温度传感器的热时间常数及其测试方法
温度传感器响应时间测试
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动 态 测 试 功 能 由 实 时 测 量 部 分 和 ｆｇ 号 采 集 部 分 两 程 序 流 程删
NTC热敏电阻温度传感器
■ 可靠性试验 试验项目
性能要求
试验方法与条件
风华高科热敏元器件分公司 FENGHUA THERMISTOR COMPONENTS BRANCH COMPANY
4
NTC 热敏电阻温度传感器
温度循环试验
通电 高温试验 低温试验 耐潮温 引线强度
跌落试验
振动
碰撞 弯曲试验
－40℃（不冻液体中）10 分钟 回共 100 个循环周期。 －40℃, 10min 100℃, 10min.
中心阻值
(kΩ) 22.715 21.643 20.629 19.669 18.760 17.900 17.086 16.313 15.582 14.888 14.229 13.600 13.002 12.435 11.896 11.385 10.899 10.436 9..997 9.579 9.181
3.829
60
3.716
5.698
5.194
2.704
70
2.616
4.012
3.555
1.944
FH-CWF 103F 3950F
354.1 182.7 97.10 55.35 32.67 19.91 12.50 8.049 5.314 3.589 2.478 1.745 1.252 0.9117 0.6739 10.00 3950
风华高科热敏元器件分公司 FENGHUA THERMISTOR COMPONENTS BRANCH COMPANY
2
NTC 热敏电阻温度传感器
·热时间常数（静止空气中）：C 型：≤30s，E 型：≤20s.
·电阻－温度特性（R－T 特性）
型号 阻值 (kΩ) 温度 (℃)
－40
温度传感器在测量中的四大误差
1、安装不当引入的误差如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的8～10倍;热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性。
热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃;热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差;热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。
2、绝缘变差而引入的误差如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。
3、热惰性引入的误差由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。
所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。
测温环境许可时，甚至可将保护管取去。
由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。
测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。
当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。
为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。
时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。
使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。
在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。
4、热阻误差高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。
温度传感器热响应时间测试方法
泰索温度测控工程技术中心文件名称温度传感器热响应测试方法文件编号TS-QMSS-TW-026制定部门中心实验室生效日期2012.11.15 版本号A/0工位或工序名称测试室使用的工具、仪器、设备或材料试验装置、干式炉、精密温度仪表、计时器、传感器作业方法试验装置示图注释：2-固定托架；3-摆动气缸；4-旋转臂；5-直行气缸；6-传感器夹持器；7-干式炉；11-导向堵头；12-计时启动（位置）开关；26-被测传感器；27-温度显示仪表。
1.温度传感器时间常数定义温度传感器的时间常数是指被测介质温度从某一温度t0跃变到另一温度t x时，传感器测量端温度由起始温度t0上升到阶跃温度幅度值t n的63.2%所需的时间。
热响应时间用τ表示。
2.测试和试验步骤2.1将自控温管式电炉温度事先恒定在(建议：热电阻推荐300℃；热电偶推荐600℃)预定温度，待测样品安装在检定炉夹具上置于室温下等温30分钟以上（若传感器提前两小时放置在实验室，便不需要等温过程）。
2.2连接传感器与精密温度仪表测量线路，在将传感器置于温场前，接通电源，观察精密温度仪表显示的室温t s（t s=t0）并记录。
2.3提前计算以下有关数据2.3.1阶跃温度（幅度）值:对于热电阻t n=300-t s；对于热电偶t n=600-t s。
2.3.2记时掐表温度值t＇=63.2%t n+ t s，对应时间为热响应时间τ。
2.4试验操作2.4.1以上准备就绪，将温度显示仪表上限报警值设为：63.2%t n+ t s作为计时终止信号，以便自动的控制计时器工作。
2.4.2接通气源，按动摆动气缸电磁阀按钮，旋转臂摆动旋转至干式炉炉口上方（保持同一轴线），大约5秒后直行气缸电磁阀动作，将温度传感器垂直插入干式炉（深度大约180mm）。
此时，计时开关已经打开并开始计时。
2.4.3注意观察精密温度仪表显示温度值迅速变化，待温度显示值达到报警值63.2%t n+ t s瞬间，报警常闭接点断开，此刻计时器当前示值即为实际时间常数τ。
NTC热敏电阻工作原理
NTC热敏电阻工作原理、参数解释作者：时间：2010-3-14 5:09:12ntc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。
热电阻温度传感器热时间常数测试设计(静态法)2
系统软件设计热电阻温度传感器热时间常数测试系统软件设计主要由主程序、D/A 转换子程序、读取电压值子程序、中断方式DATA0809子程序、T0定时器定时20ms子程序、带借位减法子程序、显示子程序和延时程序组成。
其中可以分为以下几个功能模块：（1）主模块，分为系统的初始化、各子程序的调度管理等部分。
（2）数模转换模块，主要通过D/A转换器将AT89C51从P1口送出的数字转换为相应的模拟量。
（3）温度检测模块，分为采样保持与温度对应的电压值和通过DATA0809输入给单片机。
（4）热时间常数计算模块，通过20ms定时的巡回检测，由带借位减法子程序和无符号数乘除法程序计算热时间常数。
（5）基于74LS164的显示模块（它又可以分为初始化子程序、写入处理子程序及显示子程序等部分）。
我们在做系统软件设计之前，还应该注意的是首先要开辟一些数据缓冲区，用以存放临时数据。
因为本系统软件用到的寄存器很多，为防止破坏寄存器中的数据，特在AT89C51的数据存储区RAM中开辟一些存储单元。
从30H—5FH用来存放一些结果/数据，显示缓冲区在72H--74H。
在程序运行的开始，首先初始化。
4.1初始化程序设计初始化程序中包括系统的初始化以及各芯片的初始化。
系统的初始化主要是设置各输出/输入口的初始状态、开中断、置定时器的工作方式及定时常数、显示缓冲区清零。
各芯片的初始化程序设计，我们可以通过芯片管脚与单片机不同的连接方式，来设计相应的软件，这在硬件电路部分已详细介绍。
图4-1主程序流程图热电阻温度传感器热时间常数测试系统软件设计必须充分考虑到各部分器件的特点。
其主程序流程图如图4-1所示。
4.3A/D转换程序流程图图4-2A/D转换程序流程图图4-2是A/D转换子程序流程图，采用中断方式。
由AT89C51，启动A/D(P2.7=0、错误！未找到引用源。
=0或非后控制)；读数据(P2.7=0、错误！未找到引用源。
=0或非后控制),硬件撤消中断4.4显示子程序当系统传送一个字节数给74LS164时，利用UART模式0。
PN结温度传感器测温实验
实验三PN结温度传感器测温实验实验目的：了解PN结温度传感器的特性及工作情况。
所需部件：主、副电源、可调直流稳压电源、-15V稳压电源、差动放大器、电压放大器、F/V 表、加热器、电桥、温度计。
旋钮初始位置：直流稳压电源±6V档，差放增益最小逆时针到底（1倍），电压放大器幅度最大4.5倍。
实验原理：晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。
例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降约2.1mV，利用这种特性可做成各种各样的PN结温度传感器。
它具有线性好、时间常数小（0.2～2秒），灵敏度高等优点，测温范围为-50℃～+150℃。
其不足之处是离散性大互换性较差。
实验步骤：(1)了解PN结，加热器，电桥在实验仪所在的位置及它们的符号。
(2)观察PN结传感器结构、用数字万用表“二级管”档，测量PN结正反向的结电压，得出其结果。
(3)把直流稳压电源V+插口用所配的专用电阻线（51K）与PN结传感器的正向端相连，并按图37接好放大电路，注意各旋钮的初始位置，电压表置2V档。
图三（4）开启主、副电源，调节W1电位器，使电压表指示为零，同时记下此时水银温度计的室温值（△t）。
（5）将-15V接入加热器（-15V在低频振荡器右下角），观察电压表读数的变化，因PN结温度传感器的温度变化灵敏度约为：-2.1mV/℃。
随着温度的升高，其：PN结电压将下降△V，该△V电压经差动放大器隔离传递（增益为1），至电压放大器放大4.5倍，此时的系统灵敏度S≈10mV/℃。
待电压表读数稳定后，即可利用这一结果，将电压值转换成温度值，从而演示出加热器在PN结温度传感器处产生的温度值（△T）。
此时该点的温度为△T+△t。
注意事项：（1）该实验仅作为一个演示性实验。
（2）加热器不要长时间的接入电源，此实验完成后应立即将-15V电源拆去，以免影响梁上的应变片性能。
课后问题：（1）分析一下该测温电路的误差来源。
（2）如要将其作为一个0～100℃的较理想的测温电路，你认为还必须具备哪些条件？（1）将电桥中1 与直流稳压电源中1相连，电桥中2与差动放大器中2相连，电桥中3与差动放大器中3相连；（2）差动放大器中1与PN结中1相连，PN结中1与直流稳压电源1又用51K电阻线相连，PN结中2与直流稳压电源2相连；（3）差动放大器中的4与电压放大器中的4相连，电压放大器中的7接F/V表的Vi孔；（4）当接入-15伏电压接入加热器时，低频振荡器的8与加热6相连，加热5与地相连。
NTC温度传感器测量IGBT模块温度
NTC温度传感器测量IGBT模块温度在IGBT模块变流器装置中，最关键的参数之一是IGBT芯片的温度。
直接测量的办法是将温度传感器安装在芯片上或者成为芯片的一部分。
如此做将会减少承载芯片电流能力的有效区域。
一个可行的替代方案用来确定芯片的温度，从测量基板的温度作为一个已知点开始，使用热模型计算IGBT温度。
在许多英飞凌的电力电子模块中，通常集成了热敏电阻，也称之为NTC，作为一个温度传感器以简化精确的温度测量的设计。
IGBT一些新封装结构的模块中，内部封装有温度传感器(NTC)。
如功率集成模块(PIM)；六单元(EconoPACK)FS系列；三相整流桥(Econobridge)；EasyPIM；EasyPACK；Easybridge；四单元H-桥(Econo-FourPACk)；增强型半桥(Econodual+)等模块内均封装有NTC温度传感器。
NTC是负温度系数热敏电阻，它可以有效地检测功率模块的稳态壳温(Tc)。
模块内封装的NTC参数完全相同。
NTC是安装在硅片的附近以实现紧密的热耦合，根据不同的模块，可将用于测量模块壳温的温度传感器与芯片直接封装在同一个陶瓷基板(DCB)上，也可以将NTC安装在一个单独的基板上，大大简化模块壳温的测量过程，如下图所示。
图1 NTC inside theEconoDUAL™3 mounted on a separate DCB close to theIGBT图3所示，NTC与IGB或二极管芯片位于同一陶瓷基板上，模块内使用隔离用硅胶填充，在正常运行条件下，它是满足隔离电压的要求。
EUPEC在IGBT模块最终测试中，对NTC进行2.5KV交流，1分钟100%的隔离能力测试。
但根据EN50178的要求，必须满足可能出现的任何故障期间保持安全隔离。
由于IBGT模块内NTC可能暴露在高压下(例如：短路期间或模块烧毁后)，用户还须从外部进行安全隔离。
如图4所示，当模块内部短路过流，或烧毁的过程中连线会熔化，并产生高能量的等离子区，而所有连线的等离子区的扩展方向都无法预期，如等离子区接触到NTC，NTC就会暴露在高压下，这就是用户需在外部进行安全隔离的必要性。