用热敏电阻设计

温度传感器的应用通常分为三类;监控、控制或电路补偿和四种传感器类型;热电偶、热敏电阻、电阻-温度探测器(RTD)和半导体温度传感器。在选择传感器时，要考虑的一些关键特性包括温度范围、精度、响应时间、温度对被测对象的最小影响以及所需信号调理的类型。其他因素包括长期稳定性、机械强度和成本。

该表将热敏电阻特性与其他类型的温度传感器进行比较，并表示热敏电阻器件是基本上是无源可变电阻，并且需要激励电流以产生输出信号。换句话说，您不能只需在热敏电阻的引线上连接电压表，将传感器触摸到热对象，并期望看到电压。

热敏电阻的灵敏度比大多数其他传感器高得多，但它们的线性性也差得多。尽管特殊的高温传感器，如由GE传感制造的氧化铬陶瓷热敏电阻可以工作到1000^oC，传统装置具有相对较窄的温度范围，并且当需要长期精度时不是最佳选择。然而，热敏电阻通常比其他传感器更便宜，并且更快地反应温度变化。

所有的传感器都需要线性化，但每个都有不同的程度。此外，为了实现高精度，电路必须与实际热敏电阻传感器连接进行校准。这两个任务可以通过模拟调节器和校准电路来完成，但它们可能非常复杂，需要手动校准。如果采用数字设计，则传感器信号通过模数转换器(ADC)进行数字化，并在软件中进行线性化和校准，最小的操作人员参与。

热敏电阻的基本面
热敏电阻是固态的温度敏感电阻，有两种类型:负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)。顾名思义，NTC热敏电阻的电阻与温度成反比，而PTC热敏电阻的电阻与温度成正比例。传感器的终端电阻随热敏电阻体的温度变化而变化，热敏电阻体的温度变化可以来自环境热，也可以来自激励电流的自加热，或者两者兼有。

与主要用于温度测量和补偿的NTC设备相比，PTC热敏电阻用于电路过载保护。本文侧重于温度测量装置，因此仅讨论了NTC热敏电阻。

NTC热敏电阻是金属氧化物的烧结混合物，其中包括镍、钴、锰，有时还包括其他氧化物。这些元素形成为珠子、碎片、圆盘、棒或薄膜。珠状热敏电阻是沉积在两根铂合金线上的一滴半导体浆料，在高温下烧结而成。然后将导线切割成单个热敏电阻。片式和盘式热敏电阻制作成薄片材料（晶片），并在高温下烧结。侧面镀银以连接导线，晶圆被切割成圆盘或芯片。棒形热敏电阻是简单挤压而成的。

热敏电阻元件可以是玻璃封装，环氧涂层，或保持未涂层(裸露)。裸热敏电阻响应速度更快，体积更小，成本更低，但它们没有保护环境和机械影响的条款。环氧涂层可以保护设备不受环境影响，但它会稍微减缓响应时间并增加成本。玻璃封装确保密封，高压绝缘，耐腐蚀性大气。玻璃封装件的长期稳定性通常比环氧涂层件的稳定性好十倍。

安装功能包括需要弹簧加载触点的无铅阀瓣，用于线粘接的银或金电极，以及用于SMD芯片的表面安装条款。引线可以是轴向的或径向的，裸露的或绝缘的，直的或扭结的。轴向引线和SMD部件用于自动PCB插入和拾取设备。径向引线装置和无铅圆盘非常适合于温度探头组件。

一种特殊类型，薄膜热敏电阻，沉积在陶瓷或柔性Kapton®基础上，只有几万英寸厚。由于其质量小，耗散值低，反应时间快。例如，Selco产品公司的TF系列薄膜NTC热敏电阻，适用于-50^oc至+90^oC的温度范围，耗散值为0.7 mW/^oC的热时间常数为2s，两者都在静止空气中。它们是空气和其他气体温度测量以及探头组件的理想选择。

根据应用，不同设备的精度等级差别很大。例如，通用盘式热敏电阻的公差范围通常为±20%至±2%，可互换热敏电阻的精度可高达±0.05^oC在较窄的温度范围内。它们可用于更换探头而无需系统重新校准。例如，U.S. Sensor的PR103J2超精密，可互换10-kΩ热敏电阻是一种高度精确和稳定的传感器，匹配j型NTC热敏电阻的R-T曲线为±0.05^oC从0的准确性^oC到50.^oC.其他电阻值从2kΩ到50kΩ也可提供。

目录和数据表中列出的几个热敏电阻相关术语可帮助您选择零件：

• 这零功率电阻，R._o，是在特定温度下指定的直流电阻和很小的励磁电流，可以忽略由功率耗散产生的自热。这个特殊的温度被称为标准参考温度，通常是25^oC。
• 这阻力比特性是在两个特定温度下测量的零功率电阻的比率。这是典型的电阻比，在25^oc在125时抵抗^oC。
• 这热时间常数， τ，是以秒为单位的时间，热敏电阻耗散零功率来改变其体温，以响应环境温度的阶跃函数变化，体温变化占总温度变化的63.2%。这个参数描述了热敏电阻对快速温度变化的反应速度，并有助于比较不同器件的响应时间。
• 这电离常数δ是热敏电阻功率变化与热敏电阻体温变化的比率。它以MW /^o并在特定温度下规定。τ和δ强烈依赖于被测对象或介质。例如，GE型DC95可互换片式热敏电阻器的耗散常数为8 mW/^oC在搅拌油中，但只有1兆瓦/^o答案:C热时间常数在搅拌油中是1秒，但在静止空气中是10倍。
• 这最大额定功率是与功耗有关的另一个特征。这是在环境温度为25时的最大功率(mW)^oC热敏电阻可以延长一段时间而不会降低其特性。必须基于环境温度降级该评级。
• 这零功率温度抗性系数（TCR），α是在该点处的任何温度点T，T的零功率变化率与该点的零功率电阻的比率：

α_T= 1 / r_T(博士_T) / (dT)

地点:
α_T=温度T时电阻的温度系数，
ω/Ω/^oc，或％/^oC
R_T=电阻在温度T， Ω
博士_T=阻力变化，Ω
dT =温度变化，oC

另一种表示温度系数的方法是:

α_T= - B / T²

地点:

B =物质常数，^oK
T =温度,^oK

遗憾的是，热敏电阻温度系数在其工作范围内高度线性，这意味着系数本身在稍微随温度变化。系数在其最低温度下的最高值处，随着温度的增加而逐渐减小。特定系数的一个值可能在窄的温度范围内工作，但最常，热敏电阻测量电路必须线性化以覆盖大的温度波动。

用于热敏电阻输出线性化的电路可以由固定电阻器和附加热敏电阻的串联、并联和串并联组合组成。最简单的电路是并联电阻器，其值可通过以下等式计算：

r = [r_TM（r._TL+ R._TH） - 2R._TLR_TH] / [R_TL+ R._TH- 2R._TM］

地点:

R=并联电阻器的值，Ω
R_TL=最低温度T处的热敏电阻阻力_l，？
R_TH=热敏电阻在最高温度T_H,Ω
R_TM=热敏电阻在中点温度T处的电阻_米,Ω
中点温度TM = (TL + TH) / 2，°C

简单的开/关温度控制电路和温度范围窄、精度要求宽松的应用通常不需要线性化。一个简单的惠斯通电桥电路通常就足够了。另一个不需要硬件线性化的例子是数字温度电路，它的线性化是由软件处理的。

操作条件
某些操作条件可显着降低测量精度或可靠性，应避免。例如，自加热可能成为隐藏的准确性错误。当它们的励磁电流过高时，热敏电阻会产生自己的热量。它从激励电流和自身电阻开发的功率（P = i²R)可以显著提高热敏电阻体的温度高于环境。具有较大的散热常数、d、低热阻安装等优越散热方式的部件会有较低的温升。但避免过度自热的主要方法是保持励磁电流尽可能低。

大多数测量误差和过早的故障通常来自粗心的安装和操作。例如，尽管热敏电阻被认为是坚固的装置，但是不小心不破解壳体，分开键或超过上温度限制。

最后，老化是一种经常被忽视的现象，如果在维护计划中不考虑，可能导致延长使用后的校准精度损失。由于在散装材料中缓慢改变的电阻和引线和热敏电阻材料之间的接触区域中，它表现为有效的热敏电阻末端电阻漂移。

更多信息:
联系工程交流中心的约翰·乔其，
www.engineeringexchange.com

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industrial.panasonic.com
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