優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度傳感系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

這是兩部分系列文章的第一篇。本文將首先討論基于熱敏電阻的溫度測量系統(tǒng)的歷史和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以及它與基于電阻溫度檢測器 (RTD) 的溫度測量系統(tǒng)的比較。它還將概述熱敏電阻的選擇、配置權(quán)衡以及 sigma-delta 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 在此應(yīng)用領(lǐng)域的重要性。第二篇文章將詳細(xì)介紹如何優(yōu)化以及如何評估最終的基于熱敏電阻的測量系統(tǒng)。

熱敏電阻與 RTD

如上一篇系列文章“優(yōu)化 RTD 溫度傳感系統(tǒng) 傳感系統(tǒng)”中所述，RTD 是一種電阻器，其電阻隨溫度而變化。熱敏電阻的工作方式與 RTD 類似。與僅具有正溫度系數(shù)的 RTD 不同，熱敏電阻可以具有正溫度系數(shù)或負(fù)溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而減小，而正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻的電阻會隨著溫度升高而增大。圖 1 顯示了典型的 NTC 和 PTC 熱敏電阻的響應(yīng)特性以及它們與 RTD 曲線的比較。

就溫度范圍而言，RTD 曲線接近線性，由于熱敏電阻的非線性(指數(shù))特性，傳感器覆蓋的溫度范圍比熱敏電阻更廣(通常為 -200°C 至 +850°C)。RTD 通常采用眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)曲線，而熱敏電阻曲線則因制造商而異。我們將在本文的熱敏電阻選擇指南部分詳細(xì)討論這一點(diǎn)。

圖 1. 熱敏電阻與 RTD 的響應(yīng)特性。

熱敏電阻由復(fù)合材料制成，通常是陶瓷、聚合物或半導(dǎo)體(通常是金屬氧化物)，與由純金屬(鉑、鎳或銅)制成的 RTD 相比，它們體積更小、價(jià)格更便宜，但不那么堅(jiān)固。熱敏電阻可以比 RTD 更快地檢測溫度變化，從而提供更快的反饋。因此，熱敏電阻通常用于需要低成本、小尺寸、更快響應(yīng)速度、更高靈敏度和溫度范圍受限的應(yīng)用中，例如監(jiān)控電子設(shè)備、家庭和樓宇控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)室或商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用中用于熱電偶的冷端補(bǔ)償。

在大多數(shù)情況下，在精密溫度測量應(yīng)用中，使用的是 NTC 熱敏電阻而不是 PTC 熱敏電阻。有幾種可用的 PTC 熱敏電阻可用于過流輸入保護(hù)電路或安全應(yīng)用的可復(fù)位保險(xiǎn)絲。PTC 熱敏電阻的電阻-溫度曲線在達(dá)到其開關(guān)點(diǎn)(或居里點(diǎn))之前呈現(xiàn)非常小的 NTC 區(qū)域，超過該點(diǎn)后，電阻會在幾攝氏度的范圍內(nèi)急劇增加幾個(gè)數(shù)量級。因此，在過流條件下，PTC 熱敏電阻在開關(guān)溫度之外會產(chǎn)生大量自熱，其電阻會急劇增加，從而導(dǎo)致輸入系統(tǒng)的電流減少，從而防止發(fā)生損壞。PTC 熱敏電阻的開關(guān)點(diǎn)通常在 60°C 和 120°C 之間，不適合在寬范圍應(yīng)用中監(jiān)測溫度測量。本文重點(diǎn)介紹通常可以測量或監(jiān)測 –80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比簡單得多，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(例如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。這不適合在廣泛應(yīng)用中監(jiān)測溫度測量。本文重點(diǎn)介紹通常可以測量或監(jiān)測–80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比簡單得多，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(例如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。這不適合在廣泛應(yīng)用中監(jiān)測溫度測量。本文重點(diǎn)介紹通?？梢詼y量或監(jiān)測–80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比簡單得多，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(例如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。本文重點(diǎn)介紹通常可測量或監(jiān)測 –80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比更簡單，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(例如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。本文重點(diǎn)介紹通常可測量或監(jiān)測 –80°C 至 +150°C 溫度的 NTC 熱敏電阻。NTC 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻范圍從幾歐姆到 10 MΩ。如圖 1 所示，與 RTD 相比，熱敏電阻每攝氏度的電阻變化更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路與 RTD 相比更簡單，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(例如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。熱敏電阻每攝氏度的電阻變化比 RTD 更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路比 RTD 簡單得多，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。熱敏電阻每攝氏度的電阻變化比 RTD 更大。熱敏電阻的高靈敏度和高電阻值使其前端電路比 RTD 簡單得多，因?yàn)闊崦綦娮璨恍枰魏翁厥獾慕泳€配置(如 3 線或 4 線)來補(bǔ)償引線電阻。熱敏電阻設(shè)計(jì)僅使用簡單的 2 線配置。

表 1 顯示了 RTD、NTC 和 PTC 熱敏電阻的優(yōu)缺點(diǎn)。

表 1. 熱敏電阻與 RTD

基于熱敏電阻的溫度測量挑戰(zhàn)

基于熱敏電阻的高精度、準(zhǔn)確溫度測量需要精確的信號調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和補(bǔ)償，如圖 2 所示。

圖 2. 典型的 NTC 熱敏電阻測量信號鏈塊。

雖然信號鏈看起來簡單明了，但其中涉及的幾個(gè)復(fù)雜因素也會影響整個(gè)系統(tǒng)板的尺寸、成本和性能。ADI 的精密 ADC 產(chǎn)品組合中提供了多種集成解決方案，例如 AD7124-4 / AD7124-8 ，它們在設(shè)計(jì)溫度系統(tǒng)時(shí)具有多種優(yōu)勢，因?yàn)閼?yīng)用中所需的大多數(shù)構(gòu)建模塊都是內(nèi)置的。然而，設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于熱敏電阻的溫度測量解決方案面臨著不同的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)包括：

· 市場上有各種各樣的熱敏電阻。

· 我該如何為我的應(yīng)用程序選擇正確的一個(gè)?

· 與 RTD 一樣，熱敏電阻是無源設(shè)備，本身不產(chǎn)生電輸出。激勵電流或電壓用于測量傳感器的電阻，方法是讓小電流通過傳感器產(chǎn)生電壓。

· 如何選擇電流/電壓?

· 應(yīng)如何調(diào)節(jié)熱敏電阻信號?

· 我如何調(diào)整上述變量以便轉(zhuǎn)換器或其他構(gòu)建塊在其規(guī)格范圍內(nèi)使用?

· 在系統(tǒng)中連接多個(gè)熱敏電阻：傳感器如何連接?不同傳感器之間可以共享某些模塊嗎?對整體系統(tǒng)性能有何影響?

· 對熱敏電阻的主要關(guān)注點(diǎn)是其非線性響應(yīng)和系統(tǒng)精度。

· 我的設(shè)計(jì)預(yù)期的錯誤是什么?

· 使用哪些線性化和補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能?

本文討論了每一個(gè)挑戰(zhàn)，并提供了有關(guān)如何解決這些問題以及進(jìn)一步簡化此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程的建議。

熱敏電阻選擇指南

目前市場上有各種各樣的 NTC 熱敏電阻可供選擇，因此為您的應(yīng)用選擇特定的熱敏電阻可能非常具有挑戰(zhàn)性。請注意，熱敏電阻按其標(biāo)稱值列出，即 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻。因此，10 kΩ 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的標(biāo)稱電阻為 10 kΩ。熱敏電阻的標(biāo)稱或基準(zhǔn)電阻值從幾歐姆到 10 MΩ 不等。標(biāo)稱電阻低(標(biāo)稱電阻為 10 kΩ 或更低)的熱敏電阻通常支持較低的溫度范圍，例如 -50°C 至 +70°C。標(biāo)稱電阻較高的熱敏電阻支持高達(dá) 300°C 的溫度。

熱敏電阻元件由金屬氧化物制成。熱敏電阻有珠狀、徑向和 SMD 形式。珠狀熱敏電阻采用環(huán)氧樹脂涂層或玻璃封裝，以提供額外保護(hù)。環(huán)氧樹脂涂層珠狀熱敏電阻、徑向和 SMD 熱敏電阻適用于高達(dá) 150°C 的溫度。玻璃涂層珠狀熱敏電阻適用于高溫測量。所有類型的涂層/包裝也可防止腐蝕。一些熱敏電阻還將具有額外的外殼，以在惡劣環(huán)境中提供進(jìn)一步的保護(hù)。與徑向/SMD 熱敏電阻相比，珠狀熱敏電阻的響應(yīng)時(shí)間更快。但是，它們不那么堅(jiān)固。因此，要使用的熱敏電阻類型取決于最終應(yīng)用和熱敏電阻所在的環(huán)境。熱敏電阻的長期穩(wěn)定性取決于其制造材料以及封裝和結(jié)構(gòu)。例如，環(huán)氧樹脂涂層 NTC 熱敏電阻每年變化 0.2°C，而密封熱敏電阻每年僅變化 0.02°C。

熱敏電阻的精度各不相同。標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻的精度通常為 0.5°C 至 1.5°C。熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值和 beta 值(25°C 至 50°C/85°C 關(guān)系)存在公差。請注意，熱敏電阻的 beta 值取決于制造商。例如，不同制造商生產(chǎn)的 10 kΩ NTC 熱敏電阻的 beta 值會有所不同。對于精度更高的系統(tǒng)，可以使用 Omega? 44xxx 系列等熱敏電阻。這些熱敏電阻在 0°C 至 70°C 的溫度范圍內(nèi)的精度為 0.1°C 或 0.2°C。因此，測量的溫度范圍以及溫度范圍內(nèi)所需的精度決定了熱敏電阻是否適合該應(yīng)用。請注意，Omega 44xxx 系列越精確，其成本就越高。

因此，要使用的熱敏電阻取決于：

· 測量的溫度范圍

· 要求準(zhǔn)確

· 熱敏電阻的使用環(huán)境

· 長期穩(wěn)定性

線性化：Beta 與 Steinhart-Hart 方程

要將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度，通常使用 beta 值。beta 值是通過了解兩個(gè)溫度點(diǎn)以及每個(gè)溫度點(diǎn)對應(yīng)的電阻來確定的。

在哪里：

R T1 = 溫度 1 時(shí)的電阻

R T2 = 溫度 2 時(shí)的電阻

T 1 = 溫度 1 (K)

T 2 = 溫度 2 (K)

熱敏電阻的數(shù)據(jù)表通常列出兩種情況的 beta 值：

· 兩個(gè)溫度分別為 25°C 和 50°C

· 兩個(gè)溫度分別為 25°C 和 85°C

用戶使用最接近設(shè)計(jì)所用溫度范圍的 beta 值。大多數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)表都會列出 beta 值以及 25°C 時(shí)的電阻公差和 beta 值的公差。

更高精度的熱敏電阻(例如 Omega 44xxx 系列)和更高精度的終端解決方案使用 Steinhart-Hart 方程將電阻轉(zhuǎn)換為攝氏度。從方程 2 中，需要三個(gè)常數(shù) A、B 和 C，這些常數(shù)同樣由傳感器制造商提供。由于方程的系數(shù)是使用三個(gè)溫度點(diǎn)生成的，因此所得方程將線性化引入的誤差降至最低(線性化導(dǎo)致的誤差通常為 0.02°C)。

在哪里：

A、B 和 C 是從三個(gè)溫度測試點(diǎn)得出的常數(shù)。R

= 熱敏電阻的電阻(單位為 Ω)

T = 溫度(單位為 K 度)

電流/電壓激勵

圖 3 顯示了傳感器的電流激勵。激勵電流施加到熱敏電阻上，相同的電流施加到精密電阻上;精密電阻用作測量的參考。參考電阻的值必須大于或等于熱敏電阻的最高電阻值(取決于系統(tǒng)中測量的最低溫度)。

圖 3. 熱敏電阻的電流激勵。

在選擇激勵電流的大小時(shí)，必須再次考慮熱敏電阻的最大電阻。這可確保傳感器和參考電阻上產(chǎn)生的電壓始終處于電子設(shè)備可接受的水平。激勵電流源需要一定的余量或輸出順從性。如果熱敏電阻在測量的最低溫度下具有較大的電阻，則會導(dǎo)致非常低的激勵電流值。因此，在高溫下熱敏電阻上產(chǎn)生的電壓很小。為了優(yōu)化這些低電平信號的測量，可以使用可編程增益級。但是，由于熱敏電阻的信號電平隨溫度變化很大，因此需要動態(tài)編程增益。

另一種選擇是設(shè)置增益但使用動態(tài)激勵電流。因此，隨著熱敏電阻信號電平的變化，激勵電流值會動態(tài)變化，從而使熱敏電阻兩端產(chǎn)生的電壓在電子設(shè)備指定的輸入范圍內(nèi)。用戶必須確保參考電阻兩端產(chǎn)生的電壓也處于電子設(shè)備可接受的水平。這兩種選擇都需要高水平的控制，持續(xù)監(jiān)測熱敏電阻兩端的電壓，以確保電子設(shè)備可以測量信號。有沒有更簡單的選擇?讓我們看看電壓激勵。

圖4.熱敏電阻的電壓激勵。

當(dāng)熱敏電阻被恒定電壓激勵時(shí)，流過熱敏電阻的電流將隨著熱敏電阻電阻的變化而自動縮放?，F(xiàn)在不再使用參考電阻，而是使用精密檢測電阻，其目的是計(jì)算流過熱敏電阻的電流，以便計(jì)算熱敏電阻電阻。由于激勵電壓也被用作 ADC 參考，因此無需增益級。在監(jiān)控?zé)崦綦娮鑳啥说碾妷骸⒋_定電子器件是否可以測量信號電平以及計(jì)算需要調(diào)整的增益/激勵電流值方面，處理器沒有工作量。這是本文使用的方法。

熱敏電阻阻值范圍/激勵

如果熱敏電阻的標(biāo)稱電阻和電阻范圍較小，則可以使用電壓或電流激勵。在這種情況下，激勵電流和增益可以是固定的。因此，電路將如圖 3 所示。這種方法很有用，因?yàn)榭梢钥刂屏鬟^傳感器和參考電阻的電流，這在低功率應(yīng)用中很有價(jià)值。此外，熱敏電阻的自熱也最小化了。

對于標(biāo)稱阻值較低的熱敏電阻，也可以使用電壓激勵。但是，用戶必須確保通過傳感器的電流對于傳感器本身或應(yīng)用而言任何時(shí)候都不要過大。

當(dāng)使用標(biāo)稱電阻大且溫度范圍大的熱敏電阻時(shí)，電壓激勵更容易實(shí)現(xiàn)。較大的標(biāo)稱電阻可確保標(biāo)稱電流處于合理水平。但是，設(shè)計(jì)人員需要確保電流在應(yīng)用支持的整個(gè)溫度范圍內(nèi)處于可接受的水平。

Sigma-Delta ADC 在基于熱敏電阻的應(yīng)用中的重要性

在設(shè)計(jì)熱敏電阻測量系統(tǒng)時(shí)，Sigma-delta ADC 具有多種優(yōu)勢。首先，由于 Sigma-delta ADC 對模擬輸入進(jìn)行過采樣，因此外部濾波被最小化，只需一個(gè)簡單的 RC 濾波器即可。它們在濾波器類型和輸出數(shù)據(jù)速率的選擇方面提供了靈活性。內(nèi)置數(shù)字濾波可用于抑制主電源供電設(shè)計(jì)中主電源的任何干擾。24 位部件(例如 AD7124-4/AD7124-8)的峰峰值分辨率最高為 21.7 位，因此它們提供了高分辨率。

其他好處包括：

· 模擬輸入的共模范圍較寬

· 參考輸入的寬共模范圍

· 能夠支持比例配置

一些 Σ-Δ ADC 集成度較高，包括：

· 美國職業(yè)高爾夫球協(xié)會

· 內(nèi)部參考

· 參考/模擬輸入緩沖器

· 校準(zhǔn)功能

使用 sigma-delta ADC 可顯著簡化熱敏電阻設(shè)計(jì)，同時(shí)降低 BOM、系統(tǒng)成本、電路板空間并縮短上市時(shí)間。

對于本文，AD7124-4/AD7124-8 用作 ADC，因?yàn)樗鼈兪堑驮肼?、低電流精?ADC，具有集成 PGA、嵌入式基準(zhǔn)、模擬輸入和基準(zhǔn)緩沖器。

熱敏電阻電路配置——比率配置

無論您使用激勵電流還是激勵電壓，建議使用比率配置，其中參考電壓和傳感器電壓來自同一激勵源。這意味著激勵源的任何變化都不會影響測量的準(zhǔn)確性。

圖 5 顯示了為熱敏電阻和精密電阻 R REF供電的恒定激勵電流，R REF兩端產(chǎn)生的電壓是熱敏電阻測量的參考電壓。

圖 5. 使用恒流源配置。

激勵電流不需要精確，而且可以不太穩(wěn)定，因?yàn)樵诖伺渲弥屑铍娏髦械娜魏握`差都會被抵消。激勵電流通常比電壓激勵更受歡迎，因?yàn)樗鼘`敏度的控制更好，當(dāng)傳感器位于遠(yuǎn)程區(qū)域時(shí)，它的抗噪性更好。這種偏置技術(shù)通常用于電阻值較低的 RTD 或熱敏電阻。但是，對于電阻值較高且靈敏度較高的熱敏電阻，每次溫度變化產(chǎn)生的信號電平會更大，因此使用電壓激勵。例如，10 kΩ 熱敏電阻在 25°C 時(shí)的電阻為 10 kΩ。在 ?50°C 時(shí)，NTC 熱敏電阻的電阻為 441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8 提供的最小激勵電流 50 μA 可產(chǎn)生 441 的電壓。117 kΩ × 50 μA = 22 V，這個(gè)值太高，超出了該應(yīng)用領(lǐng)域中使用的大多數(shù)可用 ADC 的工作范圍。熱敏電阻通常也連接或位于電子設(shè)備附近，因此不需要激勵電流的抗噪優(yōu)勢。

圖 6 顯示了用于在 NTC 熱敏電阻兩端產(chǎn)生電壓的恒定激勵電壓。

圖6.使用分壓器電路配置。

添加一個(gè)以分壓器電路形式出現(xiàn)的串聯(lián)檢測電阻器，將限制流過熱敏電阻器的電流，使其處于最小電阻值。在這種配置中，檢測電阻器 R SENSE的值必須等于熱敏電阻器在基準(zhǔn)溫度 25°C 時(shí)的電阻值，這樣，當(dāng)基準(zhǔn)溫度為 25°C 時(shí)，輸出電壓將設(shè)置為參考電壓的中間值。因此，如果使用 10 kΩ 熱敏電阻器，其在 25°C 時(shí)的電阻為 10 kΩ，則 R SENSE必須等于10kΩ。當(dāng)溫度變化時(shí)，NTC熱敏電阻的阻值也會變化，熱敏電阻兩端的激勵電壓比例也會變化，從而產(chǎn)生與NTC熱敏電阻阻值成比例的輸出電壓。

如果用于為熱敏電阻和/或 R SENSE供電的選定參考電壓與用于測量的 ADC 參考電壓相同，則系統(tǒng)將配置為比率測量(圖 7)，以便消除與激勵電壓源相關(guān)的任何誤差。

圖 7. 熱敏電阻比率配置測量。

請注意，檢測電阻(電壓激勵)或參考電阻(電流激勵)需要具有低初始公差和低漂移，因?yàn)檫@兩個(gè)變量都會影響整體系統(tǒng)精度。

當(dāng)使用多個(gè)熱敏電阻時(shí)，可以使用單個(gè)激勵電壓。但是，每個(gè)熱敏電阻必須有自己的精密檢測電阻，如圖 8 所示。另一種選擇是使用外部多路復(fù)用器或低導(dǎo)通電阻開關(guān)，這樣可以共享單個(gè)精密檢測電阻。使用這種配置時(shí)，每個(gè)熱敏電阻在測量中都需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。

圖 8. 多個(gè)熱敏電阻的模擬輸入配置測量。

總而言之，設(shè)計(jì)基于熱敏電阻的溫度系統(tǒng)時(shí)需要考慮多個(gè)問題：傳感器選擇、傳感器連接、組件選擇方面的權(quán)衡、ADC 配置，以及這些不同變量如何影響整體系統(tǒng)精度。本系列的下一篇文章將解釋如何優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整體系統(tǒng)誤差預(yù)算以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。