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NTC熱敏電阻的線性化及其應用2004年9月(1)

摘要   介紹了負溫度系數(NTC)熱敏電阻的特性,闡述了NTC熱敏電阻線性化的原理、改善NTC熱敏電阻非線性的方法及其在測溫系統中的應用。

關鍵詞    NTC熱敏電阻   溫度系數  非線性   智能溫度傳感器   單片機

NTC(負溫度系數)熱敏電阻的測溫范圍比集成溫度傳感器寬(最高可達+250℃),而價格又比鉑熱電阻低廉,被廣泛應用于工業測溫領域。但由于NTC熱敏電阻屬于非線性元件,因此必須進行線性化處理。利用外部電阻和智能溫度傳感器來實現NTC熱敏電阻線性化的方法,其優點是電路簡單、成本低廉,可同時對多路NTC熱敏電阻做線性化處理,并能在此基礎上構成多通道溫度測量系統。

1 NTC熱敏電阻的特性

   NTC熱敏電阻的電阻值( )與熱力學溫度(T)的典型曲線如圖1所示。由圖可見,當溫度升高時 迅速減小,NTC熱敏電阻溫度系數 的定義式可表示為

                                    (1)

                  圖1 電阻值與熱力學溫度的典型曲線

NTC熱敏電阻值與熱力學溫度的準確表達式為

                                           (2)

式中:A、B為由半導體材料和加工工藝所決定的兩個常數,B值為熱敏指數。

   設在某一溫度 下的電阻值為 ,有關系式

                                             (3)

將式(2)除以式(3)后得到

                                       (4)

對式(4)兩邊取對數后整理成

                                     (5)

利用式(5)可以計算出B值。

     最后將式(2)代入式(1)中并進行微分后可得到

                        (6)

這表明 并非一個常數,而是溫度的函數,它與熱力學溫度的平方成反比,且為一負值。由此可見,NTC熱敏電阻溫度系數的絕對值隨溫度的降低而增大,隨溫度升高而減小,這是造成NTC熱敏電阻非線性的根本原因。

2  NTC熱敏電阻線性化的電路設計

通常利用單片機對NTC熱敏電阻進行線性化,不僅電路復雜,而且要做大量的計算。下面介紹一種利用四通道智能溫度傳感器MAX6691實現NTC熱敏電阻線性化的電路,如圖2所示。 分別接4只熱敏電阻。在 之間接外部電阻 。 分別為電源端和地。I/O為漏極開路的單線輸入/輸出接口,外部接10k 的上拉電阻。該芯片適配熱敏電阻并具有單顯I/O接口。

                 圖2  NTC熱敏電阻線性化電路

MAX6691既可配負溫度系數(NTC)熱敏電阻,又可配正溫度系數(PTC)熱敏電阻。在測量氣體或液體溫度時,使用NTC熱敏電阻更為普遍。熱敏電阻的測量范圍可以超出芯片的工作溫度。例如配10K3A1IA型NTC熱敏電阻時,MAX6691的測溫范圍是-80℃~+150℃,而MAX6691的工作溫度范圍僅為-55℃~+125℃。

MAX6691內部主要包括5部分:①1.24V基準電壓源;②由四選一模擬開關構成的多路轉換器(MUX);③緩沖放大器;④PWM轉換器及單線I/O接口;⑤控制邏輯。外圍元件中, 代表四只NTC熱敏電阻, 為外部電阻, 為I/O端上拉電阻,C為濾除電源噪聲的電容。

MAX6691的測溫原理如下:首先通過自動切換多路轉換器(MUX)依次檢測4只NTC熱敏電阻的電壓,然后進行緩沖放大,再利用PWM轉換器把電壓信號變成脈寬信號,由單線I/O接口送給單片機( ),最后由 分別計算出4路被測溫度的數值。測量準確度為0.5%,測量誤差小于0.5%FS(FS代表滿量程溫度值),能自動檢測熱敏電阻開路或短路故障,一旦出現故障,I/O端就輸出一個很窄的故障脈沖。

在測量前,MAX6691處于休眠模式,I/O端呈高電平 。測量開始時,單片機首先把I/O端置成低電平并至少保持5 時間,然后釋放I/O端。MAX6691的 端就依次連接到熱敏電阻 上,再經過 接基準電壓 ,測量過程需102ms(典型值)。測量結束時,MAX6691先把I/O端拉成低電平并保持125 ,然后按照順序輸出4個脈寬信號 , 即表示高電平持續時間,它與外部電阻 上的壓將 成正比。 代表低電平持續時間,它與 成正比,因 為固定值,故 恒定不變, =4.9ms。 比值的表達式為[3]


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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