什么是熱敏電阻
熱敏電阻是電阻溫度計或電阻，電阻取決于溫度。該術(shù)語是“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)氧樹脂或玻璃）封裝。
熱敏電阻有兩種類型：負溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）。使用NTC熱敏電阻時，溫度升高時，電阻減小。相反，當溫度降低時，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。當溫度升高時，電阻增加，而當溫度降低時，電阻降低。這種類型的熱敏電阻通常用作保險絲。
通常，熱敏電阻在目標溫度附近約50ºC的有限溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度。該范圍取決于基極電阻。
熱敏電阻符號為：
圖1：熱敏電阻符號—美國和日本
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，價格便宜，堅固耐用，并且可以預測溫度變化。盡管它們在過熱或過冷的溫度下均無法很好地工作，但它們是在所需基點測量溫度的應用中的首選傳感器。當需要非常精確的溫度時，它們是理想的選擇。
熱敏電阻的一些最常見用途是在數(shù)字溫度計，用于測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電路以確保安全的任何應用中操作。對于更復雜的應用，例如激光穩(wěn)定檢測器，光學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)置的標準是10kΩ熱敏電阻。
熱敏電阻如何“讀取”溫度？
熱敏電阻實際上并不“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)系的圖形上的點將不會形成直線。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。
相對成本：將這些傳感器相互比較的相對成本。例如，熱敏電阻相對于RTD便宜，部分原因是RTD選擇的材料是鉑。
時間常數(shù)：從一個溫度值變?yōu)榱硪粋€溫度值所需的大概時間。這是熱敏電阻從初始讀數(shù)到最終讀數(shù)達到溫度差的63.2％所需的時間（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：對溫度變化的響應程度。
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)測溫度的設(shè)備最大程度地接觸。無論熱敏電阻的類型如何，都必須使用高導熱膠或環(huán)氧樹脂膠來建立與被??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打開或關(guān)閉以保持傳感器的溫度。
有三個主要部件用于調(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，而導線則連接到溫度控制器上。溫度控制器還通過電子方式連接到Peltier設(shè)備，從而加熱和冷卻目標設(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。控制器無法讀取電阻，因此它必須通過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)中的位置會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。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，但也可以使用導熱膠或膠水將其連接。即使設(shè)備是嵌入式的，也應使用導熱膏或膠水消除氣隙。
下圖顯示了兩個熱敏電阻，一個直接連接到設(shè)備，另一個遠離或遠離設(shè)備。如果傳感器距離設(shè)備太遠，則熱滯后時間會大大降低溫度測量的準確性，而將熱敏電阻距離Peltier設(shè)備太遠則會降低穩(wěn)定性。
圖5：熱敏電阻位置
在下圖中，該圖說明了兩個熱敏電阻獲取的溫度讀數(shù)的差異。連接到設(shè)備的熱敏電阻對熱負荷的變化做出了快速反應，并記錄了準確的溫度。遠程熱敏電阻也做出了反應，但反應并不很快。更重要的是，讀數(shù)偏離了一半多一點。當需要精確的溫度時，這種差異會非常明顯。
圖6：熱敏電阻位置響應圖
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載的設(shè)定溫度。
應該使用哪個熱敏電阻電阻和偏置電流？
熱敏電阻按在室溫（25°C）下測得的電阻值分類。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？
熱敏電阻是測量環(huán)境溫度50°C以內(nèi)的單點溫度時的理想選擇。如果溫度過高或過低，熱敏電阻將無法工作。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，這不會轉(zhuǎn)換為準確的電壓變化。
最佳熱敏電阻范圍是多少？
取決于來自控制器的偏置電流，每個熱敏電阻都有一個最佳的有用范圍，即準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的偏置電流下，波長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，通過兩點之間的導體的電流與兩點之間的電勢差成正比，對于該偏置電流，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)生一個偏置電流，將熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換為可測量的電壓。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：
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，最好選擇一個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方程是在計算機不普及且大多數(shù)數(shù)學計算是使用計算尺和其他數(shù)學輔助工具（例如先驗函數(shù)表）進行開發(fā)時開發(fā)的模型。該方程式被開發(fā)為一種簡單的方法，可以輕松，更精確地對熱敏電阻溫度進行建模。
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，以開爾文為單位（K，開爾文=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到的溫度范圍。
ln是自然對數(shù)，或?qū)?shù)為Napierian基2.71828
項可以無限進行，但是由于誤差很小，因此在立方項和平方項被消除之后該方程將被截斷，因此使用的標準Steinhart-Hart方程是：
1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）3
計算機程序的樂趣之一是，需要花費數(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方程計算器”，然后返回到在線計算器的鏈接頁面。
STEINHART-HART方程如何使用？
該公式可以更精確地計算熱敏電阻的實際電阻隨溫度的變化。溫度范圍越窄，電阻計算將越精確。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？
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）擔任研究人員時，首先在一份名為《熱敏電阻的校準曲線》的論文中開發(fā)并發(fā)表了斯坦·哈特方程式。Steinhart繼續(xù)擔任威斯康星大學麥迪遜分校的地質(zhì)與地球物理學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科學家。
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，并且會對很小的溫度變化做出反應。當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，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，它們可以測量液體，氣體或固體。
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