什么是热敏电阻
热敏电阻是电阻温度计或电阻，电阻取决于温度。该术语是“热”和“电阻”的组合。它由金属氧化物制成，压制成珠，盘或圆柱形状，然后用不可渗透的材料（例如环氧树脂或玻璃）封装。
热敏电阻有两种类型：负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）。使用NTC热敏电阻时，温度升高时，电阻减小。相反，当温度降低时，电阻增加。此类热敏电阻使用最多。
PTC热敏电阻的工作原理略有不同。当温度升高时，电阻增加，而当温度降低时，电阻降低。这种类型的热敏电阻通常用作保险丝。
通常，热敏电阻在目标温度附近约50ºC的有限温度范围内实现高精度。该范围取决于基极电阻。
热敏电阻符号为：
图1：热敏电阻符号—美国和日本
T旁的箭头表示电阻随温度变化。箭头或条的方向不重要。
热敏电阻易于使用，价格便宜，坚固耐用，并且可以预测温度变化。尽管它们在过热或过冷的温度下均无法很好地工作，但它们是在所需基点测量温度的应用中的首选传感器。当需要非常精确的温度时，它们是理想的选择。
热敏电阻的一些最常见用途是在数字温度计，用于测量油和冷却液温度的汽车中以及在烤箱和冰箱等家用电器中，但它们也广泛用于需要加热或冷却保护电路以确保安全的任何应用中操作。对于更复杂的应用，例如激光稳定检测器，光学模块和电荷耦合器件，内置热敏电阻。例如，激光封装中内置的标准是10kΩ热敏电阻。
热敏电阻如何“读取”温度？
热敏电阻实际上并不“读取”任何东西，而是热敏电阻的电阻随温度变化。电阻变化多少取决于热敏电阻中使用的材料类型。
与其他传感器不同，热敏电阻是非线性的，这意味着表示电阻和温度之间关系的图形上的点将不会形成直线。线路的位置及其变化量取决于热敏电阻的结构。典型的热敏电阻图如下所示：
温度范围：可以使用传感器类型的大致温度范围。在给定的温度范围内，某些传感器的性能要优于其他传感器。
相对成本：将这些传感器相互比较的相对成本。例如，热敏电阻相对于RTD便宜，部分原因是RTD选择的材料是铂。
时间常数：从一个温度值变为另一个温度值所需的大概时间。这是热敏电阻从初始读数到最终读数达到温度差的63.2％所需的时间（以秒为单位）。
稳定性：控制器根据传感器的温度反馈保持恒定温度的能力。
灵敏度：对温度变化的响应程度。
可以使用哪些热敏电阻形状？
热敏电阻具有多种形状，包括磁盘，芯片，磁珠或棒状，可以表面安装或嵌入系统中。它们可以封装在环氧树脂，玻璃，酚醛烤漆或油漆中。最佳形状通常取决于要监视的材料，例如固体，液体或气体。
例如，磁珠热敏电阻是嵌入设备的理想选择，而杆，盘或圆柱头最适合光学表面。热敏电阻芯片通常安装在印刷电路板（PCB）上。热敏电阻的形状很多很多，例如：
图3：热敏电阻类型
选择一种形状，以使其与要监测温度的设备最大程度地接触。无论热敏电阻的类型如何，都必须使用高导热胶或环氧树脂胶来建立与被监控设备的连接。通常重要的是，这种糊剂或胶水不导电。
热敏电阻在受控系统中如何工作？
热敏电阻的主要用途是测量设备的温度。在温度控制系统中，热敏电阻是大型系统中很小但很重要的部分。温度控制器监视热敏电阻的温度。然后，它告诉加热器或冷却器何时打开或关闭以保持传感器的温度。
有三个主要部件用于调节设备的温度：温度传感器，温度控制器和珀耳帖设备（在此标记为TEC或热电冷却器）。传感器头连接到需要保持特定温度以冷却设备的冷却板上，而导线则连接到温度控制器上。温度控制器还通过电子方式连接到Peltier设备，从而加热和冷却目标设备。散热器连接到Peltier设备，以帮助散热。
图4：热敏电阻控制系统
温度传感器的工作是将温度反馈发送到温度控制器。传感器上流过少量电流，称为偏置电流，该电流由温度控制器发送。控制器无法读取电阻，因此它必须通过使用电流源在热敏电阻上施加偏置电流以产生控制电压，将电阻变化转换为电压变化。
温度控制器是此操作的大脑。它获取传感器信息，将其与要冷却的设备所需的信息（称为设定值）进行比较，并调整流经Peltier设备的电流以更改温度以符合设定值。
热敏电阻在系统中的位置会影响控制系统的稳定性和准确性。为了获得最佳稳定性，需要将热敏电阻放置在尽可能靠近热电或电阻加热器的位置。为了获得最佳精度，热敏电阻必须靠近需要温度控制的设备。理想情况下，热敏电阻嵌入设备中，但也可以使用导热胶或胶水将其连接。即使设备是嵌入式的，也应使用导热膏或胶水消除气隙。
下图显示了两个热敏电阻，一个直接连接到设备，另一个远离或远离设备。如果传感器距离设备太远，则热滞后时间会大大降低温度测量的准确性，而将热敏电阻距离Peltier设备太远则会降低稳定性。
图5：热敏电阻位置
在下图中，该图说明了两个热敏电阻获取的温度读数的差异。连接到设备的热敏电阻对热负荷的变化做出了快速反应，并记录了准确的温度。远程热敏电阻也做出了反应，但反应并不很快。更重要的是，读数偏离了一半多一点。当需要精确的温度时，这种差异会非常明显。
图6：热敏电阻位置响应图
一旦选择了传感器的位置，则需要配置系统的其余部分。这包括确定基本热敏电阻电阻，传感器的偏置电流以及温度控制器上负载的设定温度。
应该使用哪个热敏电阻电阻和偏置电流？
热敏电阻按在室温（25°C）下测得的电阻值分类。需要保持温度的设备具有由制造商确定的最佳使用的某些技术规格。在选择传感器之前，必须先识别这些。因此，重要的是要了解以下内容：
设备的最高和最低温度是多少？
热敏电阻是测量环境温度50°C以内的单点温度时的理想选择。如果温度过高或过低，热敏电阻将无法工作。尽管有例外，但大多数热敏电阻在-55°C至+ 114°C的温度范围内效果最佳。
由于热敏电阻是非线性的，这意味着电阻温度值在图表上以曲线而不是直线的形式绘制，因此无法正确记录非常高或非常低的温度。例如，在非常高的温度下，很小的变化将记录可忽略的电阻变化，这不会转换为准确的电压变化。
最佳热敏电阻范围是多少？
取决于来自控制器的偏置电流，每个热敏电阻都有一个最佳的有用范围，即准确记录温度微小变化的温度范围。
下表显示了在两种最常见的偏置电流下，波长热敏电阻的最有效温度范围。
图7：热敏电阻选择表
最好选择设定温度在范围中间的热敏电阻。热敏电阻的灵敏度取决于温度。例如，与Wavelength的TCS10K5 10kΩ热敏电阻一样，热敏电阻在较凉的温度下可能比在较热的温度下更敏感。对于TCS10K5，灵敏度在0°C至1°C之间为每摄氏度162 mV，在25°C至26°C之间为43 mV /°C，在49°C至50°C之间为14 mV°C C。
温度控制器的传感器输入的电压上限和下限是多少？
传感器反馈给温度控制器的电压极限由制造商规定。理想的情况是选择热敏电阻和偏置电流的组合，以产生温度控制器允许范围内的电压。
根据欧姆定律，电压与电阻有关。该方程式用于确定所需的偏置电流。欧姆定律指出，通过两点之间的导体的电流与两点之间的电势差成正比，对于该偏置电流，可写为：
V = I BIAS x R
其中：
V是电压，以伏特（V）为单位
I BIAS是电流，以安培或安培（A）为单位
I BIAS表示电流是固定的
R是电阻，以欧姆（Ω）为单位
控制器产生一个偏置电流，将热敏电阻的电阻转换为可测量的电压。控制器将仅接受一定范围的电压。例如，如果控制器范围为0至5 V，则热敏电阻电压必须不低于0.25 V，以便低端电噪声不会干扰读数，并且不高于5 V才能读取。
假设使用上述控制器和100kΩ热敏电阻（例如Wavelength的TCS651），并且设备需要维持的温度为20°C。根据TCS651数据表，该电阻在20°C下为126700Ω。为了确定热敏电阻是否可以与控制器配合使用，我们需要知道偏置电流的可用范围。使用欧姆定律求解I BIAS，我们知道以下几点：
V / R = I 偏置
0.25 / 126700 = 2 µA是范围的最低端
5.0 / 126700 = 39.5 µA是范围的最高端
是的，如果温度控制器偏置电流可以设置在2 µA至39.5 µA之间，则该热敏电阻将起作用。
选择热敏电阻和偏置电流时，最好选择一个电压范围处于中间范围的电压。控制器反馈输入必须处于电压状态，该电压取决于热敏电阻的电阻。
由于人们最容易与温度有关，因此经常需要将电阻更改为温度。用于将热敏电阻电阻转换为温度的最精确模型称为Steinhart-Hart方程。
什么是斯坦哈特方程式？
Steinhart-Hart方程是在计算机不普及且大多数数学计算是使用计算尺和其他数学辅助工具（例如先验函数表）进行开发时开发的模型。该方程式被开发为一种简单的方法，可以轻松，更精确地对热敏电阻温度进行建模。
Steinhart-Hart方程为：
1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）2 + D（lnR）3 + E（lnR）4…
其中：
T是温度，以开尔文为单位（K，开尔文=摄氏+ 273.15）
R是在T处的电阻，以欧姆（Ω）为单位
A，B，C，D和E是根据类型而变化的Steinhart-Hart系数所用热敏电阻的阻值和检测到的温度范围。
ln是自然对数，或对数为Napierian基2.71828
项可以无限进行，但是由于误差很小，因此在立方项和平方项被消除之后该方程将被截断，因此使用的标准Steinhart-Hart方程是：
1 / T = A + B（lnR）+ C（lnR）3
计算机程序的乐趣之一是，需要花费数天（甚至数周）才能解决的方程式可以瞬间完成。在任何搜索引擎中键入“ Steinhart-Hart方程计算器”，然后返回到在线计算器的链接页面。
STEINHART-HART方程如何使用？
该公式可以更精确地计算热敏电阻的实际电阻随温度的变化。温度范围越窄，电阻计算将越精确。大多数热敏电阻制造商都提供典型温度范围内的A，B和C系数。
斯坦哈特和哈特是谁？
约翰·S·斯坦哈特（Stanley Hart）和斯坦利·哈特（Stanley R. Hart）于1968年在华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington）担任研究人员时，首先在一份名为《热敏电阻的校准曲线》的论文中开发并发表了斯坦·哈特方程式。Steinhart继续担任威斯康星大学麦迪逊分校的地质与地球物理学教授和海洋研究教授，Stanley R. Hart成为伍兹霍尔海洋研究所的高级科学家。
结论
热敏电阻是随温度变化的电阻，其电阻随温度变化而变化。它们非常敏感，并且会对很小的温度变化做出反应。当需要维持特定温度以及监视环境温度在50°C以内时，它们是最佳选择。
作为温度控制系统的一部分，热敏电阻是测量和控制Peltier器件加热和冷却的最佳方法。它们以微小的增量进行调整的能力使系统整体具有最大的稳定性。热敏电阻可以嵌入或表面安装在需要温度监控的设备中。根据类型的不同，它们可以测量液体，气体或固体。
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