寬溫區(qū)熱敏電阻溫度傳感器調(diào)理電路

井云鵬，智文虎，關(guān)恩明，張厚慶

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器，體積小，靈敏度高，測(cè)溫響應(yīng)速度快，在溫度測(cè)量領(lǐng)域熱敏電阻溫度傳感器有著廣泛的應(yīng)用。熱敏電阻分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，由于具有受磁場(chǎng)影響小、抗輻射及耐振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在特殊場(chǎng)合溫度測(cè)量中應(yīng)用量很大。熱敏電阻阻值與溫度呈現(xiàn)非線性指數(shù)關(guān)系，從低溫區(qū)到高溫區(qū)阻值變化很大，非線性也很大，一般熱敏電阻溫度傳感器需要進(jìn)行溫度標(biāo)定后才能使用。經(jīng)過(guò)溫度標(biāo)定后建立熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系曲線。根據(jù)標(biāo)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析，還原溫度。熱敏電阻溫度傳感器測(cè)量電路有簡(jiǎn)單的電阻分壓型電路，對(duì)數(shù)放大型電路，電阻-頻率轉(zhuǎn)換型測(cè)量電路以及單片機(jī)數(shù)字測(cè)量電路等。電阻分壓型電路測(cè)量電路簡(jiǎn)單，非線性大，測(cè)量時(shí)根據(jù)測(cè)量輸出電壓與事先標(biāo)定好的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，反推出實(shí)際的測(cè)量溫度，標(biāo)定的溫度點(diǎn)多，數(shù)據(jù)量大，不能實(shí)時(shí)地給出溫度測(cè)量值，更適用于單溫度點(diǎn)測(cè)量。對(duì)數(shù)放大型電路較電阻分壓電路減小了非線性，電路輸出電壓更加精確，但是基于分立三極管和運(yùn)算放大器構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大電路對(duì)三極管和運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移要求比較高。溫度漂移比較大，電阻-頻率轉(zhuǎn)換型測(cè)量電路由于將熱敏電阻做為阻容振蕩電路的一部分，電阻變化時(shí)振蕩器的頻率發(fā)生變化通過(guò)測(cè)量頻率，間接測(cè)量溫度，電路中的分布電容對(duì)振蕩頻率影響比較大，電路中的導(dǎo)線及導(dǎo)線的固定位置對(duì)振蕩頻率都有影響，調(diào)試起來(lái)非常的麻煩。單片機(jī)數(shù)字測(cè)量電路精度高，非線性小，但是需要將標(biāo)定好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行查表分析，成本較高。

李冰尚等人［1］利用最小二乘法的多項(xiàng)式逼近原理，分段擬合了熱敏電阻器在溫度范圍-20～＋80 ℃的數(shù)學(xué)模型，寬溫區(qū)范圍的擬合精度較高。王選擇等人［2］利用電阻電容一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性提出了一種快速充放電的方法提高溫度響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量精度。劉穎等人［3］采用指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式Steinhart-Hart方程進(jìn)行曲線擬合，隨著多項(xiàng)式擬合次數(shù)的增加，擬合精度得到一定程度的提高。

本文提出了一種寬溫區(qū)熱敏電阻溫度傳感器調(diào)理電路，解決了分壓電阻測(cè)量電路非線性誤差大，測(cè)量精度不高的問(wèn)題。該電路采用集成對(duì)數(shù)放大器與集成模擬乘法器進(jìn)行線性化處理，有效地抑制了器件的溫度漂移。該電路調(diào)試方便，能夠同時(shí)調(diào)整非線性、零點(diǎn)輸出和上限輸出、輸出范圍達(dá)到0.1～4.9 V，不需要與標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比，直接給出特性方程，能夠滿足特殊場(chǎng)合溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量要求，溫度范圍在-25～＋125 ℃，非線性達(dá)到0.2%；在-45～＋125 ℃，非線性達(dá)到0.3%以下，測(cè)量誤差達(dá)到±0.3 ℃。

1 熱敏電阻溫度傳感器測(cè)量原理

熱敏電阻器是一種電阻值變化型的溫度傳感器，對(duì)于溫度呈非線性變化。目前溫度與熱敏電阻阻值之間關(guān)系的研究有傳統(tǒng)的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)方程，分段多項(xiàng)式擬合，Steinhart-Hart方程法。傳統(tǒng)的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)方程，應(yīng)用簡(jiǎn)單，應(yīng)用最多［4，5］。熱敏電阻阻值為RT（Ω），絕對(duì)溫度為T(mén)（K），則RT可以用式（1）表示

式中 T0（K）為基準(zhǔn)溫度（通常把這個(gè)基準(zhǔn)溫度選定為0 ℃或者室溫）；R0（Ω）為T(mén)0時(shí)的電阻值，B 為在T 和T0溫度之間電阻值變化的常數(shù)。

通常在使用時(shí)可以利用生產(chǎn)廠家提供的溫度電阻值特性表，這樣可以達(dá)到較高的精度［6～8］。簡(jiǎn)單的熱敏電阻器調(diào)理電路采用電阻分壓模式進(jìn)行電阻-電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有線性化作用。這樣的線性化電路只能保證在測(cè)量溫度范圍的兩端及中點(diǎn)值處具有與理論值接近的輸出電壓，在其他測(cè)量溫度點(diǎn)的非線性較大。這種測(cè)量線路還容易受到負(fù)載的影響，若用在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離儀表的場(chǎng)合，則長(zhǎng)距離的傳輸導(dǎo)線會(huì)引起測(cè)量誤差。測(cè)量溫度范圍在0～100 ℃區(qū)間內(nèi)，非線性誤差大約±4.2 ℃［9］，不能滿足高精度使用要求。

目前報(bào)道的熱敏電阻溫度傳感器非線性補(bǔ)償溫度范圍一般在正溫區(qū)10～100 ℃，非線性誤差在0.5%。

熱敏電阻的電阻-溫度特性的非線性大，離散性大，一般熱敏電阻的生產(chǎn)廠家會(huì)進(jìn)行篩選和分度，編制專門(mén)的熱敏電阻溫度特性的分度表。本文使用成都宏明電子股份有限公司四廠生產(chǎn)的MF501 熱敏電阻器進(jìn)行性能測(cè)試。經(jīng)過(guò)溫度標(biāo)定，MF501熱敏電阻器電阻溫度特性分度如表1。

表1 MF501 熱敏電阻器電阻溫度特性分度

2 熱敏電阻溫度傳感器調(diào)理電路

2.1 電源供電與熱敏電阻恒流源驅(qū)動(dòng)

電源供電采用±15 V直流供電，電源端設(shè)計(jì)防反接保護(hù)二極管及限流電阻。由于在恒電壓工作時(shí)，除了熱敏電阻本身的非線性誤差外，還會(huì)產(chǎn)生恒電壓工作電路的固有誤差，從而使整個(gè)電路的系統(tǒng)誤差變大。因此，熱敏電阻器采用恒流源驅(qū)動(dòng)，由2.5 V 電壓基準(zhǔn)源及運(yùn)算放大器組成恒流源驅(qū)動(dòng)電路，電路供電及恒流源驅(qū)動(dòng)電路原理如圖1。

圖1 電路供電及恒流源驅(qū)動(dòng)電路原理

圖1中，RT為MF501熱敏電阻器，R3為恒流源電流設(shè)定電阻250 kΩ，電流設(shè)計(jì)為0.01 mA。運(yùn)算放大器的輸出電壓為

2.2 對(duì)數(shù)放大電路

由于熱敏電阻值與溫度的關(guān)系具有式（1）的指數(shù)特性，所以線性化電路可采用對(duì)數(shù)放大器電路。電路原理如圖2。其中，R4＝R5＝10 kΩ，R6＝R7＝100 kΩ，R8＝523 Ω。

圖2 對(duì)數(shù)放大器電路原理

集成精密對(duì)數(shù)放大器可對(duì)2 個(gè)電流之比進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，輸入電流動(dòng)態(tài)范圍寬，可在1 nA～1 mA 之間變化，輸入電流比在100 dB范圍內(nèi)變化時(shí)，總輸出誤差為滿量程輸出的0.3%以下，偏離理想對(duì)數(shù)關(guān)系不超過(guò)0.1%。該芯片內(nèi)部集成了放大器、對(duì)數(shù)晶體管、低溫漂薄膜電阻、內(nèi)部電阻經(jīng)過(guò)激光調(diào)整，無(wú)需調(diào)整就能達(dá)到規(guī)定的運(yùn)算精度，具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于補(bǔ)償對(duì)數(shù)晶體管的熱電壓溫度漂移。集成對(duì)數(shù)放大器工作電源范圍寬，能夠在±15 V電源電壓下工作，用于對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算，不需要外部元件就可以改變對(duì)數(shù)放大器的放大倍數(shù)，應(yīng)用方便。集成對(duì)數(shù)放大器內(nèi)部簡(jiǎn)化電路原理如圖3。

圖3 集成對(duì)數(shù)放大器簡(jiǎn)化原理

雙極型三極管Q1，Q2的基-射極電壓為

式中 VT為熱電壓，VT＝kT／q，其中，k 為波爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T 為絕對(duì)溫度；IC為集電極電流，IS為反向飽和電流。由圖3可知

由于2只晶體管集成在一個(gè)封裝內(nèi)，性能一致，溫度相同，則

其中，I1＝-（R5／R4）V1／R6，I2＝2.5V／R7，R4＝R5，R6＝R7將式（4）代入式（5），得：V′out＝VTln（RT／R3），則

令（（R1＋R2）／R1）VT＝K，將式（1）代入式（6）得

消去式（7）的后兩項(xiàng)，Vout即與1／T 呈線性關(guān)系，利用除法電路后輸出則與溫度T 呈線性關(guān)系，從而達(dá)到了線性化的目的。其中，R1，R2為對(duì)數(shù)放大器內(nèi)部電阻。通過(guò)集成對(duì)數(shù)放大器引腳的不同連接可以調(diào)整集成對(duì)數(shù)放大器的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)不同則集成對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓不同，對(duì)于非線性補(bǔ)償時(shí)消除常數(shù)項(xiàng)的電壓不同，對(duì)產(chǎn)品的非線性沒(méi)有影響。

2.3 除法電路與調(diào)零調(diào)幅電路

除法電路由運(yùn)算放大器與集成模擬乘法器組成，除法電路輸出后經(jīng)過(guò)調(diào)零、調(diào)幅電路，使電路的輸出電壓范圍滿足標(biāo)準(zhǔn)電壓0.1～4.9 V信號(hào)要求。輸出端采用穩(wěn)壓管對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓保證電路不會(huì)輸出過(guò)高的電壓損壞后面的采集系統(tǒng)。電路原理如圖4。

圖4 除法、調(diào)零、調(diào)幅電路原理

采用的四象限模擬乘法器包括高阻抗差分X 和Y 輸入以及一個(gè)高阻抗求和輸入Z，低阻抗輸出電壓為10 V標(biāo)稱滿量程，由一個(gè)嵌入式齊納二極管提供，輸入X和輸入Y的非線性通常在0.4%和0.1%滿量程以下，單芯片結(jié)構(gòu)和激光校準(zhǔn)使這種器件穩(wěn)定可靠，電源電壓范圍±8～±18 V。內(nèi)部調(diào)整電壓由一個(gè)穩(wěn)定的齊納二極管產(chǎn)生，乘法器精度對(duì)電源不敏感。模擬乘法器差動(dòng)輸入X1-X2與差動(dòng)輸入Y1-Y2經(jīng)過(guò)內(nèi)部乘法電路以后再與高阻抗輸入Z求和，模擬乘法器引腳配置及輸入輸出函數(shù)關(guān)系由圖5可知。

圖5 模擬乘法器引腳配置及功能描述圖

將模擬乘法器放在集成運(yùn)算放大器的反饋通路中，便可構(gòu)成除法運(yùn)算電路，在用模擬乘法器和集成運(yùn)放共同構(gòu)成運(yùn)算電路時(shí)必須引入負(fù)反饋［10］。

由圖5 可知，當(dāng)模擬乘法器輸入X2，Y2，Z接地時(shí)相當(dāng)于輸入電壓為0。模擬乘法器輸出W為

由圖4可知運(yùn)算放大器（U3C）的8 腳、9 腳虛地則：E／R18＝-W／R19，由于R18＝R19＝10 kΩ，則

調(diào)整電壓E為0.1 V，則輸出電壓W′與輸入電壓EX為倒數(shù)關(guān)系，這樣輸出電壓W′與溫度T 呈線性關(guān)系，熱敏電阻與溫度的非線性得到補(bǔ)償。

由于除法電路的輸出與輸入信號(hào)反相，所以在后面的調(diào)零與調(diào)幅電路中，將除法電路的輸出信號(hào)接入運(yùn)算放大器的反相輸入端，與調(diào)零電路求和，反相放大后電路輸出與溫度呈線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。

3 電路模擬與仿真

3.1 非線性

搭建模擬電路，進(jìn)行調(diào)試分析。根據(jù)MF501 熱敏電阻器電阻溫度特性分度表：-45 ℃電阻為294 069.8 Ω，40 ℃電阻為2 612.9 Ω，50 ℃電阻為1 746.1 Ω，125 ℃電阻為165.0 Ω。用精密電阻箱模擬熱敏電阻在各個(gè)溫度下的電阻值，接入調(diào)理電路，調(diào)整電阻R10，使 輸出電壓分別在-45 ℃與40 ℃的差值，50 ℃與125 ℃的差值相等，非線性補(bǔ)償結(jié)束。不同的溫度測(cè)量范圍，調(diào)整電阻R10使 輸出電壓中點(diǎn)輸出與上限輸出、零點(diǎn)輸出的差值相等。調(diào)試非線性的過(guò)程中首先調(diào)整E 點(diǎn)輸出電壓等于0.1 V，同時(shí)保證EX點(diǎn)輸出電壓大于0 V。

3.2 零點(diǎn)輸出（下限輸出）與上限輸出

非線性調(diào)試完成以后進(jìn)行零點(diǎn)輸出與上限輸出調(diào)試。根據(jù)MF501熱敏電阻器電阻溫度特性分度表，查找測(cè)量范圍下限溫度-45 ℃電阻值，測(cè)量范圍上限溫度125 ℃的電阻值。用精密電阻箱接入電路模擬熱敏電阻在下限溫度-45 ℃下的電阻值，調(diào)整電阻R21，使電路V0點(diǎn)輸出電壓為0.1 V。調(diào)整電阻箱電阻值使電阻箱電阻值與熱敏電阻在上限溫度125 ℃下的電阻值相等，調(diào)整R25使電路V0點(diǎn)輸出電壓為4.9 V，這樣來(lái)回調(diào)整電路上下限輸出電壓，使輸出電壓滿足0.1～4.9 V的要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)制作實(shí)驗(yàn)電路，根據(jù)MF501 熱敏電阻器經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的電阻溫度特性分度表進(jìn)行調(diào)試，輸入-45，-35，-25，0，40，50，100，125 ℃等溫度點(diǎn)的電阻值，測(cè)試調(diào)理電路的輸出電壓，電路的輸出電壓滿足0.1 ～4.9 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。經(jīng)過(guò)最小二乘法曲線擬合后，在溫度范圍-45～＋125 ℃非線性達(dá)到0.25%，傳感器溫度電壓靈敏度28.2 mV／℃，傳感器溫度電壓擬合曲線如圖6（a）；在溫度范圍-25～＋125 ℃非線性達(dá)到0.09%，傳感器溫度電壓靈敏度32 mV／℃，傳感器溫度電壓擬合曲線如圖6（b），滿足用戶的使用要求。

圖6 溫度電壓擬合曲線

表2 溫度與輸出電壓

5 結(jié) 論

熱敏電阻溫度傳感器測(cè)量范圍越寬，非線性越大，熱敏電阻器分壓電路無(wú)法給出精確的標(biāo)準(zhǔn)電壓0.1～4.9 V 信號(hào)。本文提出了一種寬溫區(qū)熱敏電阻溫度傳感器調(diào)理電路，采用集成對(duì)數(shù)放大器與集成模擬乘法器進(jìn)行線性化補(bǔ)償，有效地抑制了器件的溫度漂移，該電路調(diào)試方便，非線性調(diào)試與調(diào)零調(diào)幅電路互相不影響，極大地提高了生產(chǎn)效率，測(cè)溫范圍在-45～＋125 ℃，非線性達(dá)到0.3%以下，測(cè)量誤差達(dá)到±0.3 ℃。滿足工業(yè)、特殊領(lǐng)域溫度測(cè)量的精度要求，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。