原创 了解、测量和使用热敏电阻的热时间常数

热敏电阻是非常精确的热传感器，通过其电阻来指示温度。如果将热敏电阻用作传感器，只需施加电压、测量电流、然后将电阻转换成温度即可测量温度。然而，热敏电阻也可以用作电路中的可变电阻，通过增加或减小电阻来影响行为，具体情况取决于温度系数是正还是负。

对温度变化作出响应需要时间，而测量该响应的主要参数是热时间常数(TTC)。热敏电阻的材料和组装对热时间常数有重大影响，因此Ametherm的工程师团队进行了大量实验，以揭示热时间常数的变化程度。然后我们会在实际应用中看到热时间常数会产生怎样的影响。

热时间常数是一种固有的器件特性，与环境变化率无关。在测量热时间常数时，需要应用温度变化，但如果变化太慢，那么您测量的将是环境温度的变化率，而不是传感器的响应。因此，使用尽可能接近瞬间的温度变化非常重要。

在整个响应过程中，响应速率不断发生变化，随着器件在新温度下接近稳态而逐渐减慢。等到达到真正的稳定状态后才能使困难的测量实现标准化，因此将热时间常数定义为温度达到1/e或刚好超过完全过渡的63%所需的时间。

图1：热时间常数测量过渡为63.2%时的响应。蓝色曲线表示从冷到热的过渡，绿色曲线表示从热到冷的过渡。

有几个变量会影响热时间常数：

• 热敏电阻的质量
• 热敏电阻的形状（表面积与体积）
• 封装所用的灌封材料
• 封装热敏电阻的外壳
• “环境”即热敏电阻工作的气体或液体的性质
• 测量热时间常数所用的方法

如果我们是将不同的热敏电阻材料进行比较，那么材料的比热以及温度系数（正或负）也会产生影响。由于测量的所有器件都是烧结的过渡金属氧化物（NTC材料），因此我们不考虑这些因素。烧结通过封闭不同氧化物颗粒之间的孔来影响电阻率和电阻温度曲线的斜率以及稳定性。

测量方法至关重要，因此在比较不同热敏电阻的热时间常数时，要确保使用相同的测量方法，这一点极为重要。用绝对时间表示热时间常数。因此，例如，如果某个器件的温度变化为0C至100°C，而另一个器件的温度变化只有该变化的一半，那么第一个器件（即使它与第二个器件完全相同）的测得热时间常数会较短，因为热时间常数是由温差驱动的。

Ametherm研究的两个主要变量是芯片尺寸（它影响质量和形状）和封装类型。第一个变量取决于传感器本身，第二个变量则取决于传感器周围的材料。

该团队认真控制测量技术，确保测得热时间常数的差异真实反映热敏电阻的差异，而不会因测试方法的改变而影响测量。考虑因素包括：

• 进行测量的环境
• 环境中的气流或液流（它通过将热量导向或远离被测设备来影响测量）
• 改变温度的方式：改变某个环境温度所需的时间太长，人为地延长了测得的热时间常数。为了模拟尽可能接近瞬时的改变，更为有效的做法是让两种介质处于两个不同的温度，然后将热敏电阻从一种介质快速移入另一种介质。与热时间常数的值相比，热敏电阻的前沿和后沿接触新介质之间的时间上的微小差异通常是无关紧要的（就如同毫秒与秒的差异）。
• 传感器“负载”，即它所承载的电流。

Ametherm团队使用的设置包括所谓的断头台测试仪。它起到支撑的作用（类似断头台），将热敏电阻固定在空中。空气成为承载起始温度的第一种介质。可进行连接以便加载热敏电阻，测试开始之后，将热敏电阻放到受控温度不同于空气温度的液体（在本案中为矿物油）中。

图2：用于测试热时间常数的断头台设置。测试介质将放置在它的下方，图中未显示。

放置之前热敏电阻必须在空气中达到稳定状态。浸入时间必须考虑由负载电流造成的自发热。因此拟定：

• 让个环境都达到稳定状态；加载器件，使其同时达到稳定状态
• 一旦达到稳定状态，就开始测量
• 将该器件放到测试介质中
• 随着温度变化测量响应情况

该团队首先比较了具有不同芯片尺寸的两个热敏电阻；其中一个的质量是另一个的十倍。该测试将热敏电阻从25°C的空气中快速移入0°C的矿物油中。结果如下表所示。

正如预期的那样，较大的质量需要冷却的时间较长，从而导致热时间常数较长。过渡曲线如下面照片所示。

图3：左图是小热敏电阻的响应；右图是大热敏电阻的响应。

接下来，使用质量几乎完全相同的热敏电阻测试两种不同类型的封装。一个封装在玻璃中，另一个封装在黑色环氧树脂中。进行两次测试，一次是冷却，一次是加热，结束温度分别为9℃和41℃。结果如下表所示。

结果表明玻璃是比环氧树脂更好的热导体。响应照片如下图示。

图4：玻璃封装（上图）和环氧树脂封装（下图）从热到冷以及从冷到热的响应。

这些测试强调，在为给定的热时间常数选择器件时，必须考虑结构和测试方法，以确保以后不会出现意外。

为了说明这个指标为何如此重要，该团队整理了一个示例设计：火灾探测电路。这里的关键问题是，热敏电阻变热后需要多长时间才能确定出现了问题并发出警报？这种延迟是热时间常数的正比例函数。

图5：使用热敏电阻检测温度的火警电路原理图。如果温度上升时电阻下降（负系数），则分压器点向上移动。在大约1.4V时，晶体管将接通，发出警报。热时间常数确定电路作出响应所需要的时间。

实际实施可能需要采取一种让警报在一定温度下静音的方法。
热敏电阻在该电路中的作用是作为分压器中的上电阻。在这种情况下，您需要使用具有负温度系数的器件，即电阻随温度升高而减小的器件。随着上电阻的减小，分压电压上升，最终通过晶体管开启警报。

在此类应用中，人们会选择具有低热时间常数的热敏电阻。当火势迅速升级时，几秒钟都至关重要；使用错误的热敏电阻可能会使生命或财产处于危险境地。

总之，热时间常数是热敏电阻的基本特性，必须根据应用进行选择。热敏电阻的构造（材料、尺寸和结构）对热时间常数有重大影响。热时间常数的测量方法也会影响测得的热时间常数值。选择热敏电阻时，重要的是要知道需要什么响应并相应地选择热敏电阻。当比较热敏电阻之间的热时间常数时，确保它们在相同条件下进行测量，这一点也很重要。

随着传感器的激增，热敏电阻将面临全新应用与创新。选择特性合适的热敏电阻将有助于避免以后重新设计工作。

作者Mehdi Samii目前担任Ametherm的工程副总裁。他拥有物理学学士学位。