NTC熱敏電阻的線性化及其應用

黃俊維

摘要：NTC熱敏電阻在電子領域的應用十分廣泛，且具有價格低廉的特點，但是在實際的操作中，由于熱敏電阻屬于非線性的原材料，因此必須進行線性化的處理才能使用，本文就從熱敏電阻的特點、熱敏電阻的線性化設計、在使用熱敏電阻過程中需要注意的問題進行具體的分析。

關鍵詞：NTC熱敏電阻；線性化；應用

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，據統(tǒng)計，使用熱敏電阻進行測溫，最高溫度可以達到250攝氏度左右，而且和現階段常用的鉑熱電阻相比，其價格更低廉。但是由于NTC熱敏電阻在本質上屬于非線性電阻，在進行測溫的過程中，必須經過線性化處理才能使用。本文就從熱敏電阻的特點、線性化設計、在使用的過程中需要注意的問題等進行具體的分析。

1 NTC熱敏電阻的特點

一般情況下，熱敏電阻的阻值越高，熱力學的溫度就越低，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（aT）的時候，可以使用以下公式來進行計算：aT=（1/RT）*（dRT/dT）

NTC熱敏電阻值與熱力學溫度之間的關系可以概括為：RT=AebB/T

上述算式中，A和B的數值主要是由半導體的材料和對半導體進行加工的工藝來決定的，A為熱敏電阻在常溫下的標稱阻值，B值為熱敏指數[1]。

假設在溫度T的環(huán)境下，電阻值是RT，則他們之間的關系就可以表示為：RT=AeB/T，從以上的分析中我們可以發(fā)現，上面提到的aT其實并不是一個常數，而是一個隨著溫度的變化而發(fā)生變化的數值，而且它與熱力學溫度的平方之間呈現的是反比的關系，而且在這個數值一定是小于0的。由此可見，NTC熱敏電阻溫度系數的絕對值實際上是伴隨著溫度的提升而不斷減少的，而溫度越低，它的數值也就越大，這也是導致熱敏電阻性質呈現非線性特點的一個十分重要的原因。

2 NTC熱敏電阻的線性化設計

在對熱敏電阻進行線性化處理的過程中，我們主要使用的單片機，這樣的處理方式效率比較低，需要進行大量的計算，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既可以配合負溫度系數的熱敏電阻使用，也可以配合正溫度系數的熱敏電阻使用。在對液體或是氣體的溫度進行測量的過程中，經常使用的就是NTC熱敏電阻。熱敏電阻的溫度測量范圍要遠遠大于芯片在工作的過程中可能產生的溫度。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到零下80攝氏度，最高可以達到零上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的內部構造大約可以拆分為5個部分，即1.24V大小的基準電源，多路轉換器（多數情況下由四選一模擬開關組成）緩沖放大器，單線I/O接口以及PWM轉換器；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行濾除。

MAX6691測溫的原理主要是先通過自動切換多路轉換器的方式來對4只熱敏電阻進行依次檢測，接著進行放大緩沖操作，在使用PNM轉換器將電壓信號轉化成脈寬信號，通過單線的I/O接口將獲得的信號傳送給單片機，最后由單片機將測得的溫度數值進行輸出，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，單片機會自動將I/O端設置成低電平的模式，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連接基準電壓，整個測量過程大約需要耗費102ms的時間。測量結束之后，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行輸出。

借助單片機，非常容易測量出每一路的溫度，并根據測量的溫度計算出RT的數值，接著可以以外部存儲器的RT值為依據，和溫度表中的溫度進行對照，確定這一路的溫度數值。在進行測量的過程中，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，相應的故障就非常容易被識別出來并促使揚聲器發(fā)出聲音進行報警。

3 NTC熱敏電阻在應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非線性的關系，因此在正式使用之前，必須進行線性化的處理，才能正式投入使用。對NTC熱敏電阻進行線性處理可以通過以下的方式來實現：首先，可以先將一只合適的REXT與RT進行串聯(lián)，然后將串聯(lián)好的RT連接到基準電壓的位置，在借助MAX6691對REXT上面的電壓進行測量，在可選范圍內可以嘗試將NTC熱敏電阻的非線性數值降到最小[3]。

在對REXT數值進行計算的時候，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，在之前已經確定的溫度的范圍內，明確熱敏電阻需要測量的溫度的最小數值和最大數值，即RMIN和RMAX以及兩者的中間數值RMID。最后，利用以下公式對REXT的數值進行計算：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的數值進行重新的確定。

進行合適的REXT串聯(lián)，就可以將NTC的非線性電阻轉化成線性電阻。使用10K3A11IA，將REXT的數值設置成7670歐姆的時候，輸出的溫度值和溫度之間的關系會更接近于線性。

在對NTC熱敏電阻的非線性進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。

結語

綜上所述，在使用NTC熱敏電阻進行測溫的過程中，由于NTC熱敏電阻的非線性性質，在正式開始測溫之前，必須對其進行線性改造，本文通過對NTC熱敏電阻進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熱敏電阻的測溫準確度。

參考文獻：

[1]孫慶龍.NTC熱敏電阻溫度特性研究[J].大學物理實驗，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].傳感技術學報，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用[J].自動化儀表，2004（09）：30-32.