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NTC热敏电阻的线性化及其应用2004年9月(1)

摘要   介绍了负温度系数(NTC)热敏电阻的特性,阐述了NTC热敏电阻线性化的原理、改善NTC热敏电阻非线性的方法及其在测温系统中的应用。

关键词    NTC热敏电阻   温度系数  非线性   智能温度传感器   单片机

NTC(负温度系数)热敏电阻的测温范围比集成温度传感器宽(最高可达+250℃),而价格又比铂热电阻低廉,被广泛应用于工业测温领域。但由于NTC热敏电阻属于非线性元件,因此必须进行线性化处理。利用外部电阻和智能温度传感器来实现NTC热敏电阻线性化的方法,其优点是电路简单、成本低廉,可同时对多路NTC热敏电阻做线性化处理,并能在此基础上构成多通道温度测量系统。

1 NTC热敏电阻的特性

   NTC热敏电阻的电阻值( )与热力学温度(T)的典型曲线如图1所示。由图可见,当温度升高时 迅速减小,NTC热敏电阻温度系数 的定义式可表示为

                                    (1)

                  图1 电阻值与热力学温度的典型曲线

NTC热敏电阻值与热力学温度的准确表达式为

                                           (2)

式中:A、B为由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数,B值为热敏指数。

   设在某一温度 下的电阻值为 ,有关系式

                                             (3)

将式(2)除以式(3)后得到

                                       (4)

对式(4)两边取对数后整理成

                                     (5)

利用式(5)可以计算出B值。

     最后将式(2)代入式(1)中并进行微分后可得到

                        (6)

这表明 并非一个常数,而是温度的函数,它与热力学温度的平方成反比,且为一负值。由此可见,NTC热敏电阻温度系数的绝对值随温度的降低而增大,随温度升高而减小,这是造成NTC热敏电阻非线性的根本原因。

2  NTC热敏电阻线性化的电路设计

通常利用单片机对NTC热敏电阻进行线性化,不仅电路复杂,而且要做大量的计算。下面介绍一种利用四通道智能温度传感器MAX6691实现NTC热敏电阻线性化的电路,如图2所示。 分别接4只热敏电阻。在 之间接外部电阻 分别为电源端和地。I/O为漏极开路的单线输入/输出接口,外部接10k 的上拉电阻。该芯片适配热敏电阻并具有单显I/O接口。

                 图2  NTC热敏电阻线性化电路

MAX6691既可配负温度系数(NTC)热敏电阻,又可配正温度系数(PTC)热敏电阻。在测量气体或液体温度时,使用NTC热敏电阻更为普遍。热敏电阻的测量范围可以超出芯片的工作温度。例如配10K3A1IA型NTC热敏电阻时,MAX6691的测温范围是-80℃~+150℃,而MAX6691的工作温度范围仅为-55℃~+125℃。

MAX6691内部主要包括5部分:①1.24V基准电压源;②由四选一模拟开关构成的多路转换器(MUX);③缓冲放大器;④PWM转换器及单线I/O接口;⑤控制逻辑。外围元件中, 代表四只NTC热敏电阻, 为外部电阻, 为I/O端上拉电阻,C为滤除电源噪声的电容。

MAX6691的测温原理如下:首先通过自动切换多路转换器(MUX)依次检测4只NTC热敏电阻的电压,然后进行缓冲放大,再利用PWM转换器把电压信号变成脉宽信号,由单线I/O接口送给单片机( ),最后由 分别计算出4路被测温度的数值。测量准确度为0.5%,测量误差小于0.5%FS(FS代表满量程温度值),能自动检测热敏电阻开路或短路故障,一旦出现故障,I/O端就输出一个很窄的故障脉冲。

在测量前,MAX6691处于休眠模式,I/O端呈高电平 。测量开始时,单片机首先把I/O端置成低电平并至少保持5 时间,然后释放I/O端。MAX6691的 端就依次连接到热敏电阻 上,再经过 接基准电压 ,测量过程需102ms(典型值)。测量结束时,MAX6691先把I/O端拉成低电平并保持125 ,然后按照顺序输出4个脉宽信号 , 即表示高电平持续时间,它与外部电阻 上的压将 成正比。 代表低电平持续时间,它与 成正比,因 为固定值,故 恒定不变, =4.9ms。 比值的表达式为[3]


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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