第一章 温度传感器
温度传感器为温度测量电路中的关键部件。温度传感器有很多种类,根据测温的方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类;接触式温度传感器是指被测物体与传感器直接进行接触的这类传感器,非接触式传感器则是被测物体与传感器不直接接触,被测物体通过辐射热量到传感器而进行测温的传感器。根据不同用途和制造材料,温度传感器还可以分成多种种类,如热敏电阻(NTC、PTC、CTR)、铂电阻、热电偶、半导体温度传感器、量子温度传感器、集成温度传感器等。温度传感器的分类如下。
第一节 热敏电阻
热敏电阻是利用半导体的阻值随温度变化这一特性而制成的,分为NTC(负温度系数Negative Temperature Coefficient)热敏电阻、PTC(正温度系数Positive Temperature Coefficient)热敏电阻两大类。PTC热敏电阻阻值随温度升高而增大,NTC热敏电阻阻值随温度升高而降低。
根据用途不同,NTC热敏电阻又分为: 功率型NTC热敏电阻、补偿型NTC热敏电阻、测温型NTC热敏电阻。
PTC热敏电阻是具温度敏感性的半导体电阻,一旦超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增大。PTC热敏电阻的制造材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体,并掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导体化,常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导(体)瓷;同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr氧化物,采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化,从而得到正温度特性的热敏电阻材料。根据制造材质的不同,PTC热敏电阻又分为:陶瓷PTC热敏电阻和有机高分子PTC热敏电阻;根据用途的不同,PTC热敏电阻分为:自动消磁用PTC热敏电阻、延时启动用PTC热敏电阻、恒温加热用PTC热敏电阻、过载保护用PTC热敏电阻、传感器用PTC热敏电阻。
一、 热敏电阻的基本参数与名词术语
(一)热敏电阻的基本参数与名词术语
1.热敏电阻的电阻值R
热敏电阻的电阻值又称为热敏电阻的R-T(电阻-温度)特性,它表示热敏电阻的电阻值与温度的关系,计算式为:
R=RO×EXP[B(1/T-1/TO)],其中,RO为标准温度TO(以某一温度如0OC、25OC为标准)时的电阻值,B为热敏电阻的B常数。
2.热敏电阻的B常数(或B值)
热敏电阻的B常数是指NTC热敏电阻的热敏系数,它代表热敏电阻的感度(对温度的敏感程度),与热敏电阻的制造材料有关。B常数定义为:在温度T1时热敏电阻的电阻值RT1和温度T2时热敏电阻的电阻值RT2之比的自然对数与温度T1、T2之差的倒数和T1、T2的积,关系式为:
=2.3026 T1T2(logRT1-logRT2)/(1/T1-1/T2)。
其中,温度单位为K。一般把其中温度之一规定为25OC(298.15K)或50OC(323.15K),因此,除非特别说明,热敏电阻的B值通常是指在25OC(298.15K)或50OC(323.15K)下的数值。NTC热敏电阻的的B值在2000~6000之间。
3.热敏电阻的电阻温度系数
热敏电阻的电阻温度系数是表示温度每变化1OC时,其电阻值的变化率,表达式为:
α=(1/R)(dR/dT)×100=-100B/T2。
其中:α为电阻温度系数(%/OC),R为温度T(K)时的电阻值。
4.热敏电阻的耗散系数
热敏电阻的耗散系数是指,在一定环境温度下,温度变化时,热敏电阻自身消耗的功率的变化量与温度的改变值之比。表达式为:
5.敏电阻的热时间常数
在零功率条件下,热敏电阻本身温度发生变化,当温度在初始值和最终值之间改变了63.2%时所需要的时间称为热敏电阻的热时间常数 。
6.热敏电阻的零功率电阻RT
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功率测量时测得的电阻值。
7.热敏电阻的额定零功率电阻值 R25 (Ω)
根据国标规定,额定零功率电阻值是指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,即通常所说的NTC 热敏电阻的电阻值。
8.热敏电阻的外型与结构
如图1-1所示,为常用的NTC热敏电阻实物外型图。
如图1-1 常用NTC热敏电阻实物外型图
(二)PTC热敏电阻的基本参数与名词术语
最小电阻 Rmin:PTC热敏电阻具有的最小的零功率电阻值。
居里温度 Tc:,电阻值开始陡峭地增高(突变)时的温度,定义为居里温度。居里温度对应的PTC热敏电阻的电阻 RTC = 2×Rmin。
表面温度 Tsurf:表面温度Tsurf是指当PTC热敏电阻在规定的工作条件下与周围环境的温度处于热平衡状态时,PTC热敏电阻表面的温度。
动作电流 Ik:流过PTC热敏电阻的电流,足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流。动作电流的最小值称为最小动作电流。
动作时间 ts:在25℃环境条件下,给PTC热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流), 通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间。
不动作电流 INk:流过PTC热敏电阻的电流,不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动作电流。
最大电流 Imax: 最大电流是指PTC热敏电阻电流的最大承受能力。超过最大电流时PTC热敏电阻可能会失效。
残余电流 Ir:残余电流是在最大工作电压Vmax下,热平衡状态时的电流值。
最大工作电压 Vmax:最大工作电压是指在规定的环境温度下,允许持续地保持在PTC热敏电阻上最高的电压。对同一产品而言,环境温度越高,最大工作电压值越低。
额定电压 VN:额定电压是在最大工作电压Vmax下的正常供电电压。通常 Vmax = VN + 15%。
击穿电压 VD:击穿电压是指PTC热敏电阻所能承受的最高电压。PTC热敏电阻在击穿电压以上时就可能被击穿失效。
二、 常用PTC热敏电阻性能参数
1.MF11、MF12 PTC热敏电阻性能参数
表1-1 MF11、MF12 PTC热敏电阻性能参数
型号 25℃时额定零功率电阻值 B值(25/50℃)
阻值范围(Ω) 允许偏差(%) 标称值(K) 允许偏差(%)
MF11 3.3~33
6.8~68
15~150
33~330
68~680
150~1500
330~3300
680~6800
1500~15000
3300~33000 ±5
±10
±20 2700
2830
2950
3100
3250
3400
3570
3740
3900
4050 ±5
MF12 6800~68000
15000~150000
33000~330000
68000~680000
150000~5000000 4250
4450
4670
4800
5050
主要技术参数: 时间常数:≤30S
测量功率:≤0.1mW,耗散系数:≥6mW/℃,额定功率:0.5W ;
使用温度范围:-55~+125℃
2.M系列PTC热敏电阻性能参数表
表1-2 M系列PTC热敏电阻性能参数
型号 R 25
(Ω) B 值
B 25/85(K) 最大电流
(A) 残余电阻
(Ω) 耗散系数
(mw/℃) 热时间常数 (S) 工作温度范围 (℃)
M5R107 5.1±10% 2900±5% 4.6 0.18 17.0 20 -40~200
M8R207 8.2±10% 2900±5% 3.6 0.30 17.2 25
M10007 10.0±10% 2900±5% 3.3 0.36 17.2 30
M12007 12.0±10% 3150±5% 3.6 0.24 17.5 25
M16007 16.0±10% 3150±5% 3.1 0.43 17.8 30
M22007 22.0±10% 3150±5% 2.6 0.59 18.0 40
M2R210 2.2±10% 2900±5% 7.4 0.08 18.9 40
M3R010 3.0±10% 2900±5% 6.4 0.11 19.2 45
M3R910 3.9±10% 2900±5% 5.6 0.11 19.5 45
M5R110 5.1±10% 3150±5% 5.7 0.14 19.2 40
M8R210 8.2±10% 3150±5% 4.5 0.22 19.9 50
M10010 10.0±10% 3150±5% 4.1 0.27 20.1 60
M1R014 1.0±10% 2900±5% 11.9 0.04 22.0 65
M2R014 2.0±10% 2900±5% 8.6 0.07 23.4 90
M3R014 3.0±10% 3150±5% 8.3 0.08 23.6 80
M3R914 3.9±10% 3150±5% 7.4 0.08 24.5 95
M5R114 5.1±10% 3150±5% 6.5 0.14 24.7 110
三、 常用NTC热敏电阻性能参数
(一)NTH5D系列NTC热敏电阻性能参数
NTH5D系列为日本产NTC热敏电阻,基本性能参数如表1-3所示。
表1-3 NTH5D系列NTC热敏电阻性能参数表
型 号 B常数 温度系数 型 号 B常数 温度系数
NTH5D102A 3800 -4.3 NTH5D331A 3300 -3.7
NTH5D103A 4100 -4.6 NTH5D332A 3900 -4.4
NTH5D104A 4400 -4.9 NTH5D333A 4200 -4.7
NTH5D152 A 3800 -4.3 NTH5D471A 3500 -3.9
NTH5D153A 4100 -4.6 NTH5D472A 3900 -4.4
NTH5D221A 3300 -3.7 NTH5D473A 4200 -4.7
NTH5D222A 2200 -4.4 NTH5D681A 3900 -3.9
NTH5D223A 4200 -4.7 NTH5D682A 4100 -4.6
NTH5D224A 4500 -5.1 NTH5D683A 4400 -4.9
注:1. B常数和温度系数均为25OC时的数据; 2. 型号NTH5DXXXA中,数字XXX代表电阻值(25OC时),前两位数字为电阻值的最高两位有效数字,最后一位数字代表“0”的个数,例如,NTH5D223A中,“22”代表电阻值的最高两位有效数字22,“3”表示在“22”后面加3个“0”,因此,“223”表示的电阻值为22000Ω。
(二)MF系列NTC热敏电阻性能参数
1.MF51系列NTC热敏电阻性能参数
MF51系列NTC热敏电阻性能参数如表1-4所示。型号中,“MF51”代表产品系列,第2组数字代表B值,第3组数字代表电阻值(具体定义与表1-3的注2相同)。R25代表25OC时的电阻值。
表1-4 MF51系列NTC热敏电阻性能参数
2.MF52E系列NTC热敏电阻性能参数
MF52E系列NTC热敏电阻是采用新处理、新工艺生产,环氧树脂封装的小型热敏电阻,具有精度高、反应速度快等优点,基本性能参数如表1-5所示,外型图如图1-2所示。
图1-2 MF52E系列NTC热敏电阻外型图
MF52E系列完整的型号由以下几部分组成(以MF52EA103H为例说明):
MF52 E A 103 H——代表B值3100,电阻值为10K的球状NTC热敏电阻。
1 2 3 4 5
各部分的含义如下:
1:产品形状:球状NTC热敏电阻;2:封装形式(E为环氧树脂);3:B值。A=3100K,
B=3270,C=3380,D=3435,E=3470,F=3600,G=3950,H=4000,I=4050,J=4150,K=4300,L=4500;4:电阻值。定义方法同表1-3“注2”;5:误差等级。F:+-1% ,G:+-2% ,H:+-3% ,J:+-5% 。
表1-5 MF52E系列NTC热敏电阻性能参数
3.MF54系列高精度NTC热敏电阻性能参数
MF54系列是利用陶瓷和半导体技术、工艺制造、采用玻璃封装,两端轴向引出脚的高精度NTC热敏电阻。适合于高温恶劣环境下工作。
(1)MF54系列热敏电阻的基本特性参数:
电阻值范围:100Ω~1M;
B值范围:1960~4500(B25/B50);
B值误差允许范围:±0.5% ,±1% ,±2%;
耗散系数:≥2mW/OC(静止空气中);
热时间常数:≤20s(静止空气中);
工作温度范围:-55 OC ~+250 OC。
(2)MF54系列型号的构成及外型图
MF54系列型号的构成如图1-3所示,外型图如图1-4所示。
图1-3 MF54系列型号构成图 图1-4 MF54系列外型图
4.MF58系列高精度NTC热敏电阻性能参数
MF58系列是采用玻璃封装,两端轴向引出脚的高精度NTC热敏电阻。具有体积小、稳定性好、可靠性高、温度适应范围宽、精度高等优点。广泛应用于家用电器(空调、冰箱、风扇等)、办公自动化设备(打印机、复印机等)、医疗、环保、气象、食品加工、仪器仪表等控制、检测设备。
(1)MF58系列热敏电阻的基本特性参数:
电阻值范围:102~106Ω;
R25允许偏差:±1% ,±2%,±3% ,±5%,±10%;
B值范围:2000~4500(B25/B50);
B值误差允许范围:±0.5% ,±1% ,±1.5%;
耗散系数:≥2mW/OC(静止空气中);
热时间常数:≤20s(静止空气中);
额定功率:500mW;
工作温度范围:-55 OC ~+250 OC。
(2)MF58系列热敏电阻外型图
MF58系列热敏电阻型号的组成与MF54系列相同(同图1-3。把图1-3中的“MF54”改为“MF58”),外形图如图1-5所示。
图1-5 MF58系列热敏电阻外型图
图1-5 MF58系列热敏电阻外形图结构
(3)MF58系列高精度NTC热敏电阻的R-T特性参数
MF58系列热敏电阻的R-T特性如表1-7所示,
表1-7 MF58系列高精度NTC热敏电阻的R-T特性性能参数
表1-8 MF58系列高精度NTC热敏电阻的基本性能参数
产品型号 标称电阻值R 25(Ω) B值(25/50℃) 耗散系数(mW/℃) 热时间常数(S) 工作温度(℃) 外形结构
MF58xxx310
MF58 xxx 327
MF58 xxx 338
MF58 xxx 347
MF58 xxx 360
MF58 xxx 395
MF58 xxx 400
MF58 xxx 405
MF58 xxx 415
MF58 xxx 430
MF58 xxx 450 0.1~20K
0.2~20K
0.5~50K
0.5~50K
1~100K
5~100K
5~100K
5~200K
10~250K
20~1000K
20~1000K 3100
3270
3380
3470
3600
3950
4000
4050
4150
4300
4500 ≥2.0
静止空气中 ≤15
静止空气中 -55~+250℃ Φ2×4(玻管) Φ0.5×2(引线)
(4)MF74系列大功率NTC热敏电阻的R-T特性参数
MF74系列大功率热敏电阻是由高纯材料和特殊工艺生产,采用耐过热安装,具有在12A~40A稳定电流下持续工作能力,是目前功率型NTC热敏电阻中抑制浪涌电流能力最强、工作的稳态电流最大的品种之一。适用于大功率的转换电源、开关电源、UPS电源及各类大功率照明灯具、电加热器的浪涌电流抑制。基本性能参数如表1-9。
表1-9 MF74系列大功率NTC热敏电阻基本性能参数
型号 R 25
(Ω) 最大稳态
电流
(A) 25℃最大电流时的近似电阻值
(Ω) 耗散系数
(mW/℃) 热时间
常数
(S) 工作温度
(℃)
MF74-0.5/40 0.5 40 0.00875 118 340 -55~+200
MF74-0.7/36 0.7 36 0.0110 118 340
MF74-1/32 1 32 0.0137 118 340
MF74-1.3/27 1.3 27 0.0192 118 340
MF74-1.5/27 1.5 27 0.0206 118 340
MF74-2/25 2 25 0.0240 120 340
MF74-2.5/25 2.5 25 0.0252 120 350
MF74-3/23 3 23 0.0293 123 350
MF74-4/21 4 21 0.0340 123 350
MF74-5/21 5 21 0.0364 123 350 -55~+200
MF74-6/18 6 18 0.0494 123 355
MF74-8/18 8 18 0.0525 125 360
MF74-10/18 10 18 0.0555 125 360
MF74-12/15 12 15 0.0622 125 345
MF74-16/15 16 15 0.0688 125 345
MF74-20/15 20 15 0.0745 125 345
MF74-25/15 25 15 0.0857 125 345
MF74-30/12 30 12 0.1170 125 350
1.R25的允许偏差为±20%。
2.MF74系列型号构成说明:型号“MF74-”后面的数字分别代表R 25/最大电流值。例如,“MF74-2/25”代表R 25值为2K、最大电流为25A的热敏电阻。
(三)其它NTC热敏电阻性能参数
1.日产PSB系列热敏电阻性能参数
表1-10 日产PSB系列热敏电阻性能参数表
参数
型 号 工作温度范围(OC) 热时间常数(s)
(静止空气中) 耗散系数(mW/OC)
(静止空气中) 绝缘电阻(MΩ)
(500V直流下)
PSB-S1 50~300 10~17 1.3 50
PSB-S3 3.5~6.5 0.75 10
(50V直流下)
PSB-S5 50~250 1.7~2.9 0.4
PSB-S7 0.6~1.5 0.25
PSB-N 50~300 10~15 2.3 100
PSB-N3 50~250 5~8 1.3
PMH 50~35 11~16 1.3 50
2.日产KG系列热敏电阻性能参数
表1-11 日产KG系列热敏电阻性能参数
型 号
参 数 KG3B-35
KG2B-35 KG3B-41
KG2T-41 KG3T-43
KG2T-43 KG3T-45
KG2T-45 KG3T-51
KG2T-51
电阻值(KΩ,25 OC) 5 10 30 50 100
B值 25 OC/50 OC 3375 3450 3950 3950 4000
25 OC/85 OC 3420 3496 3986 3986 4050
热时间常数(s,静止空气中) KG3:约10s; KG2:约5s
耗散系数(静止空气中) KG3:约1.4mW/ OC; KG2:约1.3mW/ OC
工作温度范围( OC) -50~+200
3.日产AT、ET等系列热敏电阻性能参数
AT、ET等系列热敏电阻特点:
BT系列热敏电阻工作温度范围宽(-50 OC~+300 OC),可靠性高。用于家用电器,自动化生产系统,微波炉、高温炉具、汽车等。
BT和ET系列热敏电阻响应速度快,可靠性、精度高,,温度范围宽,有良好的防潮性能。由高品质的热敏材料制成,引线通过合金技术与热敏材料相连,采用密封良好的玻璃外壳封装。
BT系列热敏电阻是响应速度快、小型化、耐热的热敏电阻。
HT系列热敏电阻采用塑脂封装、具有精度高、可靠性高的特点。
IT系列热敏电阻采用轴向引线,二极管类型、高密度塑脂封装,可用于各种环境下工作。
ET系列热敏电阻体积小于AT系列,具有响应时间快、可靠性高的特点。广泛应用于医疗设备、热水器、汽车等温控电路。
AT系列热敏电阻精度高,B值和阻值公差极小。作温度计时,控制电路和传感器两端不需调整,可保证±0.3%的温度精度。适用于各种控制板、空调、充电器、温度计、电池、汽车的温控电路。
表1-12 日产AT、ET等系列热敏电阻性能参数
型 号 R25
(KΩ) B值
25OC/85OC 耗散系数mW/OC 热时间常数
s 额定功率mW(25OC) 外型
图 工作温度范围oC
102AT-2 1.0±1% 3100±1% 2 15 10
图1-1(g) -50~+90
202AT-2 2.0±1% 3182±1%
502AT-2 5.0±1% 3324±1% -50~+110
103AT-2 10.0±1% 3435±1%
203AT-2 20.0±1% 4013±1%
503AT-2 50.0±1% 4060±1%
103AT-3 10.0±1% 3435±1%
103AT-4 10.0±1% 3435±1% 10 -30~+90
102AT-11 1.0±1% 3100±1% 3 75 15 -50~+90
202AT-11 2.0±1% 3182±1%
502AT-11 5.0±1% 3324±1% -50~+105
103AT-11 10.0±1% 3435±1%
402ET-1(2) 4.0 3100 0.7 3.2(3.4) 3.5
图1-1(g) -40~+90
103ET-1(2) 10.0 3250
303ET-1(2) 30.0 3760 -40~+100
403ET-1(2) 40.0 3525
413ET-1(2) 41.0 3435
503ET-1(2) 50.0 4055
833ET-1(2) 83.0 4013
104ET-1(2) 100.0 4132 -40~+90
224ET-1(2) 220.0 4021 -40~+100
234ET-1(2) 230.0 4274
103ETB 10.0 3435 -40~+90
302IT 3.0 3860 3.6 13.5 18
图1-5 -50~+125
502IT 5.0 3860
103IT 10.0 3435 -50~+100
203IT 20.0 3760 -50~+125
303IT 30.0 3760
503IT 50.0 4055
104IT 100.0 4390
302HT(F) 3.0 3860 1.0 8.0 5.0
图1-1(e) -50~+125
502HT(F) 5.0 3860
103HT(F) 10.0 3435 -50~+100
203HT(F) 20.0 3760 -50~+125
303HT(F) 30.0 3760
503HT(F) 50.0 4055
104HT(F) 100.0 4390
103HTS 10.0 3435 6.0 -50~+100
503HTS 50.0 4055 -50~+125
104HTS 100.0 4390
364FT 360.0 3370 0.4 3.5 2
图1.1(d) -20~+250
103KT2125 10 3435 1.0 7.5 5.0 -40~+125
103KT1608 10 0.9 5.0 4.5
103KT1005 10 0.7 2.2 3.5
503KT1608 50 4055 0.9 5.0 4.5
104KT1608 100 4390 5.0 5.0
102GT-1 1.0 3305 0.6 7(0.6) 3
图1.1(g) -50~+200
202GT-1 2.0 3838 -50~+300
502GT-1 5.0 3964
103GT-1 10.0 4126
203GT-1 20.0 4282
503GT-1 50.0 4288
104GT-1 100.0 4267
204GT-1 200.0 4338
504GT-1 500.0 4562
105GT-1 1000.0 4608
1BT-5 1.000 3250 0.5 4~12 2.5
图1.1(g) -50~+150
2BT-5 2.000 3420 -50~+500
5BT-5(6) 5.000 3450 0.5(0.4) 4~12
(3~8) 2.5(2)
9BT-5(6) 9.000 3470 -50~+10
10BT-5(6) 10.00 3250 -50~+300
20BT-5(6) 20.00 3330
30BT-5(6) 30.00 3450
40BT-5(6) 40.00 3550
100BT-5(6) 100.0 3750
400BT-5(6) 400.0 4050
500BT-5(6) 500.0 3760
1.3MBT-5(6) 1300 4380
1DT-1(2) 1.0 3230 8.5(5) 60(25) 42(25)
图1.1(h) -50~+100
(-50~+110)
2DT-1(2) 2.0 3230
5DT-1(2) 5.0 3330
10DT-1(2) 10.0 3330
20DT-1(2) 20.0 3280
30DT-1(2) 30.0 3280
50DT-1(2) 50.0 4870
100DT-1(2) 100.0 4870
注:
1.R25误差:ET、GT系列为±3%;HT、FT、IT系列为±2%;KT系列:后缀1P、2P、3P分别代表误差±1%、±2%、±3%;BT系列为±10%;DT系列为±5%。
2.B值误差:BT、DT、FT系列为±3%;CT、GT系列为±2%; AT、ET、HT、KT、IT系列为±1%。