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

 

對(duì)溫度變化作出響應(yīng)需要時(shí)間，而測(cè)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(duì)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(huì)在實(shí)際應(yīng)用中看到熱時(shí)間常數(shù)會(huì)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(wú)關(guān)。在測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(guò)完全過(guò)渡的63%所需的時(shí)間。

 

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

 

有幾個(gè)變量會(huì)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(cè)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(huì)產(chǎn)生影響。由于測(cè)量的所有器件都是燒結(jié)的過(guò)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(guò)封閉不同氧化物顆粒之間的孔來(lái)影響電阻率和電阻溫度曲線的斜率以及穩(wěn)定性。

 

測(cè)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(cè)量方法，這一點(diǎn)極為重要。用絕對(duì)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(cè)得熱時(shí)間常數(shù)會(huì)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(cè)量設(shè)置影響熱時(shí)間常數(shù)

 

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)真控制測(cè)量技術(shù)，確保測(cè)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(huì)因測(cè)試方法的改變而影響測(cè)量?？紤]因素包括：

 

• 進(jìn)行測(cè)量的環(huán)境

• 環(huán)境中的氣流或液流（它通過(guò)將熱量導(dǎo)向或遠(yuǎn)離被測(cè)設(shè)備來(lái)影響測(cè)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(zhǎng)，人為地延長(zhǎng)了測(cè)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(wú)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(tái)測(cè)試儀。它起到支撐的作用（類似斷頭臺(tái)），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(cè)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(cè)試熱時(shí)間常數(shù)的斷頭臺(tái)設(shè)置。測(cè)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(cè)量

• 將該器件放到測(cè)試介質(zhì)中

• 隨著溫度變化測(cè)量響應(yīng)情況

 

測(cè)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(cè)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(zhǎng)，從而導(dǎo)致熱時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)。過(guò)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(lái)，使用質(zhì)量幾乎完全相同的熱敏電阻測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試方法，以確保以后不會(huì)出現(xiàn)意外。

 

為什么熱時(shí)間常數(shù)至關(guān)重要

 

為了說(shuō)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(cè)電路。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是，熱敏電阻變熱后需要多長(zhǎng)時(shí)間才能確定出現(xiàn)了問(wèn)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(cè)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(guò)晶體管開啟警報(bào)。

 

在此類應(yīng)用中，人們會(huì)選擇具有低熱時(shí)間常數(shù)的熱敏電阻。當(dāng)火勢(shì)迅速升級(jí)時(shí)，幾秒鐘都至關(guān)重要；使用錯(cuò)誤的熱敏電阻可能會(huì)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(duì)熱時(shí)間常數(shù)有重大影響。熱時(shí)間常數(shù)的測(cè)量方法也會(huì)影響測(cè)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?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行測(cè)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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