熱敏電阻是電阻溫度計(jì)，或電阻取決于溫度的電阻。該術(shù)語(yǔ)是“熱”和“電阻”的組合。它由金屬氧化物制成，壓成珠子，圓盤(pán)或圓柱形，然后用不透氣的材料如環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃封裝。

熱敏電阻的類(lèi)型有兩種：負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）。使用NTC熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻會(huì)降低。相反，當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻增加。這類(lèi)熱敏電阻使用量最多。

PTC熱敏電阻的工作方式略有不同。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻增加，而當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻降低。這種類(lèi)型的熱敏電阻通常用作保險(xiǎn)絲。

通常，熱敏電阻在目標(biāo)溫度附近約50C的有限溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度。該范圍取決于基極電阻。

熱敏電阻符號(hào)是：

熱敏電阻符號(hào) - 美國(guó)和日本

T的箭頭表示電阻可根據(jù)溫度變化。箭頭或條的方向不重要。

熱敏電阻易于使用，價(jià)格低廉，堅(jiān)固耐用，并且可以預(yù)測(cè)溫度變化。雖然它們?cè)谶^(guò)熱或過(guò)低的溫度下不能很好地工作，但它們是在所需基點(diǎn)測(cè)量溫度的應(yīng)用的首選傳感器。當(dāng)需要非常精確的溫度時(shí)，它們是理想的。

熱敏電阻的一些最常見(jiàn)的用途是用于數(shù)字溫度計(jì)，用于測(cè)量油和冷卻劑溫度的汽車(chē)，以及烤箱和冰箱等家用電器，但幾乎所有需要加熱或冷卻保護(hù)電路以確保安全的應(yīng)用中都有這種用途。操作。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，例如激光穩(wěn)定探測(cè)器，光學(xué)模塊和電荷耦合器件，內(nèi)置熱敏電阻。例如，10kΩ熱敏電阻是內(nèi)置于激光封裝中的標(biāo)準(zhǔn)。

熱敏電阻如何“讀取”溫度

熱敏電阻實(shí)際上并不“讀取”任何東西，而是熱敏電阻的電阻隨溫度而變化。電阻變化多少取決于熱敏電阻中使用的材料類(lèi)型。

與其他傳感器不同，熱敏電阻是非線性的，這意味著表示電阻和溫度之間關(guān)系的圖表上的點(diǎn)不會(huì)形成直線。線路的位置及其變化程度取決于熱敏電阻的結(jié)構(gòu)。典型的熱敏電阻圖如下所示：

圖2：電阻與溫度的關(guān)系

下面將詳細(xì)介紹如何將阻力變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量數(shù)據(jù)。

熱敏電阻和其他溫度傳感器的區(qū)別

除熱敏電阻外，還使用了幾種其他類(lèi)型的溫度傳感器。最常見(jiàn)的是電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和集成電路（IC），例如LM335和AD590類(lèi)型。哪種傳感器最適合特定用途是基于許多因素。下表簡(jiǎn)要比較了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

溫度范圍：可以使用傳感器類(lèi)型的大致溫度范圍。在給定的溫度范圍內(nèi)，一些傳感器比其他傳感器工作得更好

相對(duì)成本：相對(duì)成本，因?yàn)檫@些傳感器相互比較。例如，熱敏電阻相對(duì)于RTD而言便宜，部分原因是RTD選擇的材料是鉑。

時(shí)間常數(shù)：從一個(gè)溫度值更改為另一個(gè)溫度值所需的大致時(shí)間。這是熱敏電阻從初始讀數(shù)到最終讀數(shù)達(dá)到63.2％溫差的時(shí)間（以秒為單位）。

穩(wěn)定性：控制器根據(jù)傳感器的溫度反饋保持恒定溫度的能力。

靈敏度：對(duì)溫度變化的響應(yīng)程度。

常見(jiàn)的熱敏電阻有哪些外形

熱敏電阻有各種形狀 - 圓盤(pán)，芯片，珠子或棒，可以表面安裝或嵌入系統(tǒng)中。它們可以封裝在環(huán)氧樹(shù)脂，玻璃，烘烤酚醛樹(shù)脂或涂漆中。最佳形狀通常取決于所監(jiān)測(cè)的材料，例如固體，液體或氣體。

例如，珠子熱敏電阻是嵌入裝置的理想選擇，而棒，圓盤(pán)或圓柱頭最適合光學(xué)表面。熱敏電阻芯片通常安裝在印刷電路板（PCB）上。有許多不同形狀的熱敏電阻，其中一些例子是：

圖3：熱敏電阻類(lèi)型

選擇一種形狀，使其與溫度受監(jiān)控的設(shè)備最大程度地接觸。無(wú)論熱敏電阻的類(lèi)型如何，必須使用高導(dǎo)熱膏或環(huán)氧膠制成與被監(jiān)控設(shè)備的連接。通常重要的是該糊劑或膠水不導(dǎo)電。

熱敏電阻是怎么在控制系統(tǒng)中工作的

熱敏電阻的主要用途是測(cè)量器件的溫度。在溫度控制系統(tǒng)中，熱敏電阻是較大系統(tǒng)中較小但很重要的部分。溫度控制器監(jiān)控?zé)崦綦娮璧臏囟取Ｈ缓蟾嬖V加熱器或冷卻器何時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉以保持傳感器的溫度。

在下圖中，示出了示例系統(tǒng)，有三個(gè)主要部件用于調(diào)節(jié)設(shè)備的溫度：溫度傳感器，溫度控制器和Peltier設(shè)備（在此標(biāo)記為TEC或熱電冷卻器）。傳感器頭連接到冷卻板，冷卻板需要保持特定溫度以冷卻設(shè)備，并且電線連接到溫度控制器。溫度控制器還電連接到Peltier設(shè)備，該設(shè)備加熱并冷卻目標(biāo)設(shè)備。散熱器連接到Peltier設(shè)備，以幫助散熱。

圖4：熱敏電阻控制系統(tǒng)

溫度傳感器的工作是將溫度反饋發(fā)送到溫度控制器。傳感器有一小部分電流流過(guò)它，稱(chēng)為偏置電流，由溫度控制器發(fā)送。控制器無(wú)法讀取電阻，因此必須通過(guò)使用電流源在熱敏電阻上施加偏置電流來(lái)產(chǎn)生控制電壓，從而將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。

溫度控制器是這項(xiàng)操作的大腦。它獲取傳感器信息，將其與待冷卻單元所需的信息（稱(chēng)為設(shè)定值）進(jìn)行比較，并調(diào)整通過(guò)Peltier設(shè)備的電流以更改溫度以匹配設(shè)定值。

系統(tǒng)中熱敏電阻的位置會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。為獲得最佳穩(wěn)定性，熱敏電阻需要盡可能靠近熱電或電阻加熱器放置。為獲得最佳精度，熱敏電阻需要靠近需要溫度控制的設(shè)備。理想情況下，熱敏電阻嵌入在設(shè)備中，但也可以使用導(dǎo)熱膏或膠水進(jìn)行連接。即使嵌入了器件，也應(yīng)使用導(dǎo)熱膏或膠水消除氣隙。

下圖顯示了兩個(gè)熱敏電阻，一個(gè)直接連接到設(shè)備，一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備或遠(yuǎn)離設(shè)備。如果傳感器離設(shè)備太遠(yuǎn)，熱滯后時(shí)間會(huì)顯著降低溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度，而將熱敏電阻放置在離珀耳帖設(shè)備太遠(yuǎn)的位置會(huì)降低穩(wěn)定性。

圖5：熱敏電阻放置

在下圖中，該圖表顯示了兩個(gè)熱敏電阻的溫度讀數(shù)差異。連接到設(shè)備的熱敏電阻快速響應(yīng)熱負(fù)荷的變化并記錄準(zhǔn)確的溫度。遠(yuǎn)程熱敏電阻也起了反應(yīng)但速度不是很快。更重要的是，讀數(shù)偏差超過(guò)半度。當(dāng)需要精確的溫度時(shí)，這種差異可能非常顯著。

選擇傳感器放置后，需要配置系統(tǒng)的其余部分。這包括確定基本熱敏電阻的電阻，傳感器的偏置電流以及溫度控制器上負(fù)載的設(shè)定溫度。

熱敏電阻和偏置電流如何應(yīng)用

熱敏電阻的分類(lèi)是在室溫下測(cè)得的電阻量，即25°C。根據(jù)制造商的要求，需要保持溫度的裝置具有一定的技術(shù)規(guī)格以便最佳使用。必須在選擇傳感器之前識(shí)別這些。因此，了解以下內(nèi)容非常重要：

設(shè)備的最高和最低溫度是多少？

在測(cè)量環(huán)境溫度50°C以?xún)?nèi)的單點(diǎn)溫度時(shí)，熱敏電阻是理想選擇。如果溫度過(guò)高或過(guò)低，熱敏電阻將無(wú)法工作。雖然有例外，但大多數(shù)熱敏電阻在-55°C至+ 114°C的范圍內(nèi)工作效果最佳。

由于熱敏電阻是非線性的，意味著溫度與電阻值在曲線圖上繪制為曲線而不是直線，因此無(wú)法正確記錄非常高或極低的溫度。例如，非常高的溫度下的非常小的變化將記錄可忽略的電阻變化，這不會(huì)轉(zhuǎn)化為精確的電壓變化。

熱敏電阻的最佳使用范圍

根據(jù)控制器的偏置電流，每個(gè)熱敏電阻都有一個(gè)最佳的有效范圍，這意味著可以準(zhǔn)確記錄溫度變化很小的溫度范圍。

下表顯示了兩種最常見(jiàn)偏置電流下波長(zhǎng)熱敏電阻的最有效溫度范圍。

圖7：熱敏電阻選擇表

最好選擇一個(gè)設(shè)定點(diǎn)溫度在該范圍中間的熱敏電阻。熱敏電阻的靈敏度取決于溫度。例如，熱敏電阻在較冷的溫度下可能比在較溫暖的溫度下更敏感，就像Wavelength的TCS10K510kΩ熱敏電阻一樣。使用TCS10K5時(shí)，靈敏度在0°C和1°C之間為每攝氏度162 mV，在25°C和26°C之間為43 mV /°C，在49°C和50°之間為14 mV°C C。

溫度控制器的傳感器輸入的電壓上限和下限

傳感器反饋到溫度控制器的電壓限制由制造商規(guī)定。理想情況是選擇熱敏電阻和偏置電流組合，以產(chǎn)生溫度控制器允許范圍內(nèi)的電壓。

電壓與歐姆定律的電阻有關(guān)。該等式用于確定需要什么偏置電流。歐姆定律指出，通過(guò)兩點(diǎn)之間的導(dǎo)體的電流與兩點(diǎn)之間的電位差成正比，對(duì)于這種偏置電流，寫(xiě)為：

V = I BIAS x R

其中：

V是電壓，單位為伏特（V）

I BIAS是電流，單位是安培或安培（A）

I BIAS表示電流固定

R是電阻，單位為歐姆（Ω）

控制器產(chǎn)生偏置電流以將熱敏電阻器電阻轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓。控制器只接受一定范圍的電壓。例如，如果控制器范圍為0到5 V，則熱敏電阻電壓必須不低于0.25 V，以便低端電氣噪聲不會(huì)干擾讀數(shù)，并且不高于5 V才能讀取。

假設(shè)使用上述控制器和100kΩ熱敏電阻，例如Wavelength的TCS651，器件需要維持的溫度為20°C。根據(jù)TCS651數(shù)據(jù)表，在20°C時(shí)電阻為126700Ω。為了確定熱敏電阻是否可以與控制器一起工作，我們需要知道偏置電流的可用范圍。使用歐姆定律來(lái)解決I BIAS，我們知道以下內(nèi)容：

V / R = I BIAS

0.25 / 126700 =2μA是范圍的最低端

5.0 / 126700 =39.5μA是最高端

是的，如果溫度控制器偏置電流可以設(shè)置在2μA和39.5μA之間，則此熱敏電阻將工作。

選擇熱敏電阻和偏置電流時(shí)，最好選擇產(chǎn)生電壓的范圍中間的電阻。控制器反饋輸入需要處于電壓狀態(tài)，該電壓源自熱敏電阻器電阻。

由于人們最容易與溫度相關(guān)，因此通常需要將電阻改變?yōu)闇囟取Ｓ糜趯崦綦娮杵麟娮柁D(zhuǎn)換為溫度的最準(zhǔn)確模型稱(chēng)為Steinhart-Hart方程。

STEINHART-HART方程

Steinhart-Hart方程是在計(jì)算機(jī)無(wú)處不在時(shí)開(kāi)發(fā)的模型，大多數(shù)數(shù)學(xué)計(jì)算都是使用幻燈片規(guī)則和其他數(shù)學(xué)輔助工具完成的，例如超越函數(shù)表。該方程式被開(kāi)發(fā)為一種簡(jiǎn)單方法，可以輕松，更精確地對(duì)熱敏電阻溫度進(jìn)行建模。

Steinhart-Hart方程公式：

1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）2 + D（lnR）3 + E（lnR）4 。。。

其中：

T是溫度，以開(kāi)爾文（K，開(kāi)爾文=攝氏+ 273.15）

R是T處的電阻，歐姆（Ω）

A，B，C，D和E是Steinhart-Hart系數(shù)，根據(jù)類(lèi)型而變化使用的熱敏電阻和檢測(cè)的溫度范圍。

ln是自然日志，或登錄到Napierian基地2.71828

這些術(shù)語(yǔ)可以無(wú)限延續(xù)，但由于誤差很小，方程在立方項(xiàng)后被截?cái)啵椒巾?xiàng)被消除，因此使用的標(biāo)準(zhǔn)Steinhart-Hart方程如下：

1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）3

計(jì)算機(jī)程序的樂(lè)趣之一是，需要幾天甚至幾周才能解決的方程式可以在瞬間完成。在任何搜索引擎中輸入“Steinhart-Hart方程計(jì)算器”，并返回在線計(jì)算器鏈接頁(yè)面。

STEINHART-HART方程如何使用

該等式更精確地計(jì)算熱敏電阻的實(shí)際電阻隨溫度的變化。溫度范圍越窄，電阻計(jì)算就越準(zhǔn)確。大多數(shù)熱敏電阻制造商提供典型溫度范圍的A，B和C系數(shù)。
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