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4.6 热敏传感器 热敏传感器 半导体的电阻值随温度变化的传感器。 热敏传感器的种类较多，就其转换过程而言， 可分为两个过程： 1、将热传递给敏感元件，引起敏感元件自身温 度的变化； 2、 将自身温度的变化转换成电信号； 对热敏传感器，第一阶段转换过程均相同，仅 第二阶段有差异。下面对半导体热敏传感器的应用 作简要介绍。 一、热敏电阻的类型及特性 热敏电阻是由一些金属氧化物按不同比例经高 温烧结而成，然后制成各种不同形状的传感器。 热敏电阻作为温度敏感元件，主要用以测量温 度及与温度有关的各种物理量、成分量及状态量， 具有灵敏度高、重复性好、工艺性强及成本低等突 出的特点。 1、基本类型 按热敏电阻的热电特性(阻值与温度的关系)： a、负温度系数热敏电阻(NTC) b、正温度系数的热敏电阻(PTC) c、临界温度热敏电阻(CTR)。 2、基本特性 (1)零功率电阻值(R0) 在某一温度下，测量热敏电阻的阻值时，测量 引起该电阻的功耗与其自身的功耗相比小到可忽略 时阻值，称为零功率电阻值。 时的零功率电阻值称为热敏电阻的标称电 阻值或额定值。 (2) 热电特性 静止空气中测得的 热敏电阻的零功率电阻 值与温度间的特性。 PTC、NTC、CTR的 热电特性见图。 ? ①负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻率随温度 的增加均匀地减小，可用于温度测量。 ②当温度超过某一数值后，正温度系数热敏电 阻PTC的电阻率才随温度增加迅速增加。 ③当温度变化到某点时，临界温度系数热敏电 阻CTR电阻率产生突变。 ④PTC和CTR不能用于较宽温域的温度检测，但 在较窄的温域内却是良好的测温元件。并且CTR型热 敏电阻可以制成理想的控制开关。 图中曲线可用下式表示： A为绝对温度为T时的电阻值，A、B为由材料和 工艺决定的常数。 (3) 电阻一温度系数 零功率电阻相对变化率与产生这一变化的温度 增量之比，即： 式中，电阻一温度系数 与 成反比，这 说明热敏电阻在低温时的阻值很大。 (4) 工作温度范围 指零功率条件下热敏电阻可连续工作的温度范 围。不同类型或不同型号的热敏电阻，工作温度范 围不同，通常在产品说明书上给出。 (5) 时间常数 定义为：在零功率状态下，从某一特定的温度 突变到另一温度时，电阻体温度变化到两特定温度 之差的63.2％所需要的时间。通常，两个特定的温 度选100 ℃和0 ℃或85 ℃和25℃。 (6) 静态伏安特性 在静止空气中，达到热平衡的热敏电阻的两端 电压与稳定电流的关系。 PTC元件在电压较低时， 为直线段如NM段。当电压增 加到Um后，电压再增加，电 流反而减小，出现负特性， 见MO段。这是由于电压增加 引起元件温升致使阻值增加 大于电压增加速度的缘故。 NTC元件的伏安特性如图，电流较小时，曲线 遵守欧姆定律，直线 性较好。当电流达到 Im后，曲线出现非线 性，见MP段。若电流 继续增加，曲线出现 负特性，见PQ。这是 由于电流过大致使元 件自身发热导致阻值 减小的缘故。 二、热敏电阻的应用 1、简单的线性化电路--NTC电阻 如图该电路在测温 范围不太宽情况下，能 获得较满意的输出结果。 例：在测温0-100℃ 量程内，非线性误差约 为3℃ ，在50 ℃以内， 非线性误差为0.6℃，校 正电路中，R为需接入的校正电阻。Rt为热敏电阻。 2、热敏电阻的温度开关电路--NTC电阻 电路中，待控的温度门限值由电位器W进行设 定。J为继电器。 工作过程如下 ①实际温度小于设定值时，热敏电阻的阻值较 大，E点电位C点电位，三极管BG1导通，得VB≈VC， D点电位下降。 ②D点电位下降后，三极管BG2导通，继电器J 吸合进行加热，LED亮。 ③加热到一定温度后(电位器进行调节设定)， 热敏电阻阻值↓，相应的E点电位↓，BG1截止，此 时VD≈VCC，BG2截止，J断开，停止加热，LED灭。 小结 上述电路中采用的热敏电阻都具有NTC特性， 对具有正温度系数的热敏电阻，也有类似的电路。 热敏电阻在温度测量、温度控制及补偿中用得 较为广泛。 * NUST 自动化学院 *