什么是熱敏電阻
熱敏電阻是電阻溫度計(jì)或電阻，電阻取決于溫度。該術(shù)語(yǔ)是“熱”和“電阻”的組合。它由金屬氧化物制成，壓制成珠，盤或圓柱形狀，然后用不可滲透的材料（例如環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃）封裝。
熱敏電阻有兩種類型：負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）。使用NTC熱敏電阻時(shí)，溫度升高時(shí)，電阻減小。相反，當(dāng)溫度降低時(shí)，電阻增加。此類熱敏電阻使用最多。
PTC熱敏電阻的工作原理略有不同。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50ºC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)為：
圖1：熱敏電阻符號(hào)—美國(guó)和日本
T旁的箭頭表示電阻隨溫度變化。箭頭或條的方向不重要。
熱敏電阻易于使用，價(jià)格便宜，堅(jiān)固耐用，并且可以預(yù)測(cè)溫度變化。盡管它們?cè)谶^(guò)熱或過(guò)冷的溫度下均無(wú)法很好地工作，但它們是在所需基點(diǎn)測(cè)量溫度的應(yīng)用中的首選傳感器。當(dāng)需要非常精確的溫度時(shí)，它們是理想的選擇。
熱敏電阻的一些最常見(jiàn)用途是在數(shù)字溫度計(jì)，用于測(cè)量油和冷卻液溫度的汽車中以及在烤箱和冰箱等家用電器中，但它們也廣泛用于需要加熱或冷卻保護(hù)電路以確保安全的任何應(yīng)用中操作。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，例如激光穩(wěn)定檢測(cè)器，光學(xué)模塊和電荷耦合器件，內(nèi)置熱敏電阻。例如，激光封裝中內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)是10kΩ熱敏電阻。
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變化。電阻變化多少取決于熱敏電阻中使用的材料類型。
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)系的圖形上的點(diǎn)將不會(huì)形成直線。線路的位置及其變化量取決于熱敏電阻的結(jié)構(gòu)。典型的熱敏電阻圖如下所示：
溫度范圍：可以使用傳感器類型的大致溫度范圍。在給定的溫度范圍內(nèi)，某些傳感器的性能要優(yōu)于其他傳感器。
相對(duì)成本：將這些傳感器相互比較的相對(duì)成本。例如，熱敏電阻相對(duì)于RTD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)溫度值變?yōu)榱硪粋€(gè)溫度值所需的大概時(shí)間。這是熱敏電阻從初始讀數(shù)到最終讀數(shù)達(dá)到溫度差的63.2％所需的時(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。
可以使用哪些熱敏電阻形狀？
熱敏電阻具有多種形狀，包括磁盤，芯片，磁珠或棒狀，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，酚醛烤漆或油漆中。最佳形狀通常取決于要監(jiān)視的材料，例如固體，液體或氣體。
例如，磁珠熱敏電阻是嵌入設(shè)備的理想選擇，而桿，盤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。熱敏電阻的形狀很多很多，例如：
圖3：熱敏電阻類型
選擇一種形狀，以使其與要監(jiān)測(cè)溫度的設(shè)備最大程度地接觸。無(wú)論熱敏電阻的類型如何，都必須使用高導(dǎo)熱膠或環(huán)氧樹(shù)脂膠來(lái)建立與被??監(jiān)控設(shè)備的連接。通常重要的是，這種糊劑或膠水不導(dǎo)電。
熱敏電阻在受控系統(tǒng)中如何工作？
熱敏電阻的主要用途是測(cè)量設(shè)備的溫度。在溫度控制系統(tǒng)中，熱敏電阻是大型系統(tǒng)中很小但很重要的部分。溫度控制器監(jiān)視熱敏電阻的溫度。然后，它告訴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。
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，溫度控制器和珀耳帖設(shè)備（在此標(biāo)記為TEC或熱電冷卻器）。傳感器頭連接到需要保持特定溫度以冷卻設(shè)備的冷卻板上，而導(dǎo)線則連接到溫度控制器上。溫度控制器還通過(guò)電子方式連接到Peltier設(shè)備，從而加熱和冷卻目標(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。傳感器上流過(guò)少量電流，稱為偏置電流，該電流由溫度控制器發(fā)送。控制器無(wú)法讀取電阻，因此它必須通過(guò)使用電流源在熱敏電阻上施加偏置電流以產(chǎn)生控制電壓，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。
溫度控制器是此操作的大腦。它獲取傳感器信息，將其與要冷卻的設(shè)備所需的信息（稱為設(shè)定值）進(jìn)行比較，并調(diào)整流經(jīng)Peltier設(shè)備的電流以更改溫度以符合設(shè)定值。
熱敏電阻在系統(tǒng)中的位置會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了獲得最佳穩(wěn)定性，需要將熱敏電阻放置在盡可能靠近熱電或電阻加熱器的位置。為了獲得最佳精度，熱敏電阻必須靠近需要溫度控制的設(shè)備。理想情況下，熱敏電阻嵌入設(shè)備中，但也可以使用導(dǎo)熱膠或膠水將其連接。即使設(shè)備是嵌入式的，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，另一個(gè)遠(yuǎn)離或遠(yuǎn)離設(shè)備。如果傳感器距離設(shè)備太遠(yuǎn)，則熱滯后時(shí)間會(huì)大大降低溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，而將熱敏電阻距離Peltier設(shè)備太遠(yuǎn)則會(huì)降低穩(wěn)定性。
圖5：熱敏電阻位置
在下圖中，該圖說(shuō)明了兩個(gè)熱敏電阻獲取的溫度讀數(shù)的差異。連接到設(shè)備的熱敏電阻對(duì)熱負(fù)荷的變化做出了快速反應(yīng)，并記錄了準(zhǔn)確的溫度。遠(yuǎn)程熱敏電阻也做出了反應(yīng)，但反應(yīng)并不很快。更重要的是，讀數(shù)偏離了一半多一點(diǎn)。當(dāng)需要精確的溫度時(shí)，這種差異會(huì)非常明顯。
圖6：熱敏電阻位置響應(yīng)圖
一旦選擇了傳感器的位置，則需要配置系統(tǒng)的其余部分。這包括確定基本熱敏電阻電阻，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。
應(yīng)該使用哪個(gè)熱敏電阻電阻和偏置電流？
熱敏電阻按在室溫（25°C）下測(cè)得的電阻值分類。需要保持溫度的設(shè)備具有由制造商確定的最佳使用的某些技術(shù)規(guī)格。在選擇傳感器之前，必須先識(shí)別這些。因此，重要的是要了解以下內(nèi)容：
設(shè)備的最高和最低溫度是多少？
熱敏電阻是測(cè)量環(huán)境溫度50°C以內(nèi)的單點(diǎn)溫度時(shí)的理想選擇。如果溫度過(guò)高或過(guò)低，熱敏電阻將無(wú)法工作。盡管有例外，但大多數(shù)熱敏電阻在-55°C至+ 114°C的溫度范圍內(nèi)效果最佳。
由于熱敏電阻是非線性的，這意味著電阻溫度值在圖表上以曲線而不是直線的形式繪制，因此無(wú)法正確記錄非常高或非常低的溫度。例如，在非常高的溫度下，很小的變化將記錄可忽略的電阻變化，這不會(huì)轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的電壓變化。
最佳熱敏電阻范圍是多少？
取決于來(lái)自控制器的偏置電流，每個(gè)熱敏電阻都有一個(gè)最佳的有用范圍，即準(zhǔn)確記錄溫度微小變化的溫度范圍。
下表顯示了在兩種最常見(jiàn)的偏置電流下，波長(zhǎng)熱敏電阻的最有效溫度范圍。
圖7：熱敏電阻選擇表
最好選擇設(shè)定溫度在范圍中間的熱敏電阻。熱敏電阻的靈敏度取決于溫度。例如，與Wavelength的TCS10K5 10kΩ熱敏電阻一樣，熱敏電阻在較涼的溫度下可能比在較熱的溫度下更敏感。對(duì)于TCS10K5，靈敏度在0°C至1°C之間為每攝氏度162 mV，在25°C至26°C之間為43 mV /°C，在49°C至50°C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是多少？
傳感器反饋給溫度控制器的電壓極限由制造商規(guī)定。理想的情況是選擇熱敏電阻和偏置電流的組合，以產(chǎn)生溫度控制器允許范圍內(nèi)的電壓。
根據(jù)歐姆定律，電壓與電阻有關(guān)。該方程式用于確定所需的偏置電流。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)之間的電勢(shì)差成正比，對(duì)于該偏置電流，可寫為：
V = I BIAS x R
其中：
V是電壓，以伏特（V）為單位
I BIAS是電流，以安培或安培（A）為單位
I BIAS表示電流是固定的
R是電阻，以歐姆（Ω）為單位
控制器產(chǎn)生一個(gè)偏置電流，將熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓。控制器將僅接受一定范圍的電壓。例如，如果控制器范圍為0至5 V，則熱敏電阻電壓必須不低于0.25 V，以便低端電噪聲不會(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），并且設(shè)備需要維持的溫度為20°C。根據(jù)TCS651數(shù)據(jù)表，該電阻在20°C下為126700Ω。為了確定熱敏電阻是否可以與控制器配合使用，我們需要知道偏置電流的可用范圍。使用歐姆定律求解I BIAS，我們知道以下幾點(diǎn)：
V / R = I 偏置
0.25 / 126700 = 2 µA是范圍的最低端
5.0 / 126700 = 39.5 µA是范圍的最高端
是的，如果溫度控制器偏置電流可以設(shè)置在2 µA至39.5 µA之間，則該熱敏電阻將起作用。
選擇熱敏電阻和偏置電流時(shí)，最好選擇一個(gè)電壓范圍處于中間范圍的電壓。控制器反饋輸入必須處于電壓狀態(tài)，該電壓取決于熱敏電阻的電阻。
由于人們最容易與溫度有關(guān)，因此經(jīng)常需要將電阻更改為溫度。用于將熱敏電阻電阻轉(zhuǎn)換為溫度的最精確模型稱為Steinhart-Hart方程。
什么是斯坦哈特方程式？
Steinhart-Hart方程是在計(jì)算機(jī)不普及且大多數(shù)數(shù)學(xué)計(jì)算是使用計(jì)算尺和其他數(shù)學(xué)輔助工具（例如先驗(yàn)函數(shù)表）進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)開(kāi)發(fā)的模型。該方程式被開(kāi)發(fā)為一種簡(jiǎn)單的方法，可以輕松，更精確地對(duì)熱敏電阻溫度進(jìn)行建模。
Steinhart-Hart方程為：
1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）2 + D（lnR）3 + E（lnR）4…
其中：
T是溫度，以開(kāi)爾文為單位（K，開(kāi)爾文=攝氏+ 273.15）
R是在T處的電阻，以歐姆（Ω）為單位
A，B，C，D和E是根據(jù)類型而變化的Steinhart-Hart系數(shù)所用熱敏電阻的阻值和檢測(cè)到的溫度范圍。
ln是自然對(duì)數(shù)，或?qū)?shù)為Napierian基2.71828
項(xiàng)可以無(wú)限進(jìn)行，但是由于誤差很小，因此在立方項(xiàng)和平方項(xiàng)被消除之后該方程將被截?cái)啵虼耸褂玫臉?biāo)準(zhǔn)Steinhart-Hart方程是：
1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）3
計(jì)算機(jī)程序的樂(lè)趣之一是，需要花費(fèi)數(shù)天（甚至數(shù)周）才能解決的方程式可以瞬間完成。在任何搜索引擎中鍵入“ Steinhart-Hart方程計(jì)算器”，然后返回到在線計(jì)算器的鏈接頁(yè)面。
STEINHART-HART方程如何使用？
該公式可以更精確地計(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)算將越精確。大多數(shù)熱敏電阻制造商都提供典型溫度范圍內(nèi)的A，B和C系數(shù)。
斯坦哈特和哈特是誰(shuí)？
約翰·S·斯坦哈特（Stanley Hart）和斯坦利·哈特（Stanley R. Hart）于1968年在華盛頓卡內(nèi)基研究所（Carnegie Institution of Washington）擔(dān)任研究人員時(shí)，首先在一份名為《熱敏電阻的校準(zhǔn)曲線》的論文中開(kāi)發(fā)并發(fā)表了斯坦·哈特方程式。Steinhart繼續(xù)擔(dān)任威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的地質(zhì)與地球物理學(xué)教授和海洋研究教授，Stanley R. Hart成為伍茲霍爾海洋研究所的高級(jí)科學(xué)家。
結(jié)論
熱敏電阻是隨溫度變化的電阻，其電阻隨溫度變化而變化。它們非常敏感，并且會(huì)對(duì)很小的溫度變化做出反應(yīng)。當(dāng)需要維持特定溫度以及監(jiān)視環(huán)境溫度在50°C以內(nèi)時(shí)，它們是最佳選擇。
作為溫度控制系統(tǒng)的一部分，熱敏電阻是測(cè)量和控制Peltier器件加熱和冷卻的最佳方法。它們以微小的增量進(jìn)行調(diào)整的能力使系統(tǒng)整體具有最大的穩(wěn)定性。熱敏電阻可以嵌入或表面安裝在需要溫度監(jiān)控的設(shè)備中。根據(jù)類型的不同，它們可以測(cè)量液體，氣體或固體。
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