原创 NTC热敏电阻的简述与应用

1 NTC的术语及主要参数

　　在家电开发研制领域里，工程人员在运用热敏电阻的过程中，有时对一些主要参数的细节产生歧义，原因之一是某些参数的定义和内容缺乏统一的标准和规范。随着国家标准《直热式负温度系数热敏电阻器（第一部分：总规范）》GB/T6663.1-2007/IEC60539-1:2002（以下简称“国标”）的实施（07年9月1日），情况开始有所改变。国内热敏电阻器生产家都应当按照“国标”标注热敏电阻的参数，使用者也可以根据“国标”向厂家索取热敏电阻的参数。

　　热敏电阻器是一种随（感应）温度的变化其电阻值呈显著变化的热敏感半导体元件。温度升高时阻值下降的热敏电阻器，称为负温度系数热敏电阻器（NTC）。家电领域里大量使用的是NTC。

　　自热:当我们对NTC进行测量和运用时总会通过一定量的电流，这一电流使NTC自身产生热量。NTC的自热会导致其阻值下降，在测量及应用过程中出现动态变化，所以控制自热是运用NTC的关键。当NTC用于温度测量时，应当尽量避免自热；当NTC用于液位或风速测量时，则需要利用自热。

　　零功率电阻：定义见“国标”（2.2.18）。零功率电阻是热电阻器最基本的参数，厂家给出的热敏电阻器的阻值都属于零功率，，但“零功率”一词容易使人费解（因为物理含义上的零功率检测是不存在的），所以，理解它的工程含义是定义中后一句的内容“……自热导致的电阻值变化相对于总的测量误差可以忽略不计”。通常，对NTC的零功率测量是在恒温槽中进行，影响总的测量误差有二个主要因素：一是通过NTC的电流，一是恒温槽精度。一般说来，减少通过NTC的电流的方法比较多，一旦电流下降到一定程度，影响总误差的往往是恒温槽的精度。

　　环境温度变化引起的热时间常数（τa）：一般情况下，NTC在稳定的室温条件下,迅速进入设定（和要求介质）的温度环境内，测量其温度上升规定幅度T?所需要的时间。温度T?的上升幅度为室温Ta至设定温度Tb差值的63.2%所需的时间。τa反映NTC在测量温度时的响应速度。

　　耗散系数（δ）：使NTC的温度上升1K所消耗的功率称为耗散系数。“国标”4.10.2给出的δ计算方法如下：

　　δ=U TH·I TH /（T b- T a） W /℃

　　式中： U TH为NTC的端电压； I TH 为流过NTC的电流；T b为自热稳定温度；T a 为室内温度。

　　可见，NTC温度的上升指的是自热温度。从另外一个角度看，自热造成的温升可以利用δ计算出来。

　　例如：已知δ为0.1 W /℃，测量U TH·I TH为0.5 W，则：

　　（T b- T a）=U TH·I TH /δ ℃=0.5 /0.1 ℃=5 ℃

　　自热使NTC高于环境温度5℃。

　　2 影响测量温度的参数

　　NTC

　　具有价格低廉、阻值随温度变化显著的特点，而广泛用于温度测量。通常采用一只精密电阻与NTC串联（见图1），NTC阻值的变化转变为电压变化直接进入比较电路或单片机的A/D的输入接口，不必经过放大处理，电路构成极为简单。运用NTC时除了选择合适的R值和B值之外，还应当考虑到测量速度和精度。

　　选择合适的τa：τa值直接反映NTC测量温度的响应速度，但不是越小越好，确定τa值需要比较与权衡。因为τa值与它的封装尺寸有关，NTC的封装尺寸小，则τa值小，机械强度低；封装尺寸大，则τa值大，机械强度高。

　　确定电流范围：可根据厂家提供的非自热最大功率或利用耗散系数来确定工作电流的范围。、

　　然而，需要引起注意的是不少厂家提供的δ值是NTC二次封装之前参数，但采用这个δ参数确定的电流虽然不会产生自热，但是过于保守，影响选择参数的宽松度，因为二次封装之后的非自热最大功率已经提高。利用耗散系数确定电流范围的方法是先确定NTC精度，再确定允许的自热功耗。例如，NTC的精度为0.1℃，则自热温度不超过0.1℃就能够满足精度要求，也就是说，小于0.1δ的功率为不产生自热的功率。

　　其它需要注意的因素：①NTC二次封装之后，τa的参数值较封装之前增大了。②同一型号、规格的NTC在不同介质中，其δ、τa等参数值相差很大，需注意参数的介质。③在流动的空气中，NTC略为产生一点自热对精度的影响不大。④NTC感温头不能触碰非探测物体，例如，在家用空调器里，翅片前面测量室温的感温头不能触碰到翅片。

　　3 自热及耗散系数的特性

　　测量耗散系数δ时，“国标”要求在静止的空气中进行。通常是在规定容器的玻璃框罩内进行测量。当我们做实验时可以观察到一些现象，在一个空气相对稳定（感觉不到流动的空气）的室内，玻璃框内的温度与室温一致。先测量零功率电阻值，当摘掉玻璃框罩后，电阻值未发生变化；然后测量耗散系数，当自热达到热平衡时，即通过NTC的电流和它的端电压呈稳定状态，当摘掉玻璃框罩后，电流或端电压出现波动，失去稳定状态。说明室内微弱的同温度气流影响了耗散系数，而未影响零功率电阻值。显然，NTC产生自热之后出现对流动空气的敏感反映，这是一个可以利用的特性。

　　4液位测量原理

　　气体和液体是明显不同的介质，运用NTC在对它们进行测量时，如果可以分辨出这两种介质，就解决了液位测量的问题。NTC在非自热状态也就是零功率状态下测量温度时，是无法根据测量结果判断被测对象的是什么介质。当NTC处于自热状态时，在介质温度相同的情况下，NTC在不同的介质中耗散系数（δ）是不同的，当NTC被置于不同的介质中时，相同电气条件下会出现不同的电性能反映，这是测量液位的基本依据。

　　以相同温度的水和空气为例，在同一电气条件下，例如给NTC提供一个恒定电流（见图2），使其在空气中产生自热，热平衡之后NTC两端电压相对稳定，接着，将它放入水中，两端电压上升。因为NTC从空气中进入水中后，温度下降，导致阻值上升，端电压升高。水的热容量是空气的2.5倍，NTC在水中的自热温度要达到与空气一样的自热温度需要2.5倍的功率。

　　在实际的液位测量中，水和空气的温度往往不一致，当空气温度偏低，而水温偏高时，根据电压值的大小则无法判断NTC是在水中还是在空气中。然而，对于一个温度点而言，NTC在水中和空气中分别有个两电压值，换言之，当我们知道一个温度点，同时又预先知道这个温度点上水和空气分别的电压值，就可以根据所测量到的电压值判断NTC是在水中还是在空气中。也就是说，测量液位的过程中还必须同时测量温度，而一般情况下，NTC在自热状态下不能测量温度，这就需要增加一个测量温度的NTC。利用两只NTC，一只处于非自热状态，另一只处于自热状态，经过电子电路的处理就可以对水位进行测量了。同理，其它气体和液体介质的液位测量的问题都可以得到解决。

　　需要指出，设计液位测量电路需要完成一些基础性的工作，原因是不同电路的NTC所处于的自热状态不一定一样，需要通过试验或计算获取测量温度范围内每个温度点上两种介质的电气参数，为两个对应系列。通常，先明定测量方案，再确定电路，然后根据电路要求测量或计算出每个温度条件下两种介质的数据。有时模拟电路需要绘制出NTC在两种介质的温度电压曲线（同一温度参照系中的曲线），而数字及单片机电路需要对两种介质的电气参数列表。

　　5风速测量原理

　　根据上述对耗散系数δ测量的描述，NTC处于自热状态中对空气流动表现的敏感性，表明它具有测量风速的潜力。在同一温度和电气条件下，例如在稳定的室温环境下，给NTC提供一个产生自热的恒定电流（见图二）。首先将NTC置于静止空气中，此时端电压最小，然后将风速由小到大逐渐增加，相应地，端电压逐渐升高。因为流动的空气使NTC的自热温度下降，阻值增加，空气流速越大，温度下降越明显，阻值增加更显著，反过来，当我们知道NTC自热下降的程度（端电压值的大小）就可以知道风速的大小，这就是NTC测量风速的基本原理。

　　实际测量时空气的温度是不同的，因为空气温度的下降也会导致自热温度的下降，所以测量风速的时候同时要测量空气温度。一旦知道空气温度，同时又知道在这一温度条件下随风速增加而自热温度下降的参数（端电压值的大小），经过对这两个数据的处理就就可以完成对风速的测量。

　　与液位测量一样，风速测量也要完成一些基础工作。不过，风速测量的基础或计算工作量比液位测量要多许多倍，液位测量只需获取两种介质不同温度下的参数，也就是两组数据，而风速测量必需获取测量（风速、温度）范围内的每个温度点上不同风速的数据，为一个族系列。

　　6其他的应用

　　NTC

　　除了用于温度测量之外，测量液位和风速也有许多可比优势，具有取代其它测量及控制方式的潜力。

　　关于NTC在水位测量上的一个应用实例见《家电科技》杂志2008年第21期中有详细介绍，（在此不再赘述）。其它象热水壶、咖啡壶、加湿器等家电的缺水报警都可以考虑采用NTC的液位测量技术。

　　NTC

　　还可以广泛应在测量风速及风量的场所，特点是不仅价格低廉，而且电路结构极为简单。例如：①家用空调器的过滤网除尘提示。安装在出风口的NTC检测风速，当检测到的风速与风量挡位的风速相比降低到了规定的幅度，提示用户清洁过滤网；②同样的思路也可以实现吸尘器的除尘提示；③燃气热水器的排风监测。当NTC检测到排风停止（或被堵）的故障时，切断气源及报警；④冷气计量，对集中冷气供应系统进行单独计量，出风口安装的NTC计量风速（再考虑风口面积、平均风速等因素），能够实现集中供冷分别计费。