NTC负温度系数热敏电阻工作原理

    NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

    NTC负温度系数热敏电阻专业术语

    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/T 6663.1-2007/IEC 60539-1:2002（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。

    零功率电阻值 RT（Ω）
RT指在规定温度 T 时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。
电阻值和温度变化的关系式为：
                             RT = RN expB(1/T – 1/TN)
RT ： 在温度 T （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。
RN ： 在额定温度 TN （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。
T  ： 规定温度（ K ）。
B  ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
exp： 以自然数 e 为底的指数（ e = 2.71828 …）。
该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度 T 的函数。

    额定零功率电阻值 R25 （Ω）
根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 ℃ 时测得的电阻值 R25，这个电阻值就是NTC 热敏电阻的标称电阻值。通常所说 NTC 热敏电阻多少阻值，亦指该值。

    材料常数（热敏指数） B 值（ K ）
B 值被定义为：
                     
RT1 ： 温度 T1 （ K ）时的零功率电阻值。
RT2 ： 温度 T2 （ K ）时的零功率电阻值。
T1、T2 ：两个被指定的温度（ K ）。
对于常用的 NTC 热敏电阻， B 值范围一般在 2000K ～ 6000K 之间。

    零功率电阻温度系数（αT ）
在规定温度下， NTC 热敏电阻零动功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。
                   
αT ： 温度 T （ K ）时的零功率电阻温度系数。
RT ： 温度 T （ K ）时的零功率电阻值。
T  ： 温度（ T ）。
B  ： 材料常数。

    耗散系数（δ）
在规定环境温度下， NTC 热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。
                           
δ： NTC 热敏电阻耗散系数，（ mW/ K ）。
△ P ： NTC 热敏电阻消耗的功率（ mW ）。
△ T ： NTC 热敏电阻消耗功率△ P 时，电阻体相应的温度变化（ K ）。

    热时间常数(τ)
在零功率条件下， 当温度突变时， 热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的 63.2% 时所需的时间， 热时间常数与 NTC 热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。
                             
τ： 热时间常数（ S ）。
C： NTC 热敏电阻的热容量。
 δ： NTC 热敏电阻的耗散系数。

    额定功率Pn
在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。

    最高工作温度Tmax
在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。即:
                             
T0-环境温度。

    测量功率Pm
热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。
一般要求阻值变化大于0.1%，则这时的测量功率Pm为： 
                               

    电阻温度特性
NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示：
式中：
RT：温度T时零功率电阻值。
 A：与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。　
 B：B值。
 T：温度（k）。
更精确的表达式为：
                          
式中：
RT：热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值。
 T：为绝对温度值，K；
 A、B、C、D：为特定的常数。

    NTC负温度系数热敏电阻R-T特性 
　

   
B 值相同， 阻值不同的 R-T 特性曲线示意图 

相同阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线示意图

    测温以外的其他应用

    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，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。

    风速测量原理

    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。 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。