NTC熱敏電阻的線性化及其應(yīng)用

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.