熱敏電阻是非常精確的熱傳感器，通過其電阻來指示溫度。如果將熱敏電阻用作傳感器，只需施加電壓、測量電流、然后將電阻轉(zhuǎn)換成溫度即可測量溫度。然而，熱敏電阻也可以用作電路中的可變電阻，通過增加或減小電阻來影響行為，具體情況取決于溫度系數(shù)是正還是負(fù)。

 

對溫度變化作出響應(yīng)需要時(shí)間，而測量該響應(yīng)的主要參數(shù)是熱時(shí)間常數(shù)(TTC)。熱敏電阻的材料和組裝對熱時(shí)間常數(shù)有重大影響，因此Ametherm的工程師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，以揭示熱時(shí)間常數(shù)的變化程度。然后我們會在實(shí)際應(yīng)用中看到熱時(shí)間常數(shù)會產(chǎn)生怎樣的影響。

 

結(jié)構(gòu)影響熱時(shí)間常數(shù)

 

熱時(shí)間常數(shù)是一種固有的器件特性，與環(huán)境變化率無關(guān)。在測量熱時(shí)間常數(shù)時(shí)，需要應(yīng)用溫度變化，但如果變化太慢，那么您測量的將是環(huán)境溫度的變化率，而不是傳感器的響應(yīng)。因此，使用盡可能接近瞬間的溫度變化非常重要。

 

在整個(gè)響應(yīng)過程中，響應(yīng)速率不斷發(fā)生變化，隨著器件在新溫度下接近穩(wěn)態(tài)而逐漸減慢。等到達(dá)到真正的穩(wěn)定狀態(tài)后才能使困難的測量實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，因此將熱時(shí)間常數(shù)定義為溫度達(dá)到1/e或剛好超過完全過渡的63%所需的時(shí)間。

 

圖1：熱時(shí)間常數(shù)測量過渡為63.2%時(shí)的響應(yīng)。藍(lán)色曲線表示從冷到熱的過渡，綠色曲線表示從熱到冷的過渡。

 

有幾個(gè)變量會影響熱時(shí)間常數(shù)：

 

• 熱敏電阻的質(zhì)量

• 熱敏電阻的形狀（表面積與體積）

• 封裝所用的灌封材料

• 封裝熱敏電阻的外殼

• “環(huán)境”即熱敏電阻工作的氣體或液體的性質(zhì)

• 測量熱時(shí)間常數(shù)所用的方法

 

如果我們是將不同的熱敏電阻材料進(jìn)行比較，那么材料的比熱以及溫度系數(shù)（正或負(fù)）也會產(chǎn)生影響。由于測量的所有器件都是燒結(jié)的過渡金屬氧化物（NTC材料），因此我們不考慮這些因素。燒結(jié)通過封閉不同氧化物顆粒之間的孔來影響電阻率和電阻溫度曲線的斜率以及穩(wěn)定性。

 

測量方法至關(guān)重要，因此在比較不同熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)時(shí)，要確保使用相同的測量方法，這一點(diǎn)極為重要。用絕對時(shí)間表示熱時(shí)間常數(shù)。因此，例如，如果某個(gè)器件的溫度變化為0?C至100°C，而另一個(gè)器件的溫度變化只有該變化的一半，那么第一個(gè)器件（即使它與第二個(gè)器件完全相同）的測得熱時(shí)間常數(shù)會較短，因?yàn)闊釙r(shí)間常數(shù)是由溫差驅(qū)動(dòng)的。

 

Ametherm研究的兩個(gè)主要變量是芯片尺寸（它影響質(zhì)量和形狀）和封裝類型。第一個(gè)變量取決于傳感器本身，第二個(gè)變量則取決于傳感器周圍的材料。

 

測量設(shè)置影響熱時(shí)間常數(shù)

 

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)真控制測量技術(shù)，確保測得熱時(shí)間常數(shù)的差異真實(shí)反映熱敏電阻的差異，而不會因測試方法的改變而影響測量?？紤]因素包括：

 

• 進(jìn)行測量的環(huán)境

• 環(huán)境中的氣流或液流（它通過將熱量導(dǎo)向或遠(yuǎn)離被測設(shè)備來影響測量）

• 改變溫度的方式：改變某個(gè)環(huán)境溫度所需的時(shí)間太長，人為地延長了測得的熱時(shí)間常數(shù)。為了模擬盡可能接近瞬時(shí)的改變，更為有效的做法是讓兩種介質(zhì)處于兩個(gè)不同的溫度，然后將熱敏電阻從一種介質(zhì)快速移入另一種介質(zhì)。與熱時(shí)間常數(shù)的值相比，熱敏電阻的前沿和后沿接觸新介質(zhì)之間的時(shí)間上的微小差異通常是無關(guān)緊要的（就如同毫秒與秒的差異）。

• 傳感器“負(fù)載”，即它所承載的電流。

 

Ametherm團(tuán)隊(duì)使用的設(shè)置包括所謂的斷頭臺測試儀。它起到支撐的作用（類似斷頭臺），將熱敏電阻固定在空中。空氣成為承載起始溫度的第一種介質(zhì)?？蛇M(jìn)行連接以便加載熱敏電阻，測試開始之后，將熱敏電阻放到受控溫度不同于空氣溫度的液體（在本案中為礦物油）中。

 

圖2：用于測試熱時(shí)間常數(shù)的斷頭臺設(shè)置。測試介質(zhì)將放置在它的下方，圖中未顯示。

 

放置之前熱敏電阻必須在空氣中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。浸入時(shí)間必須考慮由負(fù)載電流造成的自發(fā)熱。因此擬定：

 

• 讓個(gè)環(huán)境都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；加載器件，使其同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)

• 一旦達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，就開始測量

• 將該器件放到測試介質(zhì)中

• 隨著溫度變化測量響應(yīng)情況

 

測量結(jié)果

 

該團(tuán)隊(duì)首先比較了具有不同芯片尺寸的兩個(gè)熱敏電阻；其中一個(gè)的質(zhì)量是另一個(gè)的十倍。該測試將熱敏電阻從25°C的空氣中快速移入0°C的礦物油中。結(jié)果如下表所示。

 

 

正如預(yù)期的那樣，較大的質(zhì)量需要冷卻的時(shí)間較長，從而導(dǎo)致熱時(shí)間常數(shù)較長。過渡曲線如下面照片所示。

 

圖3：左圖是小熱敏電阻的響應(yīng)；右圖是大熱敏電阻的響應(yīng)。

 

接下來，使用質(zhì)量幾乎完全相同的熱敏電阻測試兩種不同類型的封裝。一個(gè)封裝在玻璃中，另一個(gè)封裝在黑色環(huán)氧樹脂中。進(jìn)行兩次測試，一次是冷卻，一次是加熱，結(jié)束溫度分別為9℃和41℃。結(jié)果如下表所示。

 

 

結(jié)果表明玻璃是比環(huán)氧樹脂更好的熱導(dǎo)體。響應(yīng)照片如下圖示。

 

圖4：玻璃封裝（上圖）和環(huán)氧樹脂封裝（下圖）從熱到冷以及從冷到熱的響應(yīng)。

 

這些測試強(qiáng)調(diào)，在為給定的熱時(shí)間常數(shù)選擇器件時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)和測試方法，以確保以后不會出現(xiàn)意外。

 

為什么熱時(shí)間常數(shù)至關(guān)重要

 

為了說明這個(gè)指標(biāo)為何如此重要，該團(tuán)隊(duì)整理了一個(gè)示例設(shè)計(jì)：火災(zāi)探測電路。這里的關(guān)鍵問題是，熱敏電阻變熱后需要多長時(shí)間才能確定出現(xiàn)了問題并發(fā)出警報(bào)？這種延遲是熱時(shí)間常數(shù)的正比例函數(shù)。

 

圖5：使用熱敏電阻檢測溫度的火警電路原理圖。如果溫度上升時(shí)電阻下降（負(fù)系數(shù)），則分壓器點(diǎn)向上移動(dòng)。在大約1.4V時(shí)，晶體管將接通，發(fā)出警報(bào)。熱時(shí)間常數(shù)確定電路作出響應(yīng)所需要的時(shí)間。

 

實(shí)際實(shí)施可能需要采取一種讓警報(bào)在一定溫度下靜音的方法。
 

熱敏電阻在該電路中的作用是作為分壓器中的上電阻。在這種情況下，您需要使用具有負(fù)溫度系數(shù)的器件，即電阻隨溫度升高而減小的器件。隨著上電阻的減小，分壓電壓上升，最終通過晶體管開啟警報(bào)。

 

在此類應(yīng)用中，人們會選擇具有低熱時(shí)間常數(shù)的熱敏電阻。當(dāng)火勢迅速升級時(shí)，幾秒鐘都至關(guān)重要；使用錯(cuò)誤的熱敏電阻可能會使生命或財(cái)產(chǎn)處于危險(xiǎn)境地。

 

選擇適合作業(yè)的熱時(shí)間常數(shù)

 

總之，熱時(shí)間常數(shù)是熱敏電阻的基本特性，必須根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行選擇。熱敏電阻的構(gòu)造（材料、尺寸和結(jié)構(gòu)）對熱時(shí)間常數(shù)有重大影響。熱時(shí)間常數(shù)的測量方法也會影響測得的熱時(shí)間常數(shù)值。選擇熱敏電阻時(shí)，重要的是要知道需要什么響應(yīng)并相應(yīng)地選擇熱敏電阻。當(dāng)比較熱敏電阻之間的熱時(shí)間常數(shù)時(shí)，確保它們在相同條件下進(jìn)行測量，這一點(diǎn)也很重要。

 

隨著傳感器的激增，熱敏電阻將面臨全新應(yīng)用與創(chuàng)新。選擇特性合適的熱敏電阻將有助于避免以后重新設(shè)計(jì)工作。

 

 

作者M(jìn)ehdi Samii目前擔(dān)任Ametherm的工程副總裁。他擁有物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

 

 

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