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NTC負溫度系數熱敏電阻工作原理

    NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負的溫度系數，泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料， 采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O~1000000歐姆，溫度系數-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。

    NTC負溫度系數熱敏電阻專業術語

    在家電開發研制領域里，工程人員在運用熱敏電阻的過程中，有時對一些主要參數的細節產生歧義，原因之一是某些參數的定義和內容缺乏統一的標準和規范。隨著國家標準《直熱式負溫度系數熱敏電阻器（第一部分：總規范）》GB/T 6663.1-2007/IEC 60539-1:2002（以下簡稱“國標”）的實施（07年9月1日），情況開始有所改變。國內熱敏電阻器生產家都應當按照“國標”標注熱敏電阻的參數，使用者也可以根據 “國標”向廠家索取熱敏電阻的參數。

    零功率電阻值 RT（Ω）
RT指在規定溫度 T 時，采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。
電阻值和溫度變化的關系式為：
                             RT = RN expB(1/T – 1/TN)
RT ： 在溫度 T （ K ）時的 NTC 熱敏電阻阻值。
RN ： 在額定溫度 TN （ K ）時的 NTC 熱敏電阻阻值。
T  ： 規定溫度（ K ）。
B  ： NTC 熱敏電阻的材料常數，又叫熱敏指數。
exp： 以自然數 e 為底的指數（ e = 2.71828 …）。
該關系式是經驗公式，只在額定溫度 TN 或額定電阻阻值 RN 的有限范圍內才具有一定的精確度，因為材料常數B 本身也是溫度 T 的函數。

    額定零功率電阻值 R25 （Ω）
根據國標規定，額定零功率電阻值是 NTC 熱敏電阻在基準溫度 25 ℃ 時測得的電阻值 R25，這個電阻值就是NTC 熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說 NTC 熱敏電阻多少阻值，亦指該值。

    材料常數（熱敏指數） B 值（ K ）
B 值被定義為：
                     
RT1 ： 溫度 T1 （ K ）時的零功率電阻值。
RT2 ： 溫度 T2 （ K ）時的零功率電阻值。
T1、T2 ：兩個被指定的溫度（ K ）。
對于常用的 NTC 熱敏電阻， B 值范圍一般在 2000K ～ 6000K 之間。

    零功率電阻溫度系數（αT ）
在規定溫度下， NTC 熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。
                   
αT ： 溫度 T （ K ）時的零功率電阻溫度系數。
RT ： 溫度 T （ K ）時的零功率電阻值。
T  ： 溫度（ T ）。
B  ： 材料常數。

    耗散系數（δ）
在規定環境溫度下， NTC 熱敏電阻耗散系數是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應的溫度變化之比值。
                           
δ： NTC 熱敏電阻耗散系數，（ mW/ K ）。
△ P ： NTC 熱敏電阻消耗的功率（ mW ）。
△ T ： NTC 熱敏電阻消耗功率△ P 時，電阻體相應的溫度變化（ K ）。

    熱時間常數(τ)
在零功率條件下， 當溫度突變時， 熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的 63.2% 時所需的時間， 熱時間常數與 NTC 熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數成反比。
                             
τ： 熱時間常數（ S ）。
C： NTC 熱敏電阻的熱容量。
 δ： NTC 熱敏電阻的耗散系數。

    額定功率Pn
在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。

    最高工作溫度Tmax
在規定的技術條件下，熱敏電阻器能長期連續工作所允許的最高溫度。即:
                             
T0-環境溫度。

    測量功率Pm
熱敏電阻在規定的環境溫度下，阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計時所消耗的功率。
一般要求阻值變化大于0.1%，則這時的測量功率Pm為： 
                               

    電阻溫度特性
NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：
式中：
RT：溫度T時零功率電阻值。
 A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關的系數。　
 B：B值。
 T：溫度（k）。
更精確的表達式為：
                          
式中：
RT：熱敏電阻器在溫度T時的零功率電阻值。
 T：為絕對溫度值，K；
 A、B、C、D：為特定的常數。

    NTC負溫度系數熱敏電阻R-T特性 
　

   
B 值相同， 阻值不同的 R-T 特性曲線示意圖 

相同阻值，不同B值的NTC熱敏電阻R-T特性曲線示意圖

    測溫以外的其他應用

    液位測量原理

    氣體和液體是明顯不同的介質， 運用NTC在對它們進行測量時， 如果可以分辨出這兩種介質，就解決了液位測量的問題。NTC在非自熱狀態也就是零功率狀態下測量溫度時， 是無法根據測量結果判斷被測對象的是什么介質。當NTC處于自熱狀態時，在介質溫度相同的情況下，NTC在不同的介質中耗散系數（δ）是不同的，當NTC被置于不同的介質中時，相同電氣條件下會出現不同的電性能反映，這是測量液位的基本依據。
    以相同溫度的水和空氣為例，在同一電氣條件下，例如給NTC提供一個恒定電流，使其在空氣中產生自熱，熱平衡之后NTC兩端電壓相對穩定，接著，將它放入水中，兩端電壓上升。 因為NTC從空氣中進入水中后，溫度下降，導致阻值上升，端電壓升高。水的熱容量是空氣的2.5倍， NTC在水中的自熱溫度要達到與空氣一樣的自熱溫度需要2.5倍的功率。
    在實際的液位測量中，水和空氣的溫度往往不一致， 當空氣溫度偏低，而水溫偏高時，根據電壓值的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。然而，對于一個溫度點而言， NTC在水中和空氣中分別有個兩電壓值，換言之，當我們知道一個溫度點，同時又預先知道這個溫度點上水和空氣分別的電壓值，就可以根據所測量到的電壓值判斷NTC是在水中還是在空氣中。也就是說，測量液位的過程中還必須同時測量溫度，而一般情況下，NTC在自熱狀態下不能測量溫度，這就需要增加一個測量溫度的NTC。利用兩只NTC，一只處于非自熱狀態， 另一只處于自熱狀態，經過電子電路的處理就可以對水位進行測量了。同理，其它氣體和液體介質的液位測量的問題都可以得到解決。
    需要指出，設計液位測量電路需要完成一些基礎性的工作，原因是不同電路的NTC所處于的自熱狀態不一定一樣，需要通過試驗或計算獲取測量溫度范圍內每個溫度點上兩種介質的電氣參數， 為兩個對應系列。通常，先明定測量方案，再確定電路，然后根據電路要求測量或計算出每個溫度條件下兩種介質的數據。有時模擬電路需要繪制出NTC在兩種介質的溫度電壓曲線（同一溫度參照系中的曲線），而數字及單片機電路需要對兩種介質的電氣參數列表。

    風速測量原理

    NTC處于自熱狀態中對空氣流動表現的敏感性，表明它具有測量風速的潛力。在同一溫度和電氣條件下，例如在穩定的室溫環境下，給NTC提供一個產生自熱的恒定電流。 首先將NTC置于靜止空氣中，此時端電壓最小，然后將風速由小到大逐漸增加，相應地，端電壓逐漸升高。因為流動的空氣使NTC的自熱溫度下降，阻值增加，空氣流速越大，溫度下降越明顯，阻值增加更顯著，反過來，當我們知道NTC自熱下降的程度（端電壓值的大小）就可以知道風速的大小， 這就是NTC測量風速的基本原理。
    實際測量時空氣的溫度是不同的， 因為空氣溫度的下降也會導致自熱溫度的下降，所以測量風速的時候同時要測量空氣溫度。一旦知道空氣溫度， 同時又知道在這一溫度條件下隨風速增加而自熱溫度下降的參數（端電壓值的大小），經過對這兩個數據的處理就就可以完成對風速的測量。
    與液位測量一樣，風速測量也要完成一些基礎工作。 不過，風速測量的基礎或計算工作量比液位測量要多許多倍，液位測量只需獲取兩種介質不同溫度下的參數，也就是兩組數據， 而風速測量必需獲取測量（風速、溫度）范圍內的每個溫度點上不同風速的數據，為一個族系列。