NTC温度传感器特性.docx

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NTC温度传感器特性

NTC温度传感器

1．什么是线性NTC温度传感器？

  线性温度传感器就是线性化输出的负温度系数（简称NTC）热敏元件，它实际上是一种线性温度-电压转换元件，就是说在通过工作电流（100uA）的条件下，元件的电压值随温度呈线性变化，从而实现了非电量到电量的线性转换。

    2．线性NTC温度传感器的主要特点是什么？

    这种温度传感器其主要特点就是在工作温度范围内温度-电压关系为一直线，这对于二次开发测温、控温电路的设计，将无须线性化处理，就可以完成测温或控温电路的设计，从而简化仪表的设计和调试。

    3．线性NTC温度传感器的测温范围是如何规定的？

    就总的而言，测温范围可在-200～+200℃之间，但考虑实际的需要，一般无须如此宽的温度范围，因而规定三个不同的区段，以适应不同封装设计，同时在延长线的选用上亦有所不同。

而对于温度补偿专用的线性热敏元件，则只设定工作温度范围为-40℃～+80℃。

完全可以满足一般电路的温度补偿之用。

    4．延长线的选用应遵循什么原则？

    一般的在-200～+20℃、-50～+100℃宜选用普通双胶线；在100～200℃范围内应选用高温线。

    5．基准电压的含义是什么？

    基准电压是指传感器置于0℃的温场（冰水混合物），在通以工作电流（100μA）的条件下，传感器上的电压值。

实际上就是0点电压。

其表示符号为V（0），该值出厂时标定，由于传感器的温度系数S相同，则只要知道基准电压值V（0），即可求知任何温度点上的传感器电压值，而不必对传感器进行分度。

其计算公式为：

    V（T）=V（0）+S×T

    示例：

如基准电压V（0）=700mV；温度系数S=-2mV/℃，则在50℃时，传感器的输出电压V（50）=700—2×50=600（mV）。

这一点正是线性温度传感器优于其它温度传感器的可贵之处。

    6．温度系数S的含义是什么？

    温度系数S是指在规定的工作条件下，传感器的输出电压值的变化与温度变化的比值，即温度每变化1℃传感器的输出电压变化之值：

S=△V/△T（mV/℃）。

    温度系数是线性温度传感器做为温度测量元件的物理基础，其作用与热敏电阻的B值相似，这个参数在整个工作温度范围内是同一值，即-2mV/℃，而且各种型号的传感器也是同一值，这一点传统的热敏电阻温度传感器是无可比拟的。

    7．互换精度这一参数有什么意义？

    互换精度是指在同一工作条件下（同一工作电流、同一温场）对于同一个确定的理想拟合直线，每一只传感器的电压V（T）—温度T曲线与该直线的最大偏差，这个偏差通常按传感器的温度—电压转换系数S折合成温度来表示。

由于传感器的输出线性化及温度—电压转换系数相同，即在测温范围内全程互换，所以互换精度表示了基准电压值的离散程度，即用基准电压值的离散值折合成温度值的大小来描述整批传感器之间的互换程度。

一般分为三级：

I级的互换偏差不大于0.3℃;J级不大于0.5℃;K级不大于1.0℃。

    8．线性度的意义是什么？

    线性度是描述传感器的输出电压值随温度变化的线性程度，实际上也就是传感器输出电压在工作温度范围内相对于理想拟合直线的最大偏差。

一般情况下，其线性度的典型值为±0.5%，很显然传感器的线性度越高（其值越小），对于仪表的设计就越简单，在仪表的输入级完全不必采用线性化处理。

    9．为什么说线性温度传感器是规范化输出？

    所谓规范化输出，就是在0℃温度点上传感器在规定的工作条件下，输出的电压值仅限于某一小范围内，即使不互换，其基准电压值仅限定在690-7１0mV之间，这样在电路设计时，易于在宏观上把握传感器的输出情况，不论在桥路设计还是温度补偿，只要在690-7１0mV之间考虑，在调试中稍加调整即可。

而不象普通的热敏电阻由于型号不同，其阻值也不同，针对不同的型号，需进行不同的设计计算。

所以线性温度传感器的规范化输出，可以使仪表电路实现规范化设计。

    10．用户如何检验线性温度传感器？

    用户在购买传感器后，可在恒流的条件下，依温区的大小，采用两点或三点测试，以检验互换精度、线性度和温度系数。

一般情况下，最简单的检验方法只要检验基准电压值即可。

而所有电气参数，在交货时均有随货参数表（合格证），以提供该批传感器的详细参数指标。

     11．实际使用温度传感器是否一定要采用恒流源供电？

    一般情况下是不必要的，桥路恒压供电完全可以。

这是因为在100μA左右的电流条件下，传感器的温度—电压转换系数变化量很小，可以给一个实测数量级的概念：

    在100μA时S=-2mV/℃

    在40μA时S=-2.1mV/℃

    在1000μA时S=-1.9mV/℃

    而在实际的桥路恒压供电时,其电流变化不会有如此大的幅度。

    恒压供电时，传感器负载电阻值如何确定？

    恒压供电时，负载电阻接在电源与传感器正极之间，信号从传感器正极与负极之间输出，设计电阻值R时，以在0C时使传感器工作电流为100μA即可。

如传感器的基准电压为V（0）（mV），恒压源为VDD（mV），则R=（VDD-V（0））（mV）/0.1（mA）。

对于计算出的电阻值R，如果实际的电阻没有这种阻值，可就近阻值选用，对测温精度没有影响。

    12．线性温度补偿元件做为电路温度补偿有什么优越性？

    这主要考虑热敏元件的输出规范化及温度系数的一致性，便于设计。

另外，由于温度系数与晶体管电路中的晶体管基、射极电压的温度系数相同，做为稳定晶体管电路的工作点的基极偏流元件是非常合适的。

而将几只元件串联使用，可以通过并联电位器方式，通过电位器的调节出不同的温度系数，以实现精确的温度补偿作用。

这种温度系数可调的补偿元件，无须繁杂设计，对元件的工作电流也无严格要求，这也是这种线性热敏元件用于温度补偿的一大优点。

    13．稳定性的含义是什么？

    稳定性是指传感器的基准电压值年漂移量，这个漂移量再按温度—电压转换系数折合成温度值，即稳定性=±△V/S/年。

线性温度传感器的稳定性为±0.05℃/年。

这一参数描述了传感器在各种使用条件下保持原有特性的能力。

    14．长线传输对传感器信号是否有影响？

    应当说影响不大，一般情况下传输距离可达1000米以上。

如果距离再远，可以考虑将传感器输出的信号在当地转换成数字量，这样可以方便地实现更远距离的传输。

为什么说线性温度传感器是规范化输出？

所谓规范化输出，就是在0℃温度点上传感器在规定的工作条件下，输出的电压值仅限于某一小范围内，即使不互换，其基准电压值仅限定在690-7１0mV之间，这样在电路设计时，易于在宏观上把握传感器的输出情况，不论在桥路设计还是温度补偿，只要在690-7１0mV之间考虑，在调试中稍加调整即可。

而不象普通的热敏电阻由于型号不同，其阻值也不同，针对不同的型号，需进行不同的设计计算。

所以线性温度传感器的规范化输出，可以使仪表电路实现规范化设计。

恒压供电时，传感器负载电阻值如何确定？

恒压供电时，负载电阻接在电源与传感器正极之间，信号从传感器正极与负极之间输出，设计电阻值R时，以在0C时使传感器工作电流为100μA即可。

如传感器的基准电压为V（0）（mV），恒压源为VDD（mV），则R=（VDD-V（0））（mV）/0.1（mA）。

对于计算出的电阻值R，如果实际的电阻没有这种阻值，可就近阻值选用，对测温精度没有影响。

线性温度补偿元件做为电路温度补偿有什么优越性？

这主要考虑热敏元件的输出规范化及温度系数的一致性，便于设计。

另外，由于温度系数与晶体管电路中的晶体管基、射极电压的温度系数相同，做为稳定晶体管电路的工作点的基极偏流元件是非常合适的。

而将几只元件串联使用，可以通过并联电位器方式，通过电位器的调节出不同的温度系数，以实现精确的温度补偿作用。

这种温度系数可调的补偿元件，无须繁杂设计，对元件的工作电流也无严格要求，这也是这种线性热敏元件用于温度补偿的一大优点。

一、测量标称电阻值Rt

 　用万用表测量NTC热敏电阻的方法与测量普通固定电阻的方法相同，即按NTC热敏电阻的标称阻值选择合适的电阻挡可直接测出Rt的实际值。

但因NTC热敏电阻对温度很敏感，故测试时应注意以下几点：

      1、由标称阻值Rt的定义可知，此值是生产厂家在环境温度为25℃时所测得的。

所以用万用表测量Rt时，亦应在环境温度接近25℃时进行，以保证测试的可信度。

      2、测量功率不得超过规定值，以免电流热效应引起测量误差。

例如，MF12-1型NTC热敏电阻，其额定功率为1W，测量功率P1＝0.2mW。

假定标称电阻值Rt为1kΩ，则测试电流：

      显然使用R×lk挡比较合适，该挡满度电流Im通常为几十至一百几十微安。

例如多用的500型万用表R×1k挡的Im＝150uA，与141uA很接近。

      3、注意正确操作。

测试时，不要用于捏住热敏电阻体，以防止人体温度对测试产生影响。

二、估测温度系数αt　

      先在室温t1下测得电阻值Rt1；再用电烙铁作热源，靠近热敏电阻Rt1，测出电阻值Rt2，同时用温度计测出此时热敏电阻RT表面的平均温度t2。

将所测得的结果输入下式：

      αt≈（Rt2-Rt1）/[Rt1（t2-t1）]       

      NTC热敏电阻的αt＜0。

      注意事项：

      1、给热敏电阻加热时，宜用20W左右的小功率电烙铁，且烙铁头不要直接去接触热敏电阻或靠的太近，以防损坏热敏电阻。

      2、若测得的αt＞0，则表明该热敏电阻不是NTC而是FTC。

NTC负温度系数热敏电阻工作原理

NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写,意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。

它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。

温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。

NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

NTC负温度系数热敏电阻专业术语

零功率电阻值RT（Ω）

RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。

电阻值和温度变化的关系式为：

RT=RNexpB（1/T–1/TN）

RT：

在温度T（K）时的NTC热敏电阻阻值。

RN：

在额定温度TN（K）时的NTC热敏电阻阻值。

T：

规定温度（K）。

B：

NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。

exp：

以自然数e为底的指数（e=2.71828…）。

该关系式是经验公式，只在额定温度TN或额定电阻阻值RN的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B本身也是温度T的函数。

额定零功率电阻值R25（Ω）

根据国标规定，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。

通常所说NTC热敏电阻多少阻值，亦指该值。

材料常数（热敏指数）B值（K）

B值被定义为：

RT1：

温度T1（K）时的零功率电阻值。

RT2：

温度T2（K）时的零功率电阻值。

T1，T2：

两个被指定的温度（K）。

对于常用的NTC热敏电阻，B值范围一般在2000K～6000K之间。

零功率电阻温度系数（αT）

在规定温度下，NTC热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。

αT：

温度T（K）时的零功率电阻温度系数。

RT：

温度T（K）时的零功率电阻值。

T：

温度（T）。

B：

材料常数。

耗散系数（δ）

在规定环境温度下，NTC热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。

 δ：

NTC热敏电阻耗散系数，（mW/K）。

△P：

NTC热敏电阻消耗的功率（mW）。

△T：

NTC热敏电阻消耗功率△P时，电阻体相应的温度变化（K）。

热时间常数（τ）

在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的63.2%时所需的时间，热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。

τ：

热时间常数（S）。

C：

NTC热敏电阻的热容量。

δ：

NTC热敏电阻的耗散系数。

额定功率Pn

在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。

在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。

最高工作温度Tmax

在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。

即:

T0-环境温度。

测量功率Pm

热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。

一般要求阻值变化大于0.1%，则这时的测量功率Pm为：

电阻温度特性

NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示：

式中：

RT：

温度T时零功率电阻值。

A：

与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。

B：

B值。

T：

温度（k）。

更精确的表达式为：

式中：

RT：

热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值。

　　　T：

为绝对温度值，K；

　　　A、B、C、D：

为特定的常数。

热敏电阻的基本特性

电阻－温度特性

热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用式1表示。

（式1）R=Roexp{B（I/T-I/To）}

R

:

温度T（K）时的电阻值

Ro

:

温度T0（K）时的电阻值

B

:

B值

*T（K）=t（ºC）+273.15

但实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/°C。

因此在较大的温度范围内应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。

此处，若将式1中的B值用式2所示的作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。

（式2）BT=CT2+DT+E

上式中，C、D、E为常数。

另外，因生产条件不同造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D不变。

因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。

＆#8226; 常数C、D、E的计算

常数C、D、E可由4点的（温度、电阻值）数据（T0,R0）.（T1,R1）.（T2,R2）and（T3,R3），通过式3～6计算。

首先由式样3根据T0和T1,T2,T3的电阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式样。

＆#8226; 电阻值计算例

试根据电阻－温度特性表，求25°C时的电阻值为5（kΩ），B值偏差为50（K）的热敏电阻在10°C～30°C的电阻值。

＆#8226; 步骤

（1）根据电阻－温度特性表，求常数C、D、E。

To=25+273.15   T1=10+273.15   T2=20+273.15   T3=30+273.15

（2）代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。

（3）将数值代入R=5exp{（BTI/T-I/298.15）}，求R。

*T:

10+273.15～30+273.15＆#8226; 电阻－温度特性图如图1所示

电阻温度系数

所谓电阻温度系数（α），是指在任意温度下温度变化1°C（K）时的零负载电阻变化率。

电阻温度系数（α）与B值的关系，可将式1微分得到。

这里α前的负号（－），表示当温度上升时零负载电阻降低。

散热系数（JIS-C2570）

散热系数（δ）是指在热平衡状态下，热敏电阻元件通过自身发热使其温度上升1°C时所需的功率。

在热平衡状态下，热敏电阻的温度T1、环境温度T2及消耗功率P之间关系如下式所示。

产品目录记载值为下列测定条件下的典型值。

（1）

25°C静止空气中。

（2）

轴向引脚、经向引脚型在出厂状态下测定。

额定功率（JIS-C2570）

在额定环境温度下，可连续负载运行的功率最大值。

产品目录记载值是以25°C为额定环境温度、由下式计算出的值。

（式）额定功率=散热系数×（最高使用温度－25）

最大运行功率

最大运行功率=t×散热系数…（3.3）

这是使用热敏电阻进行温度检测或温度补偿时，自身发热产生的温度上升容许值所对应功率。

（JIS中未定义。

）容许温度上升t°C时，最大运行功率可由下式计算。

应环境温度变化的热响应时间常数（JIS-C2570）

指在零负载状态下，当热敏电阻的环境温度发生急剧变化时，热敏电阻元件产生最初温度与最终温度两者温度差的63.2%的温度变化所需的时间。

热敏电阻的环境温度从T1变为T2时，经过时间t与热敏电阻的温度T之间存在以下关系。

T=

（T1-T2）exp（-t/τ）+T2......（3.1）

（T2-T1）{1-exp（-t/τ）}+T1.....（3.2）

常数τ称热响应时间常数。

上式中，若令t=τ时，则（T-T1）/（T2-T1）=0.632。

换言之，如上面的定义所述，热敏电阻产生初始温度差63.2%的温度变化所需的时间即为热响应时间常数。

经过时间与热敏电阻温度变化率的关系如下表所示。

产品目录记录值为下列测定条件下的典型值。

（1）

静止空气中环境温度从50°C至25°C变化时，热敏电阻的温度变化至34.2°C所需时间。

（2）

轴向引脚、径向引脚型在出厂状态下测定。

另外应注意，散热系数、热响应时间常数随环境温度、组装条件而变化。