第２３卷第１１期２０１０年１１月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳＶ０１．２３Ｎｏ．１１
ＮＯＶ．２０１０
ＳｔｕｄｙｗｉｔｈＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎｏｎＴｈｒｅｅＴｙｐｉｃａｌＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＮＴＣＴｈｅｒｍｉｓｔｏｒ
ＦＡＮＨａｎｂａｉ’，ＸＩＥＨａｎｈｕａ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅａｒｏｎｗａｎｄＣｏｍｍｕｎｗａｔｗｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏａｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｍ如ｙ，Ｂａｏｄｉｎｇｌｔｅｂｅｉ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｓｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＮＴＣｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ．Ｔｈｒｅｅｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ
ａｎｄｄｏｕｂｌｅ—ｉｎｔｅ—
ｇｒａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ．Ｆｒｏｍｍａｎｙａｓｐｅｃｔｓｌｉｋｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ，ｍｅａｓｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ｅｔｅ，ｃａｒｒｙｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ。ａｎｄｐｏｉｎｔｏｕｔｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｅｈａｒａｃｔｅｒｉｓ—
ｔｉｃｓｔｏｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ；ＮＴＣｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ；ｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅ；ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔ；ｄｏｕｂｌｅ—ｉｎｔｅ－ｇｒａｌ；ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＥＥＡＣＣ：７３２０Ｚ；１２７０ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—１６９９．２０１０．１１．０１２
基于ＮＴＣ热敏电阻的三种高精度测温系统研究范寒柏’，谢汉华（华北电力大学电子与通信工程系，河北保定０７１００３）
摘要：针对高精度测温的要求，提出了三种基于ＮＴＣ热敏电阻的高精度测温系统。分别为恒压式测温系统，恒流式测温系统和双积分式测温系统。从系统构成、测温原理等方面对这三种测温系统进行了分析比较，指出各自特点。关键词：测温系统；ＮＴＣ热敏电阻；恒压式；恒流式；双积分式；高精度中图分类号：ＴＰ２１２．６文献标识码：Ａ文章编号：１００４－１６９９（２０１０）１１—１５７６－０４
目前，在工农业生产以及科学研究中等众多场合都需要高精度的温度测量。温度测量一般采用温度传感器，其中负温度系数ＮＴＣ（ＮｅｇａｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａ·ｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）热敏电阻器以其具有灵敏度高、体积小、电阻值大等良好的性能而被大量使用。ＮＴＣ热敏电阻器大多是由Ｍｎ（锰）、Ｎｉ（镍）、Ｃｏ（钴）、Ｆｅ（铁）、Ｃｕ（铜）等金属的氧化物经过烧结而成的半导体材料制成。由于热敏电阻器所使用的材料是半导体，因此不能在太高的温度下使用。ＮＴＣ热敏电阻的阻值研（Ｑ）一温度ｒ（Ｋ）特性可用（１）式近似表示：１、Ｒｒ＝Ｒｏ·ｅｘｐＢＩ４－一寺Ｉ（１）式中，％（Ｋ）是基准温度（通常都把这个基准温度选定为０ｏＣ或者室温）；Ｒ。（Ｑ）是％时的电阻值；收稿日期：２０１０—０５—１７修改日期：２０１０—０７—０６Ｂ（Ｋ）是描述其电阻温度关系的材料常数…。本文中作者论述了三种以ＮＴＣ热敏电阻为基础的高精度测温系统。分别为恒压式测温、恒流式测温、双积分式测温，并对三种测温系统的性能进行了分析与比对。
１高精度测温系统分析１．１恒压式测温系统恒压式测温系统框图如图Ｉ所示，主要由恒压源、ＮＴＣ热敏电阻测温电桥、放大电路、Ａ／Ｄ转换电路和单片机构成。基本工作原理为：测温电桥将热敏电阻随所测温度变化的电压信号输出，经过放大电路放大送入Ａ／Ｄ转换器转换为数字量，最后送人单片机进行计算，得出热敏电阻Ｒ。的阻值，然后根据式（１）结合
万方数据第１１期范寒柏，谢汉华－基于ＮＴＣ热敏电阻的三种高精度测温系统研究１５７７
图１恒压式测温系统框图数值分析方法进行非线性拟合，最终得出所测温度值。不平衡电桥在测量电路中被得到广泛应用，但普通测温电桥如图２所示，由于电阻尺，存在温漂，会对电压输出端Ｉ，一带来误差。输出端ｙ一电压为：ｎ去ｙ（２）当Ｒ。发生ＡＲ变化时，输出电压ｙ一为：ｙ一２ｉ柿ｙ（３）输出端ｙ一误差为ＡＶ：ＡＶ＝Ｖ一一Ｖ’一＝雨Ｒ蒜Ｒ‰ＲＲＡＲｙ㈤（Ｔ＋１）（Ｔ＋ｌ＋）。若ＲＴ＝Ｒ。＝Ｒ，则．Ａ．．．．．．—Ｒ—△ｙ＝。—Ｒ湎ｙ（５）４＋彳当警＝５％时，经计算误差△ｙ＝１．２２％Ｖ，误差较大难以满足高精度测温系统的要求。针对普通测温电桥的这一缺点．作者提出如图１所示的测温电桥改进电路。该测温电桥可以有效降低输出误差，提高测温系统精度。如图ｌ所示，ｐ＝揣ｙ（６）由于尺。和Ｒ：所处环境相同，令Ｒ。＝Ｒ：，当同时发生ＡＲ变化时，输出电压矿一为：ｙ，：堡！±墨！±垒墨ｙ（７）尺Ｔ＋Ｒｌ＋Ｒ２＋２ＡＲ输出端ｙ一误差为△ｙ：ＡＶ＝ｙ一一∥一＝雨采畿高‰２ＡＲ）ｙ（８）（ＲＴ＋Ｒ１＋Ｒ２）（ＲＴ＋Ｒｌ＋Ｒ２＋本系统选用２５℃时，阻值为５ｋｌｌ的ＮＴＣ热敏电阻，Ｒ。＝Ｒ：＝Ｒ＝２０ｋＱ，此时若警＝５％，经计算
输出端ｙ一误差为：ＡＶ＝０．２４％Ｖ。当热敏电阻砩随温度变化为１０ｋＱ时，若警＝５％，经计算输出端
Ｖ一误差为：△ｙ＝０．３８％Ｖ。经比较，应用改进型桥式测温电路后，输出端ｙ一误差与普通测温电桥相比大大减小，显著提高了测温系统的精度。该系统中恒压源由ＡＤ公司生产的高精度基准电压源ＡＤ７８０为测温电桥和Ａ／Ｄ转换器提供基准电压，这样就形成了比值测量系统，因为比值工作，所以消除测量系统中的漂移误差，电压源变化不降低系统性能ＭＪ。在远距离测温系统中，为了消除热敏电阻引线对测量精度的影响，可以采用三线制连接方案克服引线电阻的影响，提高测温系统精度。放大电路部分采用了ＡＤ公司生产的集成仪表放大器ＡＤ６２３作为该系统的放大器，它具有优良的共模抑制比，并且具有低功耗、宽电源范围，它可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体积小、可靠性高等优点。ＡＤ６２３为系统的测量精度提供了可靠的保证。Ａ／Ｄ转换器该系统采用了低功耗、高精度“ｂｉｔ乏一△模数转换器ＡＤ７７９１。经测试该测温系统完全达到了高精度测温的要求，测量准确度达到了０．１℃。该测温系统的不足在于虽然使用了改进型的桥式测温电路，但是测温电桥的输出误差无法完全消除，下面作者将分析一种恒流式测温系统，该系统与恒压式测温系统相比，精度更高。１．２恒流式测温系统恒流式测温系统框图如图３所示，主要由恒流源、ＮＴＣ热敏电阻Ｒ，、取样电阻Ｒ、Ａ／Ｄ转换电路和单片机构成。
万方数据１５７８传感技术学报第２３卷ｌ翠◇ＫⅣＯＵＴ鱼Ａ／Ｄ片机唧
ｎ一图３恒流式测温系统框图该系统恒流源由运算放大器和电压基准组成恒
流源电路。放大电路、Ａ／Ｄ转换电路、单片机采用同恒压式测温系统相同的器件来保证测温系统的精度。该测温系统工作原理除前端从热敏电阻取压方式和Ａ／Ｄ转换器获取基准电压源方式不同，其它工作原理基本和恒压式测温原理相同。ＮＴＣ热敏电阻输出电压△ｙ为：ＡＶ＝ＩＲＴ（９）经放大器放大输出％为：Ｖｏ＝ＩＲＴＡ，’（１０）取样电阻输出电压‰，为：‰ＥＦ＝ＩＲ（１１）Ａ／Ｄ转换器输出数字量Ｃｏｄｅ公式为：Ｃｏｄｅ＝２川×（ＡＩＮ／‰ＥＦ）（１２）ＡＩＮ为输入Ａ／Ｄ转换器电压模拟量。将式（１０）和（１１）代入式（１２）中得，
Ｃｏｄｅ：２Ⅳ×ＩＲ—ＴＡｖ』“
＝２Ｎ×／下ＸＴＺＬＩｖ（１３）“
由式（１３）可见，由于采用了恒流源，和取样电阻Ｒ为Ａ／Ｄ转换器提供参考电压ＫＥＦ，与所测热敏电阻电压构成了比值测量系统，这样就消除了由于恒流源漂移给系统带来的误差，同时该系统选用了精密电阻Ｒ作为取样电阻，使整个系统的测量精度主要取决于Ａ／Ｄ转换器的分辨率，由于该系统采用了高精度２４ｂｉｔ∑一△模数转换器，使整个系统达到了高精度测温系统的要求。在远距离测温系统中，为了消除引线电阻的影响，同样可以采用三线制连接方案消除引线电阻影响，提高测温系统精度，该系统经测试测量精度达到了０．０１℃。１．３双积分式测温系统双积分式测温系统框图如图４所示，主要由ＮＴＣ热敏电阻厩、积分电路、过零比较器、与门、计数器、多路模拟开关和单片机构成。‰＋Ｓ，一飞匹Ｓｌ猡多路模拟开关啸堕片机图４双积分式测温系统框图该系统测温原理为：测温周期开始，单片机向与门输出时钟脉冲信号，向多路模拟开关发出控制信号，控制开关ｓ。闭合，ｓ：、Ｓ，断开，电容充电，积分电路开始积分过程，Ｋ输出为正，经过过零比较器Ｅ输出为高电平，当时钟脉冲到来时，与门输出为１，计数器计数一次。当经过预定时间正，计数器溢出并复位，溢出信号传至单片机。此过程中积分器输出％为：Ｖｏ＝ｖｏ．一去卜ＴＩＶａＥＦｄｔ＝朵玎（１４）单片机接收到溢出信号后，再次向多路模拟开关发出控制信号，控制开关ｓ：闭合，ｓ，断开，电容开始放电，直到经过时间兄，积分器输出％为０，经过过零比较器Ｋ输出为低电平，与门关闭，计数器停止计数。单片机读取计数器数值，同时向多路模拟开关发出控制信号，控制开关Ｓ：断开，ｓ，闭合，使积分电路恢复到零状态【３】。准备下一测温周期开始。单片机由时间ｒ。和疋，根据式（１７）计算出所测热敏电阻墨的阻值。再结合数值分析方法进行非线性拟合，最终得出所测温度值。积分器放电过程中输出Ｋ为：Ｖｏ＝Ｖｏ。一ｒ净ｚ＝‰一晋乃＝ｏ（１５）所测热敏电阻Ｒ，阻值为：器五＝堑ＲｒＣ疋（１６）凰Ｃ１１—＼“７
ＬＲＴ＝≠Ｒｏ（１７）
测温周期中积分器输出电压％波形为：
时间／ｍｓ图５积分器输出电压波形
万方数据