黃俊維
摘要:NTC熱敏電阻在電子領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,且具有價格低廉的特點(diǎn),但是在實(shí)際的操作中,由于熱敏電阻屬于非線性的原材料,因此必須進(jìn)行線性化的處理才能使用,本文就從熱敏電阻的特點(diǎn)、熱敏電阻的線性化設(shè)計、在使用熱敏電阻過程中需要注意的問題進(jìn)行具體的分析。
關(guān)鍵詞:NTC熱敏電阻;線性化;應(yīng)用
前言
相對于集成溫度傳感器來說,NTC熱敏電阻的溫度測量范圍更寬泛,據(jù)統(tǒng)計,使用熱敏電阻進(jìn)行測溫,最高溫度可以達(dá)到250攝氏度左右,而且和現(xiàn)階段常用的鉑熱電阻相比,其價格更低廉。但是由于NTC熱敏電阻在本質(zhì)上屬于非線性電阻,在進(jìn)行測溫的過程中,必須經(jīng)過線性化處理才能使用。本文就從熱敏電阻的特點(diǎn)、線性化設(shè)計、在使用的過程中需要注意的問題等進(jìn)行具體的分析。
1 NTC熱敏電阻的特點(diǎn)
一般情況下,熱敏電阻的阻值越高,熱力學(xué)的溫度就越低,隨著溫度的不斷提升,熱敏電阻的阻值也會迅速降低。因此我們在計算NTC熱敏電阻系數(shù)(aT)的時候,可以使用以下公式來進(jìn)行計算:aT=(1/RT)*(dRT/dT)
NTC熱敏電阻值與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系可以概括為:RT=AebB/T
上述算式中,A和B的數(shù)值主要是由半導(dǎo)體的材料和對半導(dǎo)體進(jìn)行加工的工藝來決定的,A為熱敏電阻在常溫下的標(biāo)稱阻值,B值為熱敏指數(shù)[1]。
假設(shè)在溫度T的環(huán)境下,電阻值是RT,則他們之間的關(guān)系就可以表示為:RT=AeB/T,從以上的分析中我們可以發(fā)現(xiàn),上面提到的aT其實(shí)并不是一個常數(shù),而是一個隨著溫度的變化而發(fā)生變化的數(shù)值,而且它與熱力學(xué)溫度的平方之間呈現(xiàn)的是反比的關(guān)系,而且在這個數(shù)值一定是小于0的。由此可見,NTC熱敏電阻溫度系數(shù)的絕對值實(shí)際上是伴隨著溫度的提升而不斷減少的,而溫度越低,它的數(shù)值也就越大,這也是導(dǎo)致熱敏電阻性質(zhì)呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)的一個十分重要的原因。
2 NTC熱敏電阻的線性化設(shè)計
在對熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的過程中,我們主要使用的單片機(jī),這樣的處理方式效率比較低,需要進(jìn)行大量的計算,本文主要研究的是使用四通道智能溫度傳感器對NTC熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的方式。將四通道分別定義為T1、T2、T3、T4,將這4個通道分別于四個熱敏電阻連接到一起。將外部電阻REXT連接到R+和R-之間[2]。電阻端和地分別是Ucc和GND。輸入/輸出接口分別為I/O。這種芯片能和熱敏電阻配合使用。
MAX6691既可以配合負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻使用,也可以配合正溫度系數(shù)的熱敏電阻使用。在對液體或是氣體的溫度進(jìn)行測量的過程中,經(jīng)常使用的就是NTC熱敏電阻。熱敏電阻的溫度測量范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于芯片在工作的過程中可能產(chǎn)生的溫度。例如:在匹配10K3A1IA型熱敏電阻的過程中,MAX6691在測溫的時候最低可以達(dá)到零下80攝氏度,最高可以達(dá)到零上150攝氏度,而MAX6691在工作的過程中最低溫度大約在零下55攝氏度做與偶,最高溫度也只有零上125攝氏度。
MAX6691的內(nèi)部構(gòu)造大約可以拆分為5個部分,即1.24V大小的基準(zhǔn)電源,多路轉(zhuǎn)換器(多數(shù)情況下由四選一模擬開關(guān)組成)緩沖放大器,單線I/O接口以及PWM轉(zhuǎn)換器;控制邏輯。在外圍的原件中,主要包括4只熱敏電阻,分別命名為RT1、RT2、RT3、RT4,另加入一只被命名為REXT的外部電阻,I/O端口上的為上拉電阻,命名為RC,其中的C主要用于對電源的噪聲進(jìn)行濾除。
MAX6691測溫的原理主要是先通過自動切換多路轉(zhuǎn)換器的方式來對4只熱敏電阻進(jìn)行依次檢測,接著進(jìn)行放大緩沖操作,在使用PNM轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)化成脈寬信號,通過單線的I/O接口將獲得的信號傳送給單片機(jī),最后由單片機(jī)將測得的溫度數(shù)值進(jìn)行輸出,測量的誤差不得高于0.5%FS,這樣系統(tǒng)就能夠自動判斷熱敏電阻是否存在短路的故障或是開路的故障,一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在故障,I/O端就會自動的將1個故障脈沖輸出出來。
在正式開始測量之前,多數(shù)情況下MAX9961會處于休眠的狀態(tài),在正式開始測量的時候,單片機(jī)會自動將I/O端設(shè)置成低電平的模式,且這樣的模式大約會保持5秒左右的時間,5秒之后,I/O會自動被釋放出來。然后,MAX9961的四個端口會分別與4個熱敏電阻相連接,再通過外部電阻REXT連接基準(zhǔn)電壓,整個測量過程大約需要耗費(fèi)102ms的時間。測量結(jié)束之后,MAX9961會先將I/O端的接口切換成低電平的模式,這樣的狀態(tài)大約會保持125s的時間,接著4個脈寬信號才會依次進(jìn)行輸出。
借助單片機(jī),非常容易測量出每一路的溫度,并根據(jù)測量的溫度計算出RT的數(shù)值,接著可以以外部存儲器的RT值為依據(jù),和溫度表中的溫度進(jìn)行對照,確定這一路的溫度數(shù)值。在進(jìn)行測量的過程中,如果檢測到了某一路的熱敏電阻發(fā)生了短路的問題或是開路的問題,相應(yīng)的支路輸出的脈寬信號就會自動被切換成窄脈沖,這樣的情況就被稱作故障脈沖。利用熱敏電阻的這個特點(diǎn),相應(yīng)的故障就非常容易被識別出來并促使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音進(jìn)行報警。
3 NTC熱敏電阻在應(yīng)用過程中需要注意的問題
NTC熱敏電阻和溫度之間主要是呈現(xiàn)非線性的關(guān)系,因此在正式使用之前,必須進(jìn)行線性化的處理,才能正式投入使用。對NTC熱敏電阻進(jìn)行線性處理可以通過以下的方式來實(shí)現(xiàn):首先,可以先將一只合適的REXT與RT進(jìn)行串聯(lián),然后將串聯(lián)好的RT連接到基準(zhǔn)電壓的位置,在借助MAX6691對REXT上面的電壓進(jìn)行測量,在可選范圍內(nèi)可以嘗試將NTC熱敏電阻的非線性數(shù)值降到最小[3]。
在對REXT數(shù)值進(jìn)行計算的時候,可以采取以下的步驟:
首先,要明確需要測量的溫度的范圍。
其次,在之前已經(jīng)確定的溫度的范圍內(nèi),明確熱敏電阻需要測量的溫度的最小數(shù)值和最大數(shù)值,即RMIN和RMAX以及兩者的中間數(shù)值RMID。最后,利用以下公式對REXT的數(shù)值進(jìn)行計算:REXT=[RMIN*(RMIN+RMAX)-2RMINRMAX]/(RMAX+RMIN-2RMID)
在這里,我們依然以10K3A1IA型的NTC熱敏電阻的使用為例,假如我們測量的溫度的范圍使0攝氏度到70攝氏度。在70攝氏度的時候,RMIN=1852.3歐姆;在0攝氏度的時候,RMAX=53625.3歐姆,當(dāng)溫度等于35攝氏度;也就是中間溫度的時候,RMID=6330.5歐姆。而當(dāng)需要測量的溫度的范圍發(fā)生了改變的時候,就需要對REXT的數(shù)值進(jìn)行重新的確定。
進(jìn)行合適的REXT串聯(lián),就可以將NTC的非線性電阻轉(zhuǎn)化成線性電阻。使用10K3A11IA,將REXT的數(shù)值設(shè)置成7670歐姆的時候,輸出的溫度值和溫度之間的關(guān)系會更接近于線性。
在對NTC熱敏電阻的非線性進(jìn)行線性改造的過程中,需要具體注意以下幾個方面的問題:第一是熱敏電阻自身發(fā)熱的問題,事實(shí)上,熱敏電阻在零上25度的環(huán)境中時的電阻值R0和在規(guī)定溫度下的電阻值RT以及通常我們定義的B值之間,都是說熱敏電阻自身很少發(fā)熱。
結(jié)語
綜上所述,在使用NTC熱敏電阻進(jìn)行測溫的過程中,由于NTC熱敏電阻的非線性性質(zhì),在正式開始測溫之前,必須對其進(jìn)行線性改造,本文通過對NTC熱敏電阻進(jìn)行線性改造的過程中需要注意的問題的研究,盡可能的提升了NTC熱敏電阻的使用效率,從而有效地提升了NTC熱敏電阻的測溫準(zhǔn)確度。
參考文獻(xiàn):
[1]孫慶龍.NTC熱敏電阻溫度特性研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013,26(04):16-17+26.
[2]范寒柏,謝漢華.基于NTC熱敏電阻的三種高精度測溫系統(tǒng)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(11):1576-1579.
[3]沙占友,王彥朋,杜之濤.NTC熱敏電阻的線性化及其應(yīng)用[J].自動化儀表,2004(09):30-32.