热敏电阻十篇
时间：2023-04-01 14:03:22
热敏电阻篇1
用万用表的电阻档测试，一般有几千到几万欧，加热后测试一般电阻明显变小即为好的。
拓展资料:
热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
（来源：文章屋网 ）
热敏电阻篇2
关键词：热敏电阻；温度传感器；负温度系数；串口；锁相放大器
中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1600803
Hardware Circuit Design for Testing the Property Curve of Thermistor
XIANG Ying
(Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou,510665,China)
Abstract：In this paper,a hardware circuit is designed to test the property curve of thermistor.Taking DS18B20 as temperature sensors,its communication program is written between single chip computer and PC and the temperature value is sent to PC by the serial port.By sound card,the voltage value is picked PC and tested via virtual lockinamplifier by LabVIEW.By the way,it may realize the change curve of negative temperature coefficient for the thermal resistor.its innovation lies in that it collects voltage variation values caused by resistance value changes by bridge and reads them into PC,thus realizing the computerbased data colletion and analysis.
Keywords：thermal resistor;temperature sensor;negative temperature coefficient;serial port;lockinamplifier
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成,利用的原理是温度引起电阻变化。热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻,以及临界温度热敏电阻（CTR）。NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料,它在电子线路、自动控制以及传感技术中都有广泛的应用。
本系统是要检测热敏电阻的特性曲线,所以除了要有阻值的变化外,也要有温度的同步变化数值。集成温度传感器DS18B20可检测到-55~100 ℃温度范围内的温度变化,精度可达到0.01 ℃。利用DS18B20对热敏电阻温度的监控,通过单片机对继电器的控制,完成对热敏电阻的温度控制。测量值采集到了计算机中,可以实现基于计算机的数据采集和分析。
1 温度特性测量原理
当温度变化不是很大时,热敏电阻的阻值随温度的变化不明显,一般的测量方法（如伏安法）测量不精确。本测量方法采用电桥提取阻值变化引起的电压变化信号,这一电压信号一般在几μV,环境噪声对它的测量结果影响较大,而采用锁相放大器来测量则可以提高测量的精度。测量电路如图1所示。
信号发生器作为交流信号源,产生1 000 Hz标准的正弦波信号和同步触发的参考信号,一路作为参考信号直接送锁相放大器;另一路接入电桥测量电路的AB两端。R1和R3均为1 kΩ左右的电阻,R2为10 Ω左右的电阻,RT为待测的热敏电阻,阻值为几~十几欧姆。
由于电桥A，B两端的信号电压VAB值为固定,当热敏电阻RT所测的温度改变时,将引起电桥C，D两点的电压的变化,而C，D两点的电压VCD就是锁相放大器被测信号的输入电压。根据锁相放大器的工作原理,在参考信号不变的情况下,锁相放大器的输出电压VO与VCD有线性关系。根据测量回路的电压与电流的关系,可以求出电压VCD与电阻RT的关系如下：VCD=VAB［RT/（RT+ R3）・R2・（R1+ R2）］由于R3远大于RT,所以上式可以近似写为：VCD=aRT+b因此，VO正比于aRT+b（a,b为常数）。
这样,通过测得锁相放大器的输出电压VO随温度变化的特性,就可以求出热敏电阻的阻值RT随温度变化的特性。
3 温度特性测量硬件电路
3.1 系统结构的整体设计
硬件电路的系统结构整体设计如图2所示。
实验硬件系统由真实信号发生器提供信号源。信号发生器上方输出端为同步TTL方波,串接分压电阻衰减后,输出为1 V方波。其输出直接连接至音频输入电缆的右声道,通过声卡模/数转换后输入到计算机中。
信号发生器的输出设置为正弦波,频率为500 Hz,幅度调节为1 V。信号发生器输出的正弦信号作为桥式电路的输入信号,C，D两端之间的电压差输出连接至一差分放大器,放大器输出的C，D间的电压差由音频输入电缆的左声道采集,通过声卡模数转换后输入到计算机中。
热敏电阻RT紧靠着一个水泥电阻,由一个继电器控制水泥电阻电路的通、断状态,计算机通过串口向单片机发送指令,控制继电器的状态,共同构成了加热控制电路。数字式温度传感器DS18B20紧靠在水泥电阻旁,在水泥电阻给热敏电阻加热的同时测得热敏电阻的温度,该温度值读入到单片机中,经串口发送到计算机中。
3.2 电压采集电路
电压采集电路由桥式电路和放大器AD620组成,电路如图3所示。
在电压采集电路中,因为C,D两点电压差在毫伏级变化,所以采集到的信号必须经过放大才能输入到PC机。在本系统中放大器选用AD620,放大倍数G=130,RG=130 Ω。AD620是一个高放大倍数的放大器,通过对可调电阻R4的调节可以控制放大器的放大倍数从1~1 000倍之间变化。 AD620运放增益计算公式：
G=(49.4 kΩ/RG)+1；RG=49.4 kΩ/(G-1)
采集到的输出电压经声卡的左声道送入到计算机中,由LabVIEW软件编写的虚拟锁相放大器测量。
3.3 温度测量电路
温度测量电路由温度控制电路和温度读取电路组成,如图4所示。电路中采用负温度系数（NTC Negative Temperature Coeff1Cient）的热敏电阻。所谓负温度系数是指随温度上升电阻呈指数关系减小,具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。
要检测热敏电阻的特性曲线,除了要有阻值的变化外,也要有温度的同步变化数值。集成温度传感器DS18B20是美国DALLAS公司最新推出的一种可组网数字式温度传感器,它体积小,电压适用范围宽（3~5 V）,用户还可以通过编程实现9~12位的温度读数,即具有可调的温度分辨率,因此它的实用性和可靠性比同类产品更高。它可检测到-55~100 ℃温度范围内的温度变化,精度可达到0.01 ℃。
DS18B20与单片机的接口极其简单,只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可。在实验电路中温度传送设置为10进制BCD码,一共传送5个字节,第一个字节发送十进制数09,为开启标志。接下来送温度的十位、个位、十分位、百分位,从测得的热敏电阻当前的温度开始,连续采样读取温度值。
继电器K1控制着水泥电阻R3电路的接通与否。当继电器闭合,电路导通,水泥电阻开始加热；反之,停止加热。继电器的状态通过单片机控制,单片机发送ASCII码“30H”,控制继电器闭合；发送“31H” ,则控制继电器断开。串口通信采用常见的通信转换芯片MAX232。从MAX232的9，10脚输入单片机信号,经转换后再从7，8脚输出到PC机。
3.4 电源部分
本系统设计了电源部分,其中+5 V电源给单片机供电,±12 V电源给水泥电阻供电,±5 V给放大器AD620供电。
3.5 C语言编写的单片机程序
单片机和PC机之间的通信协议为：波特率4 800 b/s,校验位无,数据位为8,停止位为1。单片机给PC机传每帧数据为5个字节的BCD码,第一个节字为开始标志,第二、三、四、五个字节为温度数据。
4 结 语
本文研制了热敏电阻温度特性测量实验的硬件电路。实验电路输出的待测电压由音频信号线采集,经声卡模数转换后输入到计算机中,由LabVIEW软件编写的虚拟锁相放大器测量。用C语言编写单片机程序,完成了计算机通过单片机控制继电器的状态,以及由串口将热敏电阻的温度值读入到计算机中,量值由计算机软件编程显示。实现了测量负温度系数的热敏电阻阻值随温度的变化曲线。
参 考 文 献
［1］黄贤武,郑摅筱.传感器原理与应用［M］.北京:高等教育出版社,2004．
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［4］杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用\.2版.北京:电子工业出版社.2004.
［5］潭浩强.C程序设计［M］.北京:清华大学出版社,2004．
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［7］ 华成英.模拟电子技术基本教程［M］.北京:清华大学出版社,2005．
［8］孙余凯,吴鸣山.数字电路基础与技能实训教程［M］.北京:电子工业出版社,2006．
［9］江力.单片机原理与应用技术［M］.北京:清华大学出版社,2006.
［10］谢云祥.欧阳森.电力电子单片机控制技术［M］.北京:机械工业出版社,2007．
热敏电阻篇3
关键词：热敏电阻、非平衡直流电桥、电阻温度特性
1、引言
热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件，其电阻温度系数一般为（-0.003~+0.6）℃-1。因此，热敏电阻一般可以分为:
Ⅰ、负电阻温度系数（简称NTC）的热敏电阻元件
常由一些过渡金属氧化物（主要用铜、镍、钴、镉等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的，近年还有单晶半导体等材料制成。国产的主要是指MF91~MF96型半导体热敏电阻。由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度的升高，迁移率增加，电阻率下降。大多应用于测温控温技术，还可以制成流量计、功率计等。
Ⅱ、正电阻温度系数（简称PTC）的热敏电阻元件
常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺，高温烧制而成。这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对可以忽略。载流子数目随温度的升高呈指数增加，载流子数目越多，电阻率越小。应用广泛，除测温、控温，在电子线路中作温度补偿外，还制成各类加热器，如电吹风等。
2、实验装置及原理
【实验装置】
FQJ—Ⅱ型教学用非平衡直流电桥，FQJ非平衡电桥加热实验装置（加热炉内置MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）以及控温用的温度传感器），连接线若干。
【实验原理】
根据半导体理论，一般半导体材料的电阻率 和绝对温度 之间的关系为
（1—1）
式中a与b对于同一种半导体材料为常量，其数值与材料的物理性质有关。因而热敏电阻的电阻值 可以根据电阻定律写为
（1—2）
式中 为两电极间距离， 为热敏电阻的横截面， 。
对某一特定电阻而言， 与b均为常数，用实验方法可以测定。为了便于数据处理，将上式两边取对数，则有
（1—3）
上式表明 与 呈线性关系，在实验中只要测得各个温度 以及对应的电阻 的值，
以 为横坐标， 为纵坐标作图，则得到的图线应为直线，可用图解法、计算法或最小二乘法求出参数 a、b的值。
热敏电阻的电阻温度系数 下式给出
（1—4）
从上述方法求得的b值和室温代入式（1—4），就可以算出室温时的电阻温度系数。
热敏电阻 在不同温度时的电阻值，可由非平衡直流电桥测得。非平衡直流电桥原理图如右图所示，B、D之间为一负载电阻 ，只要测出 ，就可以得到 值。
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当负载电阻 ，即电桥输出处于开
路状态时， =0，仅有电压输出，用 表示，当 时，电桥输出 =0，即电桥处于平衡状态。为了测量的准确性，在测量之前，电桥必须预调平衡，这样可使输出电压只与某一臂的电阻变化有关。
若R1、R2、R3固定，R4为待测电阻，R4 = RX，则当R4R4+R时，因电桥不平衡而产生的电压输出为：
（1—5）
在测量MF51型热敏电阻时，非平衡直流电桥所采用的是立式电桥 ， ，且 ，则
（1—6）
式中R和 均为预调平衡后的电阻值，测得电压输出后，通过式（1—6）运算可得R，从而求的 =R4+R。
3、热敏电阻的电阻温度特性研究
根据表一中MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）之电阻~温度特性研究桥式电路，并设计各臂电阻R和 的值，以确保电压输出不会溢出（本实验 =1000.0Ω， =4323.0Ω）。
根据桥式，预调平衡，将“功能转换”开关旋至“电压“位置，按下G、B开关，打开实验加热装置升温，每隔2℃测1个值，并将测量数据列表（表二）。
表一 MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）之电阻～温度特性
温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
电阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
表二 非平衡电桥电压输出形式（立式）测量MF51型热敏电阻的数据
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
温度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4
热力学T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4
0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4
0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9
4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1
根据表二所得的数据作出 ～ 图，如右图所示。运用最小二乘法计算所得的线性方程为 ，即MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）的电阻～温度特性的数学表达式为 。
4、实验结果误差
通过实验所得的MF51型半导体热敏电阻的电阻—温度特性的数学表达式为 。根据所得表达式计算出热敏电阻的电阻～温度特性的测量值，与表一所给出的参考值有较好的一致性，如下表所示：
表三 实验结果比较
温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
参考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
测量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823
相对误差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00
从上述结果来看，基本在实验误差范围之内。但我们可以清楚的发现，随着温度的升高，电阻值变小，但是相对误差却在变大，这主要是由内热效应而引起的。
5、内热效应的影响
在实验过程中，由于利用非平衡电桥测量热敏电阻时总有一定的工作电流通过，热敏电阻的电阻值大，体积小，热容量小，因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度的附加内热温升，这就是所谓的内热效应。在准确测量热敏电阻的温度特性时，必须考虑内热效应的影响。本实验不作进一步的研究和探讨。
6、实验小结
通过实验，我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的，而且随着温度上升，其电阻值呈指数关系下降。因而可以利用电阻—温度特性制成各类传感器，可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出，特别适于高精度测量。又由于元件的体积小，形状和封装材料选择性广，特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器，可应用与各种生产作业，开发潜力非常大。
参考文献：
[1] 竺江峰，芦立娟，鲁晓东。 大学物理实验[M]
[2] 杨述武，杨介信，陈国英。普通物理实验（二、电磁学部分）[M] 北京：高等教育出版社
热敏电阻篇4
关键词：热敏电阻，掺金γ-硅热敏电阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F转换器
一、前言
Z-半导体敏感元件﹙简称Z-元件﹚性能奇特，应用电路简单而且规范，使用组态灵活，应用开发潜力大。它包括Z-元件在内仅用两个﹙或3个﹚元器件，就可构成电路最简单的三端传感器，实现多种用途。特别是其中的三端数字传感器，已引起许多用户的关注。
Z-元件现有温、光、磁，以及正在开发中的力敏四个品种，都能以不同的电路组态，分别输出开关、模拟或脉冲频率信号，相应构成不同品种的三端传感器。其中，仅以温敏Z-元件为例，就可以组合出12种电路结构，输出12种波形，实现6种基本应用[3]。再考虑到其它光、磁或力敏Z-元件几个品种，其可供开发的扩展空间将十分可观。为了拓宽Z-元件的应用领域，很有从深度上和广度上进一步研究的价值。
本文在前述温、光、磁敏Z-元件的基础上，结合生产工艺和应用开发实践，在半导体工作机理上和电路应用组态上进行了深入的扩展研究，形成了一些新型的敏感元件。作为其中的部分实例，本文重点介绍了掺金g-硅新型热敏电阻、力敏Z-元件以及新型V/F转换器，供用户分析研究与应用开发参考。这些新型敏感元件都具有体积小、生产工艺简单、成本低、使用方便等特点。
二、掺金g-硅新型热敏电阻
1．概述
用g-硅单晶制造半导体器件是不多见的，特别是用原本制造Z-元件这样的高阻g-硅单晶来制造Z-元件以外的半导体器件，目前尚未见到报导。Z-元件的特殊性能，主要是由掺金高阻g-硅区﹙也就是n-i区﹚的特性所决定的，对掺金高阻g-硅的性能进行深入地研究希望引起半导体器件工作者的高度重视。
本部分从对掺金g-硅的特性深入研究入手，开发出一种新型的热敏元件，即掺金g-硅热敏电阻。介绍了该新型热敏电阻的工作原理、技术特性和应用特点。
2．掺金g-硅热敏电阻的工作机理
“掺金g-硅热敏电阻”简称掺金硅热敏电阻，它是在深入研究Z-元件微观工作机理的基础上，按新的结构和新的生产工艺设计制造的，在温度检测与控制领域提供了一种新型的温敏元件。
为了熟悉并正确使用这种新型温敏元件，必须首先了解它的工作机理。Z-元件是其N区被重掺杂补偿的改性PN结，即在高阻硅材料上形成的PN结，又经过重金属补偿，因而它具有特殊的半导体结构和特殊的伏安特性。图1为Z-元件的正向伏安特性曲线，图2为Z-元件的半导体结构示意图。
由图1可知，Z-元件具有一条“L”型伏安特性[1]，该特性可分成三个工作区：M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。其中，高阻的M1区对温度具有较高的灵敏度，自然成为研制掺金g-硅热敏电阻的主要着眼点。
从图2可知，Z-元件的结构依次是：金属电极层—P+欧姆接触区—P型扩散区—P-N结结面—低掺杂高补偿N区，即n-.i区—n+欧姆接触区—金层电极层。可见Z-元件是一种改性PN结，它具有由p+-p-n-.i-n+构成的四层结构，其中核心部位是N型高阻硅区n-.i，特称为掺金g-硅区。掺金g-硅区的建立为掺金g-硅热敏电阻奠定了物理基础。
Z-元件在正偏下的导电机理是基于一种“管道击穿”和“管道雪崩击穿”的模型[2]。Z-元件是一种PN结，对图2所示的Z-元件结构可按P-N结经典理论加以分析，因而在p-n-.i两区中也应存在一个自建电场区。该电场区因在P区很薄，自建电场区主要体现在n-.i区，且几乎占据了全部n-.i型区，这样宽的电场区其场强是很弱的，使得Z-元件呈现了高阻特性。如果给Z-元件施加正向偏压，这时因正向偏压的电场方向同Z-元件内部自建电场方向是相反的，很小的正向偏压便抵消了自建电场。这时按经典的PN结理论分析，本应进入正向导通状态，但由于Z-元件又是一种改性的PN结，其n-.i型区是经重金属掺杂的高补偿区，由于载流子被重金属陷阱所束缚，其电阻值在兆欧量级，其正向电流很小，表现在“L”曲线是线性电阻区即“M1”区。这时，如果存在温度场，由于热激发的作用使重金属陷阱中释放的载流子不断增加，并参与导电，必然具有较高的温度灵敏度。在M1区尚末形成导电管道，如果施加的正向偏压过大，将产生“管道击穿”，甚至“管道雪崩击穿”，将破坏了掺金g-硅新型热敏电阻的热阻特性，这是该热敏电阻的特殊问题。
在这一理论模型的指导下，不难想到，如果将Z-元件的n-.i区单独制造出来，肯定是一个高灵敏度的热敏电阻（由于半导体伴生着光效应，当然也是一个光敏感电阻），由此可构造出掺金g-硅新型热敏电阻的基本结构，如图3所示。由于掺金g-硅新型热敏电阻不存在PN结，其中n-.i层就是掺金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i区。测试结果表明，该结构的电特性就是一个热敏电阻。该热敏电阻具有NTC特性，它与现行NTC热敏电阻相比，具有较高的温度灵敏度。
3．掺金g-硅热敏电阻的生产工艺
掺金g-硅热敏电阻的生产工艺流程如图4工艺框图所示。可以看出，该生产工艺过程与Z-元件生产工艺的最大区别，就是不做P区扩散，所以它不是改性PN结，又与现行NTC热敏电阻的生产工艺完全不同，这种掺金g-硅新型热敏电阻使用的特殊材料和特殊工艺决定了它的性能与现行NTC热敏感电阻相比具有很大区别，其性能各有优缺点。
4．掺金g-硅热敏电阻与NTC热敏电阻的性能对比
从上述结构模型和工艺过程分析可知，掺金g-硅层是由金扩入而形成的高补偿的N型半导体，不存在PN结的结区。它的导电机理就是在外电场作用下未被重金属补偿的剩余的施主电子参与导电以及在外部热作用下使金陷阱中的电子又被激活而参与导电，而呈现的电阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主浓度就很低，又被陷阱捕获一些，剩余电子也就很少很少。参与导电的电子主要是陷阱中被热激活的电子占绝对份额。也就是说，掺金g-硅热敏电阻在一定的温度下的电阻值，是决定于工艺流程中金扩的浓度。研制实践中也证明了这一理论分析。不同的金扩浓度可以得到几千欧姆到几兆欧姆的电阻值。金扩散成为产品质量与性能控制的关健工序。
我们认为，由于掺金g-硅热敏电阻的导电机理与现行的NTC热敏电阻的导电机理完全不同，所以特性差别很大，也存在各自不同的优缺点。掺金g-硅热敏电阻的优点是：生产工艺简单，成本低，易于大批量生产，阻值范围宽（从几千欧姆到几兆欧姆），灵敏度高，特别是低于室温的低温区段比NTC热敏电阻要高近一个量级。其缺点是：一批产品中电阻值的一致性较差、线性度不如NTC，使用电压有阈值限制，超过阈值时会出现负阻。
掺金g-硅新型热敏电阻与NTC热敏电阻的电阻温度灵敏度特性对比如图5所示。
在不同温度下，温度灵敏度的实测值对比如表1所示。
掺金g-硅热敏电阻是一种新型温敏元件。本文虽作了较详细的工作机理分析，但现在工艺尚未完全成熟，愿与用户合作，共同探讨，通过工艺改进与提高，使这一新型元件早日成熟，推向市场，为用户服务。
三、力敏Z-元件
1．概述“力”参数的检测与控制在国民经济中占有重要地位。力敏元件及其相应的力传感器可直接测力，通过力也可间接检测许多其它物理参数，如重量，压力、气压、差压、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振动等，在机械制造、机器人、工业控制、农业气象、医疗卫生、工程地质、机电一体化产品以及其它国民经济装备领域中，具有广泛的用途。
在力参数的检测与控制领域中，现行的各种力敏元件或力传感器，包括电阻应变片、扩散硅应变片、扩散硅力传感器等，严格说，应称为模拟力传感器。它只能输出模拟信号，输出幅值小，灵敏度低是它的严重不足。这三种力敏元件或力传感器，为了与数字计算机相适应，用户不得不采取附加的数字化方法（即加以放大和A/D转换）才能与数字计算机相连接，使用极其不便，也增加了系统的成本。
Z-元件能以极其简单的电路结构直接输出数字信号，非常适合研制新型数字传感器[1]，其中也包括力数字传感器。这种力数字传感器输出的数字信号（包括开关信号和脉冲频率信号），不需A/D转换，就可与计算机直接通讯，为传感器进一步智能化和网络化提供了方便。
我们在深入研究Z-元件工作机理的基础上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，欢迎试用与合作开发这一新器件，实现力检测与控制领域的技术创新。
2．力敏Z-元件的伏安特性
如前所述，力敏Z-元件也是一种其N区被重掺杂补偿的改性PN结。力敏Z-元件的半导体结构如图6(a)所示。按本企业标准电路符号如图6(b)所示，图中“+”号表示PN结P区，即在正偏使用时接电源正极。图6(c)为正向“L”型伏安特性，与其它Z-元件一样该特性也分成三个工作区：M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。描述这个特性有四个特征参数：Vth为阈值电压，Ith为阈值电流，Vf为导通电压，If为导通电流。
M1区动态电阻很大，M3区动态电阻很小（近于零），从M1区到M3区的转换时间很短（微秒级），Z-元件具有两个稳定的工作状态：“高阻态”和“低阻态”，工作的初始状态可按需要设定。若静态工作点设定在M1区，Z-元件处于稳定的高阻状态，作为开关元件在电路中相当于“阻断”。若静态工作点设定在M3区，Z-元件将处于稳定的低阻状态，作为开关元件在电路中相当于“导通”。在正向伏安特性上P点是一个特别值得关注的点，特称为阀值点，其坐标为：P(Vth，Ith)。P点对外部力作用十分敏感，其灵敏度要比伏安特性上其它诸点要高许多。利用这一性质，可通过力作用，促成工作状态的一次性转换或周而复始地转换，就可分别输出开关信号或脉冲频率信号。
3．力敏Z-元件的电路结构
力敏Z-元件的应用电路十分简单，利用其“L”型伏安特性，在力载荷的作用下，很容易获得开关量输出或脉冲频率输出。力敏Z-元件的基本应用电路如图7所示。其中，图7(a)为开关量输出，图7(b)为脉冲频率输出。其输出波形分别如图8和图9所示。
在图7所示的应用电路中，电路的结构特征是：力敏Z-元件与负载电阻相串联，负载电阻RL用于限制工作电流，并取出输出信号。Z-元件应用开发的基本工作原理就在于通过半导体结构内部导电管道的力调变效应，使工作电流发生变化，从而改变Z-元件与负载电阻RL之间的压降分配，获得不同波形的输出信号。
（1）力敏Z-元件的开关量输出
在图7(a)所示的电路中，通过E和RL设定工作点Q，如图6﹙c﹚所示。若工作点选择在M1区时，力敏Z-元件处于小电流的高阻工作状态，输出电压为低电平。由于力敏Z-元件的阈值电压Vth对力载荷F具有很高的灵敏度，当力载荷F增加时，阈值点P向左推移，使Vth减小，当力载荷F增加到某一阈值Fth时，力敏Z-元件上的电压VZ恰好满足状态转换条件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件将从M1区跳变到M3区，处于大电流的低阻工作状态，输出电压为高电平。在RL上可得到从低电平到高电平的上跳变开关量输出，如图8(a)所示。如果在图7(a)所示电路中，把力敏Z-元件与负载电阻RL互换位置，则可得到由高电平到低电平的下跳变开关量输出，如图8(b)所示。无论是上跳变或下跳变开关量输出，VO的跳变幅值均可达到电源电压E的40~50%。
开关量输出的力敏Z-元件可用作力敏开关、力报警器或力控制器。
（2）力敏Z-元件的脉冲频率输出
由于力敏Z-元件的伏安特性随外部激励改变而改变，只要满足状态转换条件，就可实现力敏Z-元件工作状态的转换。如果满足状态转换条件，实现Z-元件工作状态的一次性转换，负载电阻RL上可输出开关信号；同理，如果满足状态转换条件，设法实现力敏Z-元件工作状态的周期性转换，则负载电阻RL上就可输出脉冲频率信号。
脉冲频率输出电路如图7(b)所示。在图7(b)电路中，力敏Z-元件与电容器C并联。由于力敏Z-元件具有负阻效应，且有两个工作状态，当并联以电容后，通过RC充放电作用，构成RC振荡回路，因此在输出端可得到与力载荷成比例变化的脉冲频率信号输出。其输出波形如图9(a)所示。输出频率的大小与E、RL、C取值有关，也与力敏Z-元件的阈值电压Vth值有关。当E、RL、C参数确定后，输出频率仅与Vth有关，而Vth对力作用很敏感，可得到较高的力灵敏度。初步测试结果表明：电容器C选择范围在0.01~1.0mF，负载电阻在5~20kW，较为合适。
同理，若把力敏Z-元件（连同辅助电容器C）与负载电阻RL互换位置，其输出频率仍与力载荷成比例，波形虽为锯齿波，但与图9﹙a﹚完全不同，
4．力敏Z-元件的机械结构与施力方式
力敏Z-元件芯片体积很小，施加外力载荷时，必须通过某种弹性体作为依托。当力载荷作用于弹性体时，使芯片内部产生内应力，此内应力可改变力敏Z-元件的工作状态（从低阻态到高阻态，或者从高阻态到低阻态），从而使输出端产生开关量输出或脉冲频率输出。作为弹性体可以采用条形或园形膜片，材质可以是磷铜、合金钢或其它弹性材料。无论采用哪种弹性体，力敏Z-元件的受力方式目前理论上可归结为两种基本结构：即悬臂式结构和简支式结构，其示意图如图10所示。为便于研究力敏Z-元件受力后的应力应变特征，结构放大示意如图11所示。
如前所述，Z-元件在外加电场作用下，在N区可产生“导电管道”，该导电管道在外部激励作用下，可产生“管道调变效应[2]，由图11可知，对力敏Z-元件来说，其P区很薄，N区相对较厚，焊接层的厚度可忽略不计，因而，在力载荷作用下的管道调变效应必将发生在N区。当力载荷作为一种外部激励作用于弹性体时，使弹性体产生一定的挠度，在半导体晶格内部产生内应力，导电管道受到力调变作用，使N区电阻发生变化，改变了力敏Z-元件的伏安特性，使阈值点P产生偏移，阈值电压Vth将发生变化。
实验表明，由于封装结构和受力方式的不同，可产生如图12和图13所示两种方式的应力应变。若静态工作点Q设置在M3区，施加的力载荷使N区产生“压”应力，N区晶格被压缩，导电管道变“细”，正偏使用时电阻值将增加，因伏安特性的改变使阈值点P右移，Vth增加。当力载荷F增加到某一特定阈值Fth时，阈值点P向右移至涸叵叩挠也啵γ鬦-元件将从低阻M3区跳变到高阻M1区，如图12所示。
同理，若静态工作点Q设置在M1区，施加的力载荷使N区产生“拉”应力，N区晶格被拉伸，导电管道变“粗”，正偏使用时电阻值将减小，因伏安特性的变化使阈值点P左移，Vth减小。当力载荷F增加到某一特定阈值Fth时，阈值点P左移至负载线上，力敏Z-元件将从高阻M1区跳变到低阻M3区，如图13所示。
上述分析可知，力敏Z-元件在不同封装结构和不同受力方式下，可产生工作状态的转换，可按设计需要输出不同的跳变信号，可用作力敏开关、力报警器或力控制器。在实际应用中，可通过电源电压E或负载电阻RL来设定力载荷的阈值Fth，但由于跳变阈值与力敏Z-元件的制造工艺、芯片尺寸、封装结构、弹性体材质与厚度、受力点的位置等诸多因素有关，许多问题尚需进一步研究与探讨。
力敏Z-元件具有M2区的负阻特性，并具有两个稳定的工作状态是脉冲频率输出的基础。借助辅助电容器C，按图7(b)所示电路，通过RC的充放电作用，可实现力敏Z-元件工作状态的周而复始的转换，采用图12﹙a﹚、﹙b﹚或图13﹙a﹚、﹙b﹚的结构和受力方式，都可输出脉冲频率信号，输出频率与力载荷成比例，其输出波形如图9(a)或图9(b)所示，分析从略。
作为设计实例，力敏Z-元件样件1#与样件2#，经加载与卸载实验，其脉冲频率输出的测试结果如下，供分析研究参考：力敏Z-元件特征参数:Vth=10V,Ith=1mA,Vf=4.5V(测试条件:T=25℃,RL=5kW)
芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用简支式结构，两支点距离为10mm；中间受力，应力应变方式为N区受压应力；条状P铜弹性体，厚度为0.2mm；试验环境温度为25.4℃。
按表2，样件2#﹙加载﹚所测数据，经计算机绘图可得回归线如图14所示。由于封装结构尚未定型测试数据有一定误差，但初步实验表明，在这种施力方式下，输出频率f与力载荷成正比，在一定施力范围内近似呈线性关系，且回差较小。随力载荷量程加大，非线性度要增加。回归处理后，力的平均频率灵敏度SF为：
Hz/g
约每10g改变1Hz。力灵敏度和回差是力敏Z-元件的重要技术指标。需要指出的是：灵敏度和回差与力敏Z-元件的特征参数、形状与尺寸、弹性体材质与厚度、封装结构以及受力方式等诸多因素有关。许多问题也需进一步研究与探讨。需按用户需求进行结构定型与标准化生产。
四、新型V/F转换器
1．概述
目前正在研制或在线使用的各种传统传感器，因只能输出模拟电压或模拟电流信号，应称为模拟传感器。模拟传感器是模拟仪表或模拟信讯时代的产物，主要缺点是输出幅值小，灵敏度低，不能与数字计算机直接通讯。人类进入数字信息化时代后，以数字技术支撑的数字计算机已十分普及，现代数字计算机要求处理数字信号，而模拟传感器因受材料、器件的限制，仍只能输出低幅值的模拟信号，不能与计算机直接通讯，已成为制约信息产业发展的瓶颈问题。为了使模拟传感器能与计算机实现通讯，目前是采取把输出信号进行放大再加以A/D转换，即把现行的模拟传感器加以数字化的方法来与数字计算机相适应。虽然在信息采集与处理过程中电路复杂，硬件成本增加，但由于目前能直接输出数字信号的数字传感器为数不多，这种模拟传感器数字化的方法仍发挥着巨大的作用。
本部分利用Z-元件构成一种新型的V/F转换器，它能把模拟传感器输出的电压信号变成能被数字计算机识别的频率信号，提供了一种模拟传感器数字化的新方法。该方法与采用A/D转换器方案相比，具有电路简单、成本低、体积小、输出幅值大、灵敏度高、输出线性度好、能与计算机直接通讯等一系列优点，可做为模拟传感器与计算机之间的重要接口，在信息产业中具有广泛的应用前景。
2．电路组成与工作原理
Z-元件是一种新型的半导体开关元件，当其两端电压达到一定阈值(即阈值电压Vth)时，可从高阻状态跳变到低阻状态；而当其两端电压小于一定阈值(即导通电压Vf)时，又可从低阻状态跳变到高阻状态。利用这一特性可方便地开发V/F转换器。
由Z-元件构成的V/F转换器如图15(a)所示，图15(b)为其中Z-元件的电路符号。在图15(a)所示电路中以电压E为输入，由于RL、C和Z-元件之间的充、放电作用，使电路始终处于自激振荡状态，其振荡频率f与输入电压E成正比，波形为锯齿波，其输出幅值可以很大，由选定的Z-元件参数而定。实现了模拟信号(电压E)到数字信号(频率f)的转换，可用于数字系统的触发。由于输出幅值大，它不需放大就可实现与计算机的直接通讯。
3．V/F转换器的传输特性
当基准温度TS=20℃时，输入电压E与输出频率f之间的传输特性如图16所示。由图16可知该传输特性具有良好的线性关系，其中Emin~Emax(相应于MN区间)是工作电压的极限范围，AB区间为可靠的工作量程范围，它决定于模拟传感器的输出和V/F转换电路的参数设计。
由于Z-元件是半导体开关元件，构成V/F转换器时，对温度也具有一定的灵敏度，即温度漂移。该温度漂移具有正温度系数，一般小于10Hz∕°C，当环境温度变化较大时，将引起检测误差。
热敏电阻篇5
【关键词】非平衡电桥；电阻；温度；应变；光照强度
非平衡电桥是单臂电桥在非平衡状态下的一种工程运用，当外界温度、压力、光照等物理量发生变化时，相应的电阻传感器电阻值发生变化，电桥就从平衡状态（预调平衡）变成不平衡状态，通过测量指零仪表测量的电压（或电流）发生的变化即所表征的电阻传感器电阻值的变化从而间接的测量出传感器相应物理状态的变化。
非平衡电桥在大学物理实验中的应用研究包括以下内容：非平衡电桥在电磁学中的应用：非平衡电桥测电阻；非平衡电桥在热学中的应用：利用非平衡电桥设计制作半导体热敏电阻温度计测温度；非平衡电桥在力学中的应用：利用非平衡电桥测物体的应变；非平衡电桥在光学中的应用：利用非平衡电桥测光照强度。
1.非平衡电桥测电阻
按照立式电桥使用非平衡电桥方法：选择R1=R2，且设置为一定值；R3设置为一定值。以电阻箱作为被测电阻，显然，RX的预置值应等于R3的值，将其按照二端电阻接入仪器“RX”的两个测量端子。按单臂电桥使用方法，微调R3使电桥达到预调平衡。设想由于某个物理量的变化，RX值发生了变化（实验中使用电阻箱阻值发生变化替代上述物理过程），电桥从预调平衡状态转为不平衡状态，指零仪表测的输出电压将从零开始产生一组变化数据。
一般情况下，由下式计算出非平衡电桥测量值：
式中，R1、R2、R3——桥臂电阻示值，U0——电压表示值，E——工作电压值，由工作电压示牌提供。
2.利用非平衡电桥设计制作半导体热敏电阻温度计测温度
某些金属氧化物半导体的电阻与温度的关系满足式（1）：，式中RT是温度T时的热敏电阻阻值，R是T趋于无穷时热敏电阻的阻值，B是热敏电阻的材料常数，T为热力学温度。因为半导体电阻对温度变化的反应比金属电阻灵敏得多，所以我们利用非平衡电桥设计制作半导体热敏电阻温度计测温度。
把热敏电阻接到RX处，将调压器输出调为零，测室温下的热敏电阻阻值，先调电桥至平衡得R0，改变R0为R0+R0使检流计偏转一格，求出电桥灵敏度。然后调节变压器输出进行加温，从25℃开始起每隔5℃测量一次Rt，直至85℃，绘出热敏电阻的Rt-t特性曲线。作曲线，确定式（1）中的常数B和。根据曲线改直后，直线的斜率k=B，在y轴上的截距，根据曲线改直后的图形所得的B和电阻常数更加准确一些。根据式（1）可得：。因此理论上来说，曲线应该是直线。一般来说，确定直线的参数要比确定曲线的参数要容易得多，因此用曲线改直后的图形所得到的结果要准确的多。
如果电源电压保持不变，那么一定温度T对应一定的RT，而RT又对应一定的U0即为相应的电压表偏转量。所以表中通过的电压值就直接与温度变化有关。这样由于测试变化引起的桥臂RT电阻值的变化可以直接由电表指针偏转大小来决定。只要事先对电表进行标定，就可以根据电压表的读数来表示测量温度的大小。
3.非平衡电桥测物体的应变
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或者半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种效应成为“应变效应”。
首先将电阻应变片粘贴在弹性体上，然后把电阻应变片接到RX处，可用非平衡电桥测出其阻值R0。当被测物体在外力作用下发生形变，产生应变，然后传递给与之连接的应变片，引起应变片电阻值的变化，通过测量电路变成电压输出，计算出RX。如果产生的应变用ε表示，电桥灵敏系数用k表示，则有。物体的应变值可先用专门仪器测出，则可由实验计算得出电桥灵敏系数k。（每批应变片可抽样测取k值，取其平均值。）这样确定了R0、RX、k后就可不再用专门的仪器测应变，而直接用非平衡电桥测量然后再计算出弹性体产生的应变ε。
4.利用非平衡电桥测光照强度
光照下物体的电导率改变的现象称为内光电效应（光导效应），光敏电阻是基于内光电效应的光电元件。光敏电阻又称光导管，它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。
光源采用了白色高亮度发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少和寿命长等优点。为了充分利用光源，在光源后放置了透镜1，这样点光源经透镜1出射平行光。实验过程中照射光强度变化由偏振器来控制，偏振器由1对偏振片组成，两偏振片间的夹角与照射光强度I有以下关系I=I0cos2。其中I0为当两偏振片平行时的出射光强。当平行光入射至射偏振器后，通过改变两偏振片间的夹角可达到调节照射光强度变化的目的。在偏振器后面再设置透镜2，目的是使由偏振器出射的平行光能高效、均匀地照射光敏电阻。
将光敏电阻接入非平衡电桥RX处，然后将某待测光源直接照射在测量仪的光照接收口（光敏电阻表面），开始可通过使用光照强度测量仪来测量相应光照的强度，不同光照强度导致光敏电阻值变化不同，从而使电路的输出电压也相应变化，根据测量数据作出电压-光照强度曲线关系图。这样有了电压-光照强度曲线关系图，光敏电阻在未知光照的照射下，就可由非平衡电桥的输出电压值查找到对应的光照强度值。
参考文献
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热敏电阻篇6
【关键词】热敏电阻;集成运放;电压比较器;报警电路
引言
作为一种模拟集成电路，集成运算放大器结构简单、用途宽广，具有高灵敏度和功能灵活等多种优势。负温度系数（NTC）型热敏电阻的阻值随温度升高而减小，二者组合可组成温度报警电路。温度的检测与控制电路在实际应用中比较广泛，一般用晶体管制作而成的电路，测量误差大，且电路比较复杂。用热敏电阻和集成运放组成的温度报警电路可实现温度的检测及报警功能，可以克服此类问题。
此电路实验在教学中已经应用，由于电路简单，所用的元件较少，操作容易，实验效果直观、显著，学生很感兴趣，加深了学生对集成运放的理解，提高了实验动手能力。
1.NTC热敏电阻的介绍
NTC（Negative Temperature Coefficient） 的中文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。而NTC热敏电阻器就是指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，采用陶瓷工艺加工制造而成的。此类金属氧化物材料都具有半导体的性质，因为它们的导电方式完全类似锗、硅等半导体材料。在温度低时，此类氧化物材料的载流子（电子或空穴）数目较少，导致其电阻值较高;当温度升高时，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一般在100～1000 000，温度系数在-2%～-6.5%[1]。可将NTC热敏电阻器广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。NTC热敏电阻RT的温度特性如图1所示。虽然它的电阻与温度变化曲线的线性度并不太好，但由于它是单值函数（即温度一定时，其阻值也是一定的单值。）如果设定100℃时电路自动报警，则这100℃即为阈值温度TTH，在特性曲线上可找到100℃对应的RT的电阻值。
图1 热敏电阻RT的温度特性曲线
2.集成运放组成的单限电压比较器
在自动化系统中，信号幅度的比较、信号幅度的选择、信号的采样和保持、信号的滤波等都是在信号处理方面经常遇到的问题。本设计需要应用由集成运放组成的比较信号幅度电路――电压比较器，集成运算放大器是电压比较器的核心器件[3]。电压比较器是集成运放在非线性工作状态下的一种具体应用。而电压比较器，是一种用来比较输入信号电压大小的电子电路。它可以将连续变化的模拟信号转换成仅有两个高、低状态的矩形波。集成运放工作在非线性区时，若，则运放输出正向电压;若，则运放输出负向电压。这是电压比较器的理论基础。图2为最基本的电压比较器和其电压传输特性图。两个输入端中的一个端子为参考端，参考电压为UR，另一个端子（比如同相端）作为信号输入端，比较信号电压与参考电压，当信号电压小于参考电压时，输出则为高电平，反之输出则为低电平。由此可得到电压传输特性曲线[4]。电压比较器通常用于越限报警、模数转换和波形变换等场合。
图2 基本电压比较器及电压传输特性曲线
3.电路原理图及其工作原理
3.1 电路原理图
电路原理图如图3所示。
图3 基于集成运放的温度报警电路图
3.2 电路工作原理
负温度系数热敏电阻RT用来检测功率器件温度（可将其粘在散热片上）或待测环境温度（如置于恒温箱），UCC为直流稳压电源，RT和R1串联，A点电位VA为电阻R1两端所分得的电压。电阻R1阻值近似不变。R2和组成分压器，调节RP可改变VB（电位器中心头的电压值）的电压。
VB值为比较器设定的阈值电压，称为VTH。若希望100℃时电路自动报警，则VTH的值应等于100℃时的VA值。当，比较器输出低电平，二极管导通，三极管截止，电路不报警，为正常状态。当，比较器输出高电平，二极管截止，三极管导通，指示灯亮，同时扬声器发出尖锐的报警声。
3.3 电路的保护措施
3.3.1 输入保护
一般情况下，集成运放工作在开环（即未引反馈）状态时，易因差模电压过大而损坏;在闭环状态时，易因共模电压超出极限而损坏。本文设计的电路原理图中所加的二极管限幅电路就是为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，以免损坏运放。此外，该电路只要改变VTH值，就可以很方便地改变阈值温度，适合不同的工作要求。
3.3.2 输出保护
电路原理图中，在集成运放输出端，由限流电阻R和稳压管DZ组成输出端保护电路。限流电阻R和稳压管DZ构成限幅电路，它一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值。当然，任何保护措施都是有限度的，若将输出端直接接电源，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响了电路的性能。
4.结束语
热敏电阻的电阻率随温度变化而变化，本文以负温度系数（NTC）型热敏电阻来进行温度测量，将温度信号转化为电压信号，输送到由集成运放工作于非线性区构成的电压比较器中，与阈值电压进行比较。若高于阈值电压，则电压比较器输出为高电平，此时三极管导通，报警电路工作。该电路是热敏电阻和集成运放结合的具体应用实例，有助于加深学生对相关知识的理解和应用。
参考文献
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热敏电阻篇7
关键词： HT48R54A； 温度测量； 热敏电阻； 温度表格
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）12?0143?02
随着人民生活水平以及环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，带辅助电加热功能的太阳能热水器尤其受到市场的青睐[1?3]。带辅助电加热功能的太阳能热水器可以根据用户设定的温度自动电加热，要完成这一功能的首要前提是必须先准确测量热水器的水温。目前测量水温的方法有：采用温度传感器DS18B20、采用热敏电阻并通过电压频率转换电路将电阻值转化为频率进行测量等方法[4?5]。采用温度传感器DS18B20测量水温，接口电路简单，但价格较贵。采用热敏电阻并通过电压频率转换电路测量水温，由于引入电压频率转换电路，增加了系统成本。作者在本文中提出了一种采用热敏电阻测量温度的简单易行、价格低廉的方法，且占用极少单片机I/O接口。这种方法也可应用于其他测温系统中。
1 太阳能热水器温度测量电路及原理
2 系统软件设计
2.1 获取充电时间的软件设计
2.2 温度表格的生成
2.3 查表程序设计
3 结 语
本文设计了一种基于HT48R54A单片机的太阳能热水器温度测量系统，该系统采用RC充放电式温度传感器测量电路，软件获取固定电阻与电容组成充电回路的充电时间、获取热敏电阻与电容组成充电回路的充电时间，建立温度表格，通过查表方式可以检测当前的温度。此系统结构简单易行，价格低廉，且占用极少系统资源。
参考文献
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[2] 王怀龙，许晓光.分体式太阳能热水器控制系统的优化设计[J].计算机测量与控制，2010，18（3）：586?588.
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[4] 霍振宇，马永强，杨珠.智能化太阳能热水器控制器设计[J]. 煤炭技术，2011，30（7）：215?216.
热敏电阻篇8
关键词： 热敏电阻； 耐电压测试； 矩阵式PTCR； 过流保护
中图分类号： TN37?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）09?0151?04
0 引 言
随着电子行业的发展，PTCR（正温度系数热敏电阻）元件由于其特殊的电性能，在工业电子设备、通信和家电产品中的应用越来越多，PTCR元件的生产规模越来越大。根据国家通信行业标准《通信设备过电流保护用正温度系数（PTC）热敏电阻器技术要求》[1]的相关规定，必须在产品出厂前进行可靠性测试，及早剔除存在缺陷的产品。耐电压特性是指PTC热敏电阻在不被破坏的前提下能承受的最高电压[2]，当超过这一极限电压时，由于内部结构原因，阻值不再上升，此时电阻器的电流将会上升，其消耗的功率就会增大，从而使PTCR温度急剧上升，元件被击穿而失效。所以耐压值是PTCR的一项关键基本质量参数，直接影响到热敏电阻的可靠性和使用寿命。在大规模生产中，如何高效稳定地对每一片样品进行测试一直困扰着当前的PTCR元件生产厂商。同时在测试过程中如何提高测试系统的安全性，保证测试结果的准确性也严重制约着当前耐电压测试仪的发展。针对这些问题，研制了矩阵式PTCR耐电压自动测试系统。
1 原 理
1.1 测试原理
热敏电阻篇9
传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量(如电压、电流、电容等)的一种组件,起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成,如:
二、传感器的分类
1.力电传感器
力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转化为电学信号(电压、电流等)的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中,如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统,以及安装在汽车上的ABS(防抱死制动系统),等等。
例1:演示位移传感器的工作原理如图1所示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑杆p,通过电压表显示的数据,来反映物移的大小x。假设电压表是理想的,则下列说法正确的是()。
A.物体M运动时,电源内的电流会发生变化
B.物体M运动时,电压表的示数会发生变化
C.物体M不动时,电路中没有电流
D.物体M不动时,电压表没有示数
答案:B。
2.热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理制成的,如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等)的温度控制、火警报警器、恒温箱等。
例2:广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中的温度传感器,是利用热敏电阻随温度变化而变化的特性工作的。在图2甲中,电源的电动势E=9.0V,内电阻不可忽略;G为内阻不计的灵敏电流表;R为保护电阻;R为热敏电阻,其电阻值与温度变化关系如图乙的R-t图像所示。则热敏电阻R与摄氏温度t的关系为R=;闭合电键S,当R的温度等于40℃时,电流表示数I=2.25mA,则当电流表的示数I=3.6mA时,热敏电阻R的温度是摄氏度。
答案:R=-1.875×10t+4.25;120。
解析:因为图像是直线,用斜截式求热敏电阻R与摄氏温度t的关系,设为R=kt+b,则根据t=0时,R=4.25kΩ(此处易误读为R=4.5kΩ,要小心),得b=4.25,再根据t=120°时,R=2kΩ,得k==-0.01875,所以得R与t的关系为R=1.875×10t+4.25。
从图甲,有E=I(R+R),从图乙读出,当t=-40°时,R=3.5kΩ,代入得9=2.25×(3.5+R),可求出R=0.5kΩ,又有9=3.6×(0.5+R),解得R=2kΩ,查图乙得t=120℃。
3.光电传感器
光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。
例3:如图3所示为光敏电阻自动计数器的示意图,其中A是发光仪器,B是传送带上物品,R为光敏电阻,R为定值电阻,此光电计数器的基本工作原理是()。
A.当有光照射R时,信号处理系统获得高电压
B.当有光照射R时,信号处理系统获得低电压
C.信号处理系统每获得一次低电压就记数一次
D.信号处理系统每获得一次高电压就记数一次
解析:光敏电阻自动计数器原理图如上,当传送带上没有物品挡住由A射出的光信号时,光敏电阻阻值变小,由分压规律知供给信号处理系统的电压变低;当传送带上有物品挡住由A射出的光信号时,光敏电阻的阻值变大,供给信号系统的电压变高并记数一次。这种高低交替变化的信号经过信号处理系统的处理,就会自动将其转化为相应的数字,实现自动计数的功能。故上题应选A、D。
4.声电传感器
例4:唱卡拉OK用的话筒内有传感器。其中有一种是动圈式的,它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈,线圈处于永磁体的磁场中,当声波使膜片前后振动时,就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是()。
A.该传感器是根据电流的磁效应工作的
B.该传感器是根据电磁感应原理工作的
C.膜片振动时,穿过金属线圈的磁通量不变
D.膜片振动时,金属线圈中不会产生感应电动势
答案:B。
5.电容式传感器
电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间距离d与极板间的电介质这几个因素。如果某一物理量(如角度、位移、深度等)的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,则通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化,起这种作用的电容器称为电容式传感器。
图4甲是测量角度θ的电容式传感器,原理是由于C∝S,动片与定片间的角度θ发生变化时,引起S的变化,通过测出C的变化,测量动片与定片间的夹角θ。
图4乙是测量液面高度h的电容式传感器,原理是由于C∝S,h发生变化,金属芯线和导电液体组成的电容发生变化,通过测定C的变化,可以测量液面高度h的变化。
图4丙是测量压力F的电容式传感器,原理是由于C∝1/d,压力F作用在可动电极上,引起极板间距d的变化,通过测出C的变化,测量压力F的变化。
图4丁是测量位移x的电容式传感器,原理是由于C随着电介质进入极板间的长度发生变化,通过测出C的变化,测量位移x的变化。
6.电感传感器
电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制的一种装置,一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。
例5:下面是动圈式话筒的原理图,请你根据图5说出具体原理。
热敏电阻篇10
论文摘要：CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。在我国北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因为该气体易在不能充分燃烧的条件下产生。设计出能检测到CO气体并能报警的电路是十分必要的，在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器部分要具有良好的温度、湿度稳定性。
根据生产生活需要设计CO探测报警电路，选用对CO有极高灵敏度的气敏传感器UL281作为报警电路探头，结合UL281结构及其功能，设计与之功能特点相匹配的电路，这些电路由单稳延时电路、稳定电源供电电路、探测电路（热清洗电路）、电压输出电路、报警电路和元件损坏电路。
将电源接通经过热清洗后将传感器放置在清洁空气中，由于敏感元件的电阻很大，IC2 放大倍数近似于1。因此用电压表测量H、L点之间的电压很小，电路不报警，可调节电位器RP2 ，可改变IC3的负输入电压，电路最终完成之后，调节滑动变阻器RP2 ，使IC3的负输入电压为2.9V。将传感器放大装有300ppm气样的密封塑料袋内，调节RP1，使IC2的输出为3.00V。此时电压比较器IC3正输入大于负输入，其输出正饱和而使VT3导通报警。
第一章 概 述
第一节 传感器的概述及组成
一、引 言
CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。我国的CO报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型单位场所，需要设置一种单一、廉价实用的CO探测报警装置，基于此种现象，应用所学的电路知识设计出一种简单易于实现，低成本的CO报警电路，不仅对于所学知识是一次综合复习的机会，而且更是练习如何应用所学的书本知识解决实际生产生活问题的能力，这是相当必要的。
二、 传感器概述
人们通常将能把被测量物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置称为传感器。传感器也叫做变换器、换能器或探测器。传感器输出的信号有不同的形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始数据参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号或是信息处理，或者是最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。
三、 传感器组成框图
传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。
敏感元件
传感元件
信号调节转换电路
辅助电源
传感器组成方框图
第二节 气敏传感器概述
一、 气敏传感器的检测对象及检测原理
此次设计的电路是一氧化碳探测报警器，由于一氧化碳是有毒气体，因此检测到一氧化碳并实现报警功能的电路设计就需要选用气敏传感器。
气敏传感器是一种把气体（多数为空气）中的有毒成分检测出来，并将它转换成适当的电信号的器件，如果以人们的感觉器官在作比喻，那么气敏传感器相当于人的鼻子（嗅觉）。但是人的嗅觉在灵敏其感知对象也是多样的。在我们周围，实际上存在的各种各样的气体，它们中的大部分将会成为气敏传感器的检测对象。气敏传感器的典型用途见于附表1.2.1和1.2.2。
首先被实际应用的气敏传感器是用于防止可燃性气体（LPG等）爆炸瓦斯泄露报警器。其后，随着环境监测等，又不断地提出研制新型气敏传感器的任务。
气敏传感器是化学传感器的一个重要组成部分。这里涉及到用于化学传感器的化学物质的检测原理。为了将化学物质检测出来分类，也就是同物理传感器一样，可分为能量变换式和能量控制式。前者是以被测物质所具有的化学能（化学电势）作为信号源，传感器相当于将化学能变换成电能的变换器（换能器）。
所谓半导体气体传感器，是对利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测气体成分或者测量其浓度的传感器的总称。
半导体气敏传感器大体上分为电阻式和非电阻式两种，电阻式半导体气体传感器利用氧化锡、氧化锌等金属材料来制作敏感元件；利用其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件，有多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等几种非电阻式半导体传感器。根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体进行直接的检测。目前，正在积极开发的有金属/半导体结型二极管和金属栅的MOS场效应晶体管的敏感元件，主要利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面单位有直接测定的传感器。
二、 “电阻式半导体气敏传感器”概述
半导体元件的电阻，由于与气体接触而发生变化，将利用这种现象的传感器，称之为电阻式半导体气敏传感器。这类气敏传感器元件的构造简单，也不需要专门的放大电路来放大信号。由于这些特点，所以它很早被研究，而且已制成商品。元件的种类有：在绝缘基片上用蒸镀或是溅射法制成的薄膜元件（厚度约小于1000Å）；把氧化物半导体粉末调制成的浆料印刷到基性的烧结型元件。传感器元件通常在加热条件下才能动作，因此必须有加热装置。把气体敏感膜加热器与温度测量探头集成在一块硅片上，从而制成集成开关电路动作，蜂鸣器和灯泡开始接通。半导体元件，大多在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随着温度的上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，呈现出一种过渡的现象。为防止这种误报警，通常在通电初期增设防止误报警电路。为防止突发性噪声，机内应装入延迟电路。
B1——开关电路
B2——防止通电初期误报警电路
B3——信号发生电路
B4——电源指示灯
B5——蜂鸣器电路
半导体的气敏特性如图，元件的电阻R与空气中所含有的被测气体浓度C之间的关系，根据经验一般用对数表示的如下公式是成立的：㏒R= m㏒C+n
m、n是由传感器元件，测量气体的种类，测量温度等因素决定的常数。m表示相对气体浓度变化的敏感程度，m越大，敏感程度越大，但对通常的可燃性气体的检测，一般取为1/2~1/3，设Rª为普通气体（空气）浓度为零时的电阻，则气体灵敏度（即响应率）可由Rª/R来表示，它是气浓度C的函数为便于气体检测，用C为定值时的相对灵敏度作比较。从图知道，相对灵敏度随气体而不同，虽然还随着传感器的种类、添加剂、测量温度的不同而有很大差异，但是一般越容易燃烧的气体，其含碳量越大，它的相对灵敏度也就高。这是因为在元件上的气体的燃烧，在本质上与气体的响应特性有关。
第二章 一氧化碳探测报警传感电路设计
第一节 CO探测报警电路设计的要求
CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。在我国北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因为该气体易在不能充分燃烧的条件下产生。设计出能检测到CO气体并能报警的电路是十分必要的，在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器部分要具有良好的温度、湿度稳定性。
第二节 电路设计所需的主要元器件的选用
一、UL281的选用
基于实际的需要，针对一氧化碳要选用对于一氧化碳气体具有较高的灵敏度的气敏元件，通过查阅资料选出UL281作为探头。
一氧化碳检测保护仪，其特征在于采样传感器为UL281半导体探头，作为采样传感器，并配置探头预热工作转换电路，解决了传感器在不同条件下其特征变化大的问题，并保证了探头工作在最佳状态。其探测极（2、3）端接9伏直流电源，（5、6）端输出接放大电路，其灯丝极（1、4）端之间接有探头预热工作转换电路。
表UL281参数
项目
测量范围
灵敏度
加热电压
加热电流
测量电压
工作温度
相对湿度
响应时间
单位
10-6
R0/RX
V
mA
V
°C
%RH
S
型号UL281
0~300
大于5
5±0.5
160~180
15±1.5
-10~50
不大于95
60
注：R0为在空气中的阻值，RX为在2*10-4酒精浓度时的阻值
它的灵敏度曲线如图所示，其响应曲线如图所示。
二、555单稳延时电路的选用
由于在工艺上气体敏感膜加热器与温度测量探头集成在同一块硅片上，从而制成集成化元件。当元件检测到气体时，电阻降低。半导体元件，大多数在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随温度上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，产生一种过渡现象。这样对于电路会产生误报警，为了防止误报警现象的产生，在电路内部需要装入延迟电路。因此在此次CO探测报警电路的设计中，采用555时基集成电路组成单稳态延时电路。
在实际应用中，555除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。本设计中所需要的是单稳电路，其电路及参数如下：
单稳类电路
单稳工作方式，它可分为3种。见图示。
第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1 和1.1.2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。
第2种（图2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。1.2.1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路。
第3种（图3）是压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为1.3.1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1.3.2。图中列出了2个常用电路。
根据电路的需要，采用1.2.1所示的脉冲启动单稳，其具有最简单的形式又能实现延时功能。
三、 电路中三极管的选用2SC2001和2SC945结构及参数
本电路设计采用了三极管2SC2001其结构及参数如下 ：
Description
Transistor. General purpose applications high total power disipation
Pol
NPN
Ic(max)
0.7A
Pc(max)
0.6W
Vceo(max)
25V
hfe(min.-max.)
90~400
Pins/Package
3P/TO-92
Application
LF A
2SC945结构及参数
NPN三极管 （与2SA733互补）
作为低噪声前置放大，应用于:彩电、收录机、遥控玩具等电子产品。
1、发射极 E
2、集电极 C
3、 基
极 B
极限值（TA=25℃）
集电极、基极击穿电压
VCBO
60
集电极、发射极击穿电压
VCEO
40
发射极、基极击穿电压
VEBO
6
集电极电流
IC
200
集电极功率
PC
625
结温
TJ
150
贮存温
TSTG
-55-150
四、LM324的选用
电路设计中所采用的运算放大器IC1~IC4 在制作时用一块集成运算放大器LM324即可实现其功能。其内部具有四个相同的运放，其结构及主要功能参数如下：
LM324MX 结构图及主要参数
Description
Low Power Quad Operational Amplifiers
Pins/Package
14P/DIP
第三节 电路整体设计框图及整体电路图
一、电路设计框图：
稳定电源供电电路
探测电路（热清洗电路）
电压输出电路（报警电路）
二、整体设计电路图：
转贴于
第四节 电路分析
一、 单稳延时电路的设计
设计单稳延时电路的原因是因为当元件检测到气体时，电阻降低。半导体元件，大多数在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随温度上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，产生一种过渡现象。这样对于电路会产生误报警，为了防止误报警现象的产生，在电路内部需要装入延迟电路。
采用555时基集成电路，它组成单稳态延时电路，接通电源后大约经过165s，555的输出端3脚输出高电平，使VT2 、VT5 导通。LED3 与R24 组成电源显示电路，当电路工作时，发光二极管LED3 发出绿光，显示电路电源供电正常。
二、稳压电路
设计稳压电路的原因是因为UL281工作时需要对其加热丝进行加热，其加热电源要求稳定，故采用稳压电路对其供电。
稳压电路由IC1， VT1 和R1-R4组成。IC1同相输入端上的电压为U+ =15/（47+15）=2.9V，IC1为一同相放大器，输出电压约为6V左右。因此，晶体管VT1导通，加在传感器加热丝与地之间的电压约为11V。，如果空气是清新的，通过气敏元件的电流仍很小（其电阻很大）。
三、加热电路
由于UL281工作时需对其加热丝进行加热，所以设计由VT2组成初始加热清洗电路，VT2 导通后，将R6、R7短路，A点流经传感器加热丝的电流增大，对其附表面进行加热清洗，VT5组成初始清洗指示电路，VT5导通后，LED2（黄）发光。
如图3
四、电压放大电路、报警电路
IC2组成电压放大器，其正输入端输入基准电压6V，当空气清洁时，气敏元件的电阻很大，IC2的放大倍数接近1，当一氧化碳浓度增加时，气敏元件阻值下降，IC2的放大倍数增加，输出电压亦增加，调整电位器RP1（10K）可改变放大倍数。
IC3 为电压比较器，它和晶体管VT3组成报警电路，调节RP2可调节报警浓度设定值，当CO浓度超过设定值时，IC3 输出高电平，VT3 导通，蜂鸣器报警。
（如图4，电压放大电路）
（如图5，报警电路）
五、元件损坏指示电路
传感器气敏元件损坏时，会对探测电路的测量结果造成严重的影响，因此有必要设置一种指示气敏元件是否正常工作的指示电路，如下图所示。IC4、VT4、组成气敏元件损坏指示电路，IC4接成比较器，其输入端的电位约为4.3V。气体元件正常工作时，R6、R7的压降大于4.3V，IC4输出为负，VT4截止，LED1（红）不亮，当传感器加热丝被烧断时，R6、R7悬空，其压降为0，IC4输出为高电平，VT4导通，LED1亮，红灯显示元件已损坏。
（如图6）
六、电路调试
（1）将电源接通经过热清洗后将传感器放置在清洁空气中，由于敏感元件的电阻很大，IC2 放大倍数近似于1。因此用电压表测量H点、L点之间的电压应很小，否则电路或传感器接线有故障。
（2） 调节电位器RP2，使IC3的负输入端的电压为2.90V
（3） 将传感器放大装有300ppm气样的密封塑料袋内，调节RP1，使IC2的输出为3.00V。此时电压比较器IC3正输入大于负输入，其输出正饱和而使VT3导通报警。
第三章 电路设计总结
一、优点总结
通过实际生活的需要而设计的CO检测报警电路，此电路设计体现了该电路具有的优点，总结如下：
第一、首先针对需要被检测的有毒气体CO，选用什么样的气敏元件至关重要。要选择对一氧化碳有极高的灵敏度，这样才能使检测更准确，对一氧化碳有无以及浓度大小作出灵敏判断，并且要求湿度、温度稳定性好，以适应生产生活环境中湿度和温度的变化。通过查阅资料找到针对一氧化碳CO灵敏度极高的是气敏元件UL281。这样关键器件的选用问题解决了。
第二、选出的UL281对CO具有极高的灵敏度，但它不是孤立存在的，还要设计出与其相匹配的电路及探测报警电路。根据UL281的结构及其特点设计电路，既保证了UL281要求电源供电稳定，又保证了UL281的加热丝加热的要求。此电路还可通过滑动变阻器RP1 调节放大倍数。出于对报警安全严谨的考虑，还设计了气敏元件损坏指示电路，为了防止因元件损坏无法检测而造成无法报警，因此设计了气敏元件损坏指示电路。
二、 有待改进的地方总结
即使该电路的设计具有解决问题的主要优点和特点，但任何一项电路设计都不可能是完美的、没有缺憾的，因此我根据实际生活需求概括出此电路在实际应用中有待改进的地方如下：该电路设计只是根据实际的问题需要设计的探测报警电路原理图，如果把理论应用到实际生产生活中还要考虑产品如何才能更方便的使用。我想到的就是电源供电的问题。该设计用的是直流12V电源，不方便日常生活使用，在产品制作工艺上，电源部分设计成交流电源（生活用电），通过桥式整流等电路转换成直流电，作为电源供电，我想这样会更有益于日常生活推广使用。
参考文献
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