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熱敏電阻的主要特點是:

①靈敏度較高,其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10~100倍以上,能檢測出10-6℃的溫度變化;

②工作溫度范圍寬,常溫器件適用于-55℃~315℃,高溫器件適用溫度高于315℃(目前最高可達到2000℃),低溫器件適用于-273℃~-55℃;

③體積小,能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度;

④使用方便,電阻值可在0.1~100kΩ間任意選擇;

⑤易加工成復(fù)雜的形狀,可大批量生產(chǎn);

⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。

熱敏電阻將長期處于不動作狀態(tài);當(dāng)環(huán)境溫度和電流處于c區(qū)時,熱敏電阻的散熱功率與發(fā)熱功率接近,因而可能動作也可能不動作。熱敏電阻在環(huán)境溫度相同時,動作時間隨著電流的增加而急劇縮短;熱敏電阻在環(huán)境溫度相對較高時具有更短的動作時間和較小的維持電流及動作電流。

1、ptc效應(yīng)是一種材料具有ptc(positive temperature coefficient)效應(yīng),即正溫度系數(shù)效應(yīng),僅指此材料的電阻會隨溫度的升高而增加。如大多數(shù)金屬材料都具有ptc效應(yīng)。在這些材料中,ptc效應(yīng)表現(xiàn)為電阻隨溫度增加而線性增加,這就是通常所說的線性ptc效應(yīng)。

2、非線性ptc效應(yīng) 經(jīng)過相變的材料會呈現(xiàn)出電阻沿狹窄溫度范圍內(nèi)急劇增加幾個至十幾個數(shù)量級的現(xiàn)象,即非線性ptc效應(yīng),相當(dāng)多種類型的導(dǎo)電聚合體會呈現(xiàn)出這種效應(yīng),如高分子ptc熱敏電阻。這些導(dǎo)電聚合體對于制造過電流保護裝置來說非常有用。

3、高分子ptc熱敏電阻用于過流保護 高分子ptc熱敏電阻又經(jīng)常被人們稱為自恢復(fù)保險絲(下面簡稱為熱敏電阻),由于具有獨特的正溫度系數(shù)電阻特性,因而極為適合用作過流保護器件。熱敏電阻的使用方法象普通保險絲一樣,是串聯(lián)在電路中使用。

當(dāng)電路正常工作時,熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小,串聯(lián)在電路中不會阻礙電流通過;而當(dāng)電路因故障而出現(xiàn)過電流時,熱敏電阻由于發(fā)熱功率增加導(dǎo)致溫度上升,當(dāng)溫度超過開關(guān)溫度(ts,見圖1)時,電阻瞬間會劇增,回路中的電流迅速減小到安全值.為熱敏電阻對交流電路保護過程中電流的變化示意圖。熱敏電阻動作后,電路中電流有了大幅度的降低,圖中t為熱敏電阻的動作時間。由于高分子ptc熱敏電阻的可設(shè)計性好,可通過改變自身的開關(guān)溫度(ts)來調(diào)節(jié)其對溫度的敏感程度,因而可同時起到過溫保護和過流保護兩種作用,如kt16-1700dl規(guī)格熱敏電阻由于動作溫度很低,因而適用于鋰離子電池和鎳氫電池的過流及過溫保護。環(huán)境溫度對高分子ptc熱敏電阻的影響 高分子ptc熱敏電阻是一種直熱式、階躍型熱敏電阻,其電阻變化過程與自身的發(fā)熱和散熱情況有關(guān),因而其維持電流(ihold)、動作電流(itrip)及動作時間受環(huán)境溫度影響。當(dāng)環(huán)境溫度和電流處于a區(qū)時,熱敏電阻發(fā)熱功率大于散熱功率而會動作;當(dāng)環(huán)境溫度和電流處于b區(qū)時發(fā)熱功率小于散熱功率,高分子ptc熱敏電阻由于電阻可恢復(fù),因而可以重復(fù)多次使用。圖6為熱敏電阻動作后,恢復(fù)過程中電阻隨時間變化的示意圖。電阻一般在十幾秒到幾十秒中即可恢復(fù)到初始值1.6倍左右的水平,此時熱敏電阻的維持電流已經(jīng)恢復(fù)到額定值,可以再次使用了。面積和厚度較小的熱敏電阻恢復(fù)相對較快;而面積和厚度較大的熱敏電阻恢復(fù)相對較慢。

熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似地用下式表示:R=R0exp{B(1/T-1/T0)}:R:溫度T(K)時的電阻值、Ro:溫度T0、(K)時的電阻值、B:B值、*T(K)=t(ºC)+273.15。實際上,熱敏電阻的B值并非是恒定的,其變化大小因材料構(gòu)成而異,最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用式1時,將與實測值之間存在一定誤差。此處,若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數(shù)計算時,則可降低與實測值之間的誤差,可認(rèn)為近似相等。

BT=CT2+DT+E,上式中,C、D、E為常數(shù)。另外,因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動會引起常數(shù)E發(fā)生變化,但常數(shù)C、D不變。因此,在探討B(tài)值的波動量時,只需考慮常數(shù)E即可。常數(shù)C、D、E的計算,常數(shù)C、D、E可由4點的(溫度、電阻值)數(shù)據(jù)(T0,R0).(T1,R1).(T2,R2)and(T3,R3),通過式3~6計算。首先由式樣3根據(jù)T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式樣。

電阻值計算例:試根據(jù)電阻-溫度特性表,求25°C時的電阻值為5(kΩ),B值偏差為50(K)的熱敏電阻在10°C~30°C的電阻值。
步驟
(1)根據(jù)電阻-溫度特性表,求常數(shù)C、D、E。To=25+273.15T1=10+273.15T2=20+273.15T3=30+273.15
(2)代入BT=CT2+DT+E+50,求BT。
(3)將數(shù)值代入R=5exp {(BT1/T-1/298.15)},求R。*T:10+273.15~30+273.15。

①標(biāo)稱阻值Rc:一般指環(huán)境溫度為25℃時熱敏電阻器的實際電阻值。②實際阻值RT:在一定的溫度條件下所測得的電阻值。

③材料常數(shù):它是一個描述熱敏電阻材料物理特性的參數(shù),也是熱靈敏度指標(biāo),B值越大,表示熱敏電阻器的靈敏度越高。應(yīng)注意的是,在實際工作時,B值并非一個常數(shù),而是隨溫度的升高略有增加。

④電阻溫度系數(shù)αT:它表示溫度變化1℃時的阻值變化率,單位為%/℃。

⑤時間常數(shù)τ:熱敏電阻器是有熱慣性的,時間常數(shù),就是一個描述熱敏電阻器熱慣性的參數(shù)。它的定義為,在無功耗的狀態(tài)下,當(dāng)環(huán)境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突然改變時,熱敏電阻體的溫度變化了兩個特定溫度之差的63.2%所需的時間。τ越小,表明熱敏電阻器的熱慣性越小。

⑥額定功率PM:在規(guī)定的技術(shù)條件下,熱敏電阻器長期連續(xù)負(fù)載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環(huán)境溫度超過 25℃,則必須相應(yīng)降低其負(fù)載。

⑦額定工作電流IM:熱敏電阻器在工作狀態(tài)下規(guī)定的名義電流值。

⑧測量功率PC:在規(guī)定的環(huán)境溫度下,熱敏電阻體受測試電流加熱而引起的阻值變化不超過0.1%時所消耗的電功率。

⑨最大電壓:對于NTC熱敏電阻器,是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下,不使熱敏電阻器引起熱失控所允許連續(xù)施加的最大直流電壓;對于PTC熱敏電阻器,是指在規(guī)定的環(huán)境溫度和靜止空氣中,允許連續(xù)施加到熱敏電阻器上并保證熱敏電阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流電壓。⑩最高工作溫度Tmax:在規(guī)定的技術(shù)條件下,熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。

⑾開關(guān)溫度tb:PTC熱敏電阻器的電阻值開始發(fā)生躍增時的溫度。

⑿耗散系數(shù)H:溫度增加1℃時,熱敏電阻器所耗散的功率,單位為mW/℃。

熱敏材料一般可分為半導(dǎo)體類、金屬類和合金類三類,現(xiàn)分別簡述如下。

半導(dǎo)體熱敏電阻材料

這類材料有單晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、玻璃半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體以及金屬氧化物等。它們均具有非常大的電阻溫度系數(shù)和高的龜阻率,用其制成的傳感器的靈敏度也相當(dāng)高。按電阻溫度系數(shù)也可分為負(fù)電阻溫度系數(shù)材料和正電阻溫度系數(shù)材料.在有限的溫度范圍內(nèi),負(fù)電阻溫度系數(shù)材料a可達-6*10-2/℃,正電阻溫度系數(shù)材料a可高達-60*10-2/℃以上。如飲酸鋇陶瓷就是一種理想的正電阻溫度系數(shù)的半導(dǎo)體材料。上述兩種材料均廣泛用于溫度測量、溫度控制、溫度補瞬、開關(guān)電路、過載保護以及時間延遲等方面,如分別用子制作熱敏電阻溫度計、熱敏電阻開關(guān)和熱敏電阻溫度計、熱敏電阻開關(guān)和熱敏電阻延遲繼電錯等。

這類材料由于電阻和流度呈指數(shù)關(guān)系,因此測溫范圍狹窄、均勻性也差。.

金屬熱敏電阻材料

此類材料作為熱電阻測溫、限流器以及自動恒溫加熱元件均有較為廣泛的應(yīng)用。如鉑電阻溫度計、鎳電阻溫度計、銅電阻溫度計等。其中鉑側(cè)溫傳感器在各種介質(zhì)中(包括腐蝕性介質(zhì)),表現(xiàn)出明顯的高精度和高穩(wěn)定的特征。但是,由于鉑的稀缺和價格昂貴而使它們的廣泛應(yīng)用受到一定的限制。銅測溫傳感器較便宜,但在腐蝕性介質(zhì)中長期使用,可導(dǎo)致靜態(tài)特性與阻值發(fā)生明顯變化。最近有資料報導(dǎo),銅測溫傳感器可在空氣介質(zhì)中-60~180℃溫度范圍使用。但是,國外為了在-60~180℃長期地測量溫度和在250℃短期測量溫度,普遍大量使用著鎳測溫傳感器,并認(rèn)為鎳是一種較理想的材料,因為它們具有高的靈敏度、滿意的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

合金熱敏電阻材料

合金熱敏電阻材料亦稱熱敏電阻合金。這種合金具有較高的電阻率,并且電阻值隨溫度的變化較為敏感,是一種制造溫敏傳感器的良好材料。作為溫敏傳感器的熱敏電阻合金性能要求如下:(1)足夠大的電阻率;(2)相當(dāng)高的電阻溫度系數(shù);(3)具有接近于實驗材料線膨脹系數(shù);(4)小的應(yīng)變靈敏系數(shù);(5)在工作溫度區(qū)間加熱和冷卻時,電阻溫度曲線應(yīng)有良好的重復(fù)性。

PTC

PTC(Positive Temperature CoeffiCient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料,可專門用作恒定溫度傳感器.該材料是以BaTiO3或SrTiO3或PBTiO3為主要成分的燒結(jié)體,其中摻入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導(dǎo)化,常將這種半導(dǎo)體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(dǎo)(體)瓷;同時還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物,采用一般陶瓷工藝成形、高溫?zé)�結(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化,從而得到正特性的熱敏電阻材料.其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結(jié)條件(尤其是冷卻溫度)不同而變化.

鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),是一種鐵電材料,純鈦酸鋇是一種絕緣材料.在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素,進行適當(dāng)熱處理后,在居里溫度附近,電阻率陡增幾個數(shù)量級,產(chǎn)生PTC效應(yīng),此效應(yīng)與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關(guān).鈦酸鋇半導(dǎo)瓷是一種多晶材料,晶粒之間存在著晶粒間界面.該半導(dǎo)瓷當(dāng)達到某一特定溫度或電壓,晶體粒界就發(fā)生變化,從而電阻急劇變化.

鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)起因于粒界(晶粒間界).對于導(dǎo)電電子來說,晶粒間界面相當(dāng)于一個勢壘.當(dāng)溫度低時,由于鈦酸鋇內(nèi)電場的作用,導(dǎo)致電子極容易越過勢壘,則電阻值較小.當(dāng)溫度升高到居里點溫度(即臨界溫度)附近時,內(nèi)電場受到破壞,它不能幫助導(dǎo)電電子越過勢壘.這相當(dāng)于勢壘升高,電阻值突然增大,產(chǎn)生PTC效應(yīng).鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)的物理模型有海望表面勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型,它們分別從不同方面對PTC效應(yīng)作出了合理解釋.

實驗表明,在工作溫度范圍內(nèi),PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示:

RT=RT0 expBp(T-T0)

式中RT、RT0表示溫度為T、T0時電阻值,Bp為該種材料的材料常數(shù).

PTC效應(yīng)起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質(zhì),并隨雜質(zhì)種類、濃度、燒結(jié)條件等而產(chǎn)生顯著變化.最近,進入實用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件,這是體型小且精度高的PTC熱敏電阻,由n型硅構(gòu)成,因其中的雜質(zhì)產(chǎn)生的電子散射隨溫度上升而增加,從而電阻增加.

PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn),隨后1954年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測量與控制,也用于汽車某部位的溫度檢測與調(diào)節(jié),還大量用于民用設(shè)備,如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度,利用本身加熱作氣體分析和風(fēng)速機等方面.下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應(yīng)用。

PTC熱敏電阻除用作加熱元件外,同時還能起到"開關(guān)"的作用,兼有敏感元件、加熱器和開關(guān)三種功能,稱之為"熱敏開關(guān)".電流通過元件后引起溫度升高,即發(fā)熱體的溫度上升,當(dāng)超過居里點溫度后,電阻增加,從而限制電流增加,于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低,電阻值的減小又使電路電流增加,元件溫度升高,周而復(fù)始,因此具有使溫度保持在特定范圍的功能,又起到開關(guān)作用.利用這種阻溫特性做成加熱源,作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等,還可對電器起到過熱保護作用.

NTC

NTC(Negative Temperature CoeffiCient)是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料.該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷,可制成具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻.其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化.現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料.

NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷,具有負(fù)的溫度系數(shù),電阻值可近似表示為:

Rt = RT *EXP(Bn*(1/T-1/T0)

式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值,Bn為材料常數(shù).陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化,這是由半導(dǎo)體特性決定的.

NTC熱敏電阻器的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的階段.1834年,科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負(fù)溫度系數(shù)的特性.1930年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有負(fù)溫度系數(shù)的性能,并將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中.隨后,由于晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展,熱敏電阻器的研究取得重大進展.1960年研制出了NTC熱敏電阻器.NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償?shù)确矫?下面介紹一個溫度測量的應(yīng)用實例.

它的測量范圍一般為-10~+300℃,也可做到-200~+10℃,甚至可用于+300~+1200℃環(huán)境中作測溫用.RT為NTC熱敏電阻器;R2和R3是電橋平衡電阻;R1為起始電阻;R4為滿刻度電阻,校驗表頭,也稱校驗電阻;R7、R8和W為分壓電阻,為電橋提供一個穩(wěn)定的直流電源.R6與表頭(微安表)串聯(lián),起修正表頭刻度和限制流經(jīng)表頭的電流的作用.R5與表頭并聯(lián),起保護作用.在不平衡電橋臂(即R1、RT)接入一只熱敏元件RT作溫度傳感探頭.由于熱敏電阻器的阻值隨溫度的變化而變化,因而使接在電橋?qū)�角線間的表頭指示也相應(yīng)變化.這就是熱敏電阻器溫度計的工作原理.

熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1℃,感溫時間可少至10s以下.它不僅適用于糧倉測溫儀,同時也可應(yīng)用于食品儲存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量.

CTR

臨界溫度熱敏電阻CTR(CritiCal Temperature Resistor)具有負(fù)電阻突變特性,在某一溫度下,電阻值隨溫度的增加激劇減小,具有很大的負(fù)溫度系數(shù).構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體,是半玻璃狀的半導(dǎo)體,也稱CTR為玻璃態(tài)熱敏電阻.驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變.這是由于不同雜質(zhì)的摻入,使氧化釩的晶格間隔不同造成的.若在適當(dāng)?shù)倪�原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩,則電阻急變溫度變大;若進一步還原為三氧化二釩,則急變消失.產(chǎn)生電阻急變的溫度對應(yīng)于半玻璃半導(dǎo)體物性急變的位置,因此產(chǎn)生半導(dǎo)體-金屬相移.CTR能夠作為控溫報警等應(yīng)用.

熱敏電阻的理論研究和應(yīng)用開發(fā)已取得了引人注目的成果.隨著高、精、尖科技的應(yīng)用,對熱敏電阻的導(dǎo)電機理和應(yīng)用的更深層次的探索,以及對性能優(yōu)良的新材料的深入研究,將會取得迅速發(fā)展.

檢測時,用萬用表歐姆檔(視標(biāo)稱電阻值確定檔位,一般為R×1擋),具體可分兩步操作:首先常溫檢測(室內(nèi)溫度接近25℃),用鱷魚夾代替表筆分別夾住PTC熱敏電阻的兩引腳測出其實際阻值,并與標(biāo)稱阻值相對比,二者相差在±2Ω內(nèi)即為正常。實際阻值若與標(biāo)稱阻值相差過大,則說明其性能不良或已損壞。其次加溫檢測,在常溫測試正常的基礎(chǔ)上,即可進行第二步測試-加溫檢測,將一熱源(例如電烙鐵)靠近熱敏電阻對其加熱,觀察萬用表示數(shù),此時如看到萬用示數(shù)隨溫度的升高而改變,這表明電阻值在逐漸改變(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器NTC阻值會變小,正溫度系數(shù)熱敏電阻器PTC阻值會變大),當(dāng)阻值改變到一定數(shù)值時顯示數(shù)據(jù)會逐漸穩(wěn)定,說明熱敏電阻正常,若阻值無變化,說明其性能變劣,不能繼續(xù)使用。

測試時應(yīng)注意以下幾點:

1、Rt是生產(chǎn)廠家在環(huán)境溫度為25℃時所測得的,所以用萬用表測量Rt時,亦應(yīng)在環(huán)境溫度接近25℃時進行,以保證測試的可信度。

2、測量功率不得超過規(guī)定值,以免電流熱效應(yīng)引起測量誤差。

3、注意正確操作。測試時,不要用手捏住熱敏電阻體,以防止人體溫度對測試產(chǎn)生影響。

4、注意不要使熱源與PTC熱敏電阻靠得過近或直接接觸熱敏電阻,以防止將其燙壞。

熱敏電阻也可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償?shù)取＠�用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現(xiàn)自動增益控制,構(gòu)成RC振蕩器穩(wěn)幅電路,延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度時阻值還與環(huán)境的散熱條件有關(guān),因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導(dǎo)分析中常利用熱敏電阻這一特性,制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設(shè)備的過熱保護、無觸點繼電器、恒溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災(zāi)報警和溫度補償?shù)确矫妗?/div>