢套管等几部分组成。

（1）感温元件（电阻体）。感温元件是热电阻的核心部分，由电阻丝绕制在绝缘骨架上构成。电阻丝的直径一般为0.01～0.1mm，由所用材料或测温范围所决定。绝缘骨架用来缠绕、支承或固定电阻丝，它的质量将会直接影响热电阻的性能。因此，对骨架材料也提出了一定的要求：

①在使用温度范围内，电绝缘性能好；

②热膨胀系数要与热电阻丝相近；

③物理化学性能稳定，不产生有害物质污染电阻丝；

④比热小，热导率大，有足够的机械强度及良好的加工性能。

根据上述要求，常用的骨架材料有云母、玻璃（石英）、陶瓷等，形状有十字形、平板形、螺旋形及圆柱形等。

云母骨架的抗震性能强、响应快，老式热电阻多用云母作骨架，但即使是优质云母，在500℃以上也要放出结晶水并产生变形，所以使用温度宜在500℃以下。

玻璃骨架的体积小、响应快、抗震性好。较通用的是外径为1～4mm，长度为10～40mm的骨架。最高安全使用温度为400℃，铂热电阻丝均匀地绕在骨架上，经热处理使电阻丝固定在骨架上，外层再用相同材料制成的套管加以封固烧结。

陶瓷骨架的体积小、响应快、绝缘性能好。外径为1.6～3mm，长度为20～30mm，一般是将铂电阻丝绕在刻有螺纹槽的骨架上，表面涂釉后再烧结固定。

感温元件的绕制均采用了双线无感绕制方法，其目的是消除因测量电流变化而产生的感应电势或电流，尤其采用交流电桥测量时更为重要。

（2）接线盒。内引线的功能是将感温元件引至接线盒，以便于与外部显示仪表及控制装置相连接。它通常位于保护管内，因保护管内温度梯度大，作为引线要选用纯度高、不产生热电势的材料，以减小附加测量误差。其材料最好是采用与电阻丝接触电势相同，或者比电阻丝的接触电势小的材料，以免产生附加热电势。工业用热电阻中，铂热电阻高温用镍丝，中低温用银丝作引出线，这样既可降低成本，又能提高感温元件的引线强度。铜热电阻和镍热电阻的内引线，一般均采用其本身的材料即铜丝或镍丝。

为了减少引线电阻的影响，内引线直径往往比电阻丝的直径大得多。工业用热电阻的内引线直径一般为1mm左右，标准或实验室用直径为0.3～0.5mm。内引线之间也采用绝缘子将其绝缘隔离。

（3）不锈钢套管。它的作用同热电偶的保护管，即使感温元件、内引线免受环境有害介质的影响。有可拆卸式和不可拆卸式两种，材质有金属或非金属等多种。

2.铠装型热电阻

铠装型热电阻的结构及特点与铠装型热电偶相似。它由电阻体、引线、绝缘粉末及保护管整体拉制而成，在其工作端底部，装有小型热电阻体。

铠装型热电阻同普通型热电阻相比具有如下优点：外形尺寸小，套管内为实体、响应速度快、抗震、可挠、使用方便、适于安装在结构复杂的部位。如铠装型热电阻的外形尺寸一般为2～8mm，个别可制成1mm。

3.5.3　热电阻阻值测量

在热电阻与显示仪表的实际连接中，由于其间的连接导线长度较长，导线本身的电阻会与热电阻串联在一起，造成测量误差。如果每根导线的电阻为r，则加到热电阻上的绝对误差为2r，而且这个误差并非定值，是随着导线所处的环境温度而变化的，所以在工业应用时，为避免或减少导线电阻对测量的影响，常常采用三线制、四线制的连接方式来解决。

国产热电阻的引出线有两线制、三线制和四线制三种。

1.两线制

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式称为两线制，如图3-16所示。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度等因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低等场合。

2.三线制

三线制即在热电阻的一端与一根导线相连，另一端与两根导线相连。当与电桥配合使用时，如图3-17所示。与热电阻Rt连接的三根导线，粗细、长短相同，电阻值均为r。

当桥路平衡时，可以得到下列关系

（R2+r）R3=R1（Ra+r+Rt）　　（3-23）

由此可得

当R1=R3时，Rt=R2-Ra，与r无关。

电桥设计时，只要满足R1=R3，则式（3-24）中r的可以完全消去，即相当于r不存在。这种情况下，导线电阻的变化对热电阻毫无影响。必须注意，只有在全等臂电桥（四个桥臂电阻相等）而且是在平衡状态下才是如此，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制连接方法会使它的影响大大减少。

3.四线制

四线制在热电阻体的电阻丝两端各连出两根引出线。测温时，它不仅可以消除引出线电阻的影响，还可以消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响。四线制多用在标准铂热电阻的引出线上。四线制是在热电阻的两端各采用两根导线与显示仪表相连接，其接线方式如图3-18所示。

由恒流源供给的已知电流I流过热电阻Rt，使其产生电压降U，电位差计测得U，便可得到Rt（Rt=U/I）。由图3-18中可见，尽管导线存在电阻r，但有电流流过的导线上，电压降不在测量范围之内，连接电位差计的导线虽然存在电阻，但没有电流流过（电位差计测量时不取电流），所以四根导线的电阻对测量均无影响。只要恒流源的电流稳定不变，这是一种比较完善的方法，它不受任何条件的限制，能消除连接导线电阻对测量的影响。

需要说明的是：无论三线制还是四线制，如果需要准确测量，引线都必须由电阻体的根部引出，即从内引线开始，而不能从热电阻的接线盒的接线端子上引出。因此，内引线处于温度变化剧烈的区域。虽然在保护管中的内引线不长，但精确测量时，其电阻的影响不容忽视。

使用注意事项：

（1）测电阻必须通过电流，但电流又会使电阻发热，使电阻增大。为了避免这一因素引起的误差过大，应该尽量用小电流通过电阻。当然，电流太小以至电阻上的电压降过分微小，又会给测量带来困难。一般通过电阻的电流不宜超过6mA。

用电桥法测量电阻时，电桥的输出对角线有共模电压。这对电子线路的设计或接地点有要求。

（2）三线、四线制接法都必须从电阻体的根部引出，不能从热电阻的接线盒的接线端子上引出。