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热电阻式温度传感器的原理与应用

崔爱红，底雪锋，王小建

石家庄信息工程职业学院计算机系（050035）

摘要：本文给出了一种温度传感器的原理与使用方法。温度是最重要的物理量之一，几乎没有什么物理特性不与温度有关，电阻温度测试仪是利用电阻随温度的变化而变化的物理特性而制作的。本文分析了导体及半导体材料的温度特性，选择了铂热电阻作为测温原件，并采用三线制安装方式，进一步提高了测温的准确性。

关键词：热电阻;温度;传感器

温度不同于其他的物理量，不像质量或长度那样，把一个人工制品与其相应的单位直接进行比较，而只能通过测量某些与其相关的物理量来从中导出。温度是最重要的物理量之一，它遍及基本的物理定理和几乎每一种物理测量之中，几乎没有什么物理特性不与温度有关，因此存在着大量的以物理量表征的物理特性可作为温度测量的基础。至少在理论上可以认为，具有与温度有关的物理特性的物体都可以用来制作温度传感器或温度测试仪。

在应用方而，人们并不是把每一种具有与温度有关的参数的物体都用来做测温仪或传感器。能够作为温度仪或传感器基础的物理参数必须满足以下条件:测量简便，复现性好，灵敏度高以及随温度单调变化。由于铂、铜、锗、硅等导体和半导体材料，以及镍硅、镍铝、镍铬等合金材料能较好的满足上述条件，所以由它们制成的热电阻、热电偶测温仪非常广泛地被应用于测试领域中。另外，利用辐射定律和热力学规律而制作的辐射测温仪，利用物质的热胀冷缩原理制作的膨胀测温仪也被较为广泛的应用。

1测温原理

电阻温度测试仪是利用电阻随温度的变化而变化的物理特性而制作的。导体或半导体的电阻率与材料内参与导电过程的电子数量和晶体结构及其状态有关，它们各有不同的导电机理。

1.1导体电阻率

根据欧姆定律，导体的电阻率为：

(1)

(1)

式中E为电场强度；J为电流密度。在E的作用下，J的数值与自由电子数n,电荷e

和电子定向运动速度平均值u成正比。在电场下导体内的自由电子热运动速度与气体分子运动理论有相似之处。于是可通过自由电子运动时平均自由程λ及其质量m，得出电阻率与温度之间的相互关系，即[1]

(2)

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式中k为玻尔兹曼常数，T为温度。

对于金属导体而言，在一定的温度下，物质的电阻率和电阻有确定的数学函数关系:

(3)

式中R—导体电阻

l导体长度

s—导体的截而积

这样就可以把温度对电阻率的影响反映到电阻上，即温度变化会导致电阻变化。金属内部难免掺有微量杂质，但这种杂质在低温下是与温度无关的常量，它的存在不受温度的变化所影响。

1.2半导体电阻率

半导体是一种晶态固体，其原子结构较为特殊，外层的电子运动时既不像金属导体那样容易脱离原轨迹，也不像绝缘体那样束缚的很紧，这就决定了它的导电特性介于金属导体和绝缘体之间。其导电机理与材料内价电子以及掺入的杂质有关。

以半导体中典型的锗电阻为例，为了使其在较宽的低温区都能具有良好的温度——电阻特性，往往在以锗为主体的结晶中，采取掺镓补锑来提高低温区的灵敏度，以扩大使用范围。当温度低于10K时，因为温度低，电子处于非激发状态，没有载流子移动，故导电率低，电阻率大。在10-100K温度区域内，除了存在杂质补偿作用外，锗元素中的价电子得到的能量以能使其处于跃迁状态，当温度增高时，电阻率随之下降。在100-400K温区中，电阻率随温度成正比关系。当温度上升到400K以上时，温度增加时，电阻率随之下降。

由于受到掺杂程度和制造工艺的影响，很难给出统一形式的方程来描述锗半导体电

[2]

阻——温度特性。典型的经验公式是

R=B.exp(△E/2KT)(4)

式中，系数B取决于掺杂的种类和浓度，并随温度而变；△E与禁带宽度有关；k为玻尔兹曼常数。

由式(3)和式(4)可知：温度的变化引起了电阻的变化。如果在测温时，对热电阻测温系统中的电阻感温元件通入工作电流，则不同的温度会导致导体或半导体的电阻率发生变化，进而引起不同的电阻值，使得其两边产生不同的电压，这样我们就将电阻随温度的变化转化成为电压随温度的变化。若我们将这个因为温度的变化而导致的变化的电压对应取出后，送入动圈仪表显示或接入A/D卡转换后送入计算机加以处理显示，就构