优化基于热敏电阻的温度传感系统的挑战

这是两部分系列文章的第一篇。本文将首先讨论基于热敏电阻的温度测量系统的历史和设计挑战，以及它与基于电阻温度检测器 (RTD) 的温度测量系统的比较。它还将概述热敏电阻的选择、配置权衡以及 sigma-delta 模数转换器 (ADC) 在此应用领域的重要性。第二篇文章将详细介绍如何优化以及如何评估最终的基于热敏电阻的测量系统。

热敏电阻与 RTD

如上一篇系列文章“优化 RTD 温度传感系统 传感系统”中所述，RTD 是一种电阻器，其电阻随温度而变化。热敏电阻的工作方式与 RTD 类似。与仅具有正温度系数的 RTD 不同，热敏电阻可以具有正温度系数或负温度系数。负温度系数 (NTC) 热敏电阻的电阻会随着温度升高而减小，而正温度系数 (PTC) 热敏电阻的电阻会随着温度升高而增大。图 1 显示了典型的 NTC 和 PTC 热敏电阻的响应特性以及它们与 RTD 曲线的比较。

就温度范围而言，RTD 曲线接近线性，由于热敏电阻的非线性(指数)特性，传感器覆盖的温度范围比热敏电阻更广(通常为 -200°C 至 +850°C)。RTD 通常采用众所周知的标准曲线，而热敏电阻曲线则因制造商而异。我们将在本文的热敏电阻选择指南部分详细讨论这一点。

图 1. 热敏电阻与 RTD 的响应特性。

热敏电阻由复合材料制成，通常是陶瓷、聚合物或半导体(通常是金属氧化物)，与由纯金属(铂、镍或铜)制成的 RTD 相比，它们体积更小、价格更便宜，但不那么坚固。热敏电阻可以比 RTD 更快地检测温度变化，从而提供更快的反馈。因此，热敏电阻通常用于需要低成本、小尺寸、更快响应速度、更高灵敏度和温度范围受限的应用中，例如监控电子设备、家庭和楼宇控制、科学实验室或商业或工业应用中用于热电偶的冷端补偿。

在大多数情况下，在精密温度测量应用中，使用的是 NTC 热敏电阻而不是 PTC 热敏电阻。有几种可用的 PTC 热敏电阻可用于过流输入保护电路或安全应用的可复位保险丝。PTC 热敏电阻的电阻-温度曲线在达到其开关点(或居里点)之前呈现非常小的 NTC 区域，超过该点后，电阻会在几摄氏度的范围内急剧增加几个数量级。因此，在过流条件下，PTC 热敏电阻在开关温度之外会产生大量自热，其电阻会急剧增加，从而导致输入系统的电流减少，从而防止发生损坏。PTC 热敏电阻的开关点通常在 60°C 和 120°C 之间，不适合在宽范围应用中监测温度测量。本文重点介绍通常可以测量或监测 –80°C 至 +150°C 温度的 NTC 热敏电阻。NTC 热敏电阻在 25°C 时的标称电阻范围从几欧姆到 10 MΩ。如图 1 所示，与 RTD 相比，热敏电阻每摄氏度的电阻变化更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路与 RTD 相比简单得多，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(例如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。这不适合在广泛应用中监测温度测量。本文重点介绍通常可以测量或监测–80°C 至 +150°C 温度的 NTC 热敏电阻。NTC 热敏电阻在 25°C 时的标称电阻范围从几欧姆到 10 MΩ。如图 1 所示，与 RTD 相比，热敏电阻每摄氏度的电阻变化更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路与 RTD 相比简单得多，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(例如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。这不适合在广泛应用中监测温度测量。本文重点介绍通常可以测量或监测–80°C 至 +150°C 温度的 NTC 热敏电阻。NTC 热敏电阻在 25°C 时的标称电阻范围从几欧姆到 10 MΩ。如图 1 所示，与 RTD 相比，热敏电阻每摄氏度的电阻变化更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路与 RTD 相比简单得多，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(例如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。本文重点介绍通常可测量或监测 –80°C 至 +150°C 温度的 NTC 热敏电阻。NTC 热敏电阻在 25°C 时的标称电阻范围从几欧姆到 10 MΩ。如图 1 所示，与 RTD 相比，热敏电阻每摄氏度的电阻变化更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路与 RTD 相比更简单，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(例如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。本文重点介绍通常可测量或监测 –80°C 至 +150°C 温度的 NTC 热敏电阻。NTC 热敏电阻在 25°C 时的标称电阻范围从几欧姆到 10 MΩ。如图 1 所示，与 RTD 相比，热敏电阻每摄氏度的电阻变化更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路与 RTD 相比更简单，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(例如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。热敏电阻每摄氏度的电阻变化比 RTD 更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路比 RTD 简单得多，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。热敏电阻每摄氏度的电阻变化比 RTD 更大。热敏电阻的高灵敏度和高电阻值使其前端电路比 RTD 简单得多，因为热敏电阻不需要任何特殊的接线配置(如 3 线或 4 线)来补偿引线电阻。热敏电阻设计仅使用简单的 2 线配置。

表 1 显示了 RTD、NTC 和 PTC 热敏电阻的优缺点。

表 1. 热敏电阻与 RTD

基于热敏电阻的温度测量挑战

基于热敏电阻的高精度、准确温度测量需要精确的信号调节、模数转换、线性化和补偿，如图 2 所示。

图 2. 典型的 NTC 热敏电阻测量信号链块。

虽然信号链看起来简单明了，但其中涉及的几个复杂因素也会影响整个系统板的尺寸、成本和性能。ADI 的精密 ADC 产品组合中提供了多种集成解决方案，例如 AD7124-4 / AD7124-8 ，它们在设计温度系统时具有多种优势，因为应用中所需的大多数构建模块都是内置的。然而，设计和优化基于热敏电阻的温度测量解决方案面临着不同的挑战。

挑战包括：

· 市场上有各种各样的热敏电阻。

· 我该如何为我的应用程序选择正确的一个?

· 与 RTD 一样，热敏电阻是无源设备，本身不产生电输出。激励电流或电压用于测量传感器的电阻，方法是让小电流通过传感器产生电压。

· 如何选择电流/电压?

· 应如何调节热敏电阻信号?

· 我如何调整上述变量以便转换器或其他构建块在其规格范围内使用?

· 在系统中连接多个热敏电阻：传感器如何连接?不同传感器之间可以共享某些模块吗?对整体系统性能有何影响?

· 对热敏电阻的主要关注点是其非线性响应和系统精度。

· 我的设计预期的错误是什么?

· 使用哪些线性化和补偿技术来实现目标性能?

本文讨论了每一个挑战，并提供了有关如何解决这些问题以及进一步简化此类系统设计进程的建议。

热敏电阻选择指南

目前市场上有各种各样的 NTC 热敏电阻可供选择，因此为您的应用选择特定的热敏电阻可能非常具有挑战性。请注意，热敏电阻按其标称值列出，即 25°C 时的标称电阻。因此，10 kΩ 热敏电阻在 25°C 时的标称电阻为 10 kΩ。热敏电阻的标称或基准电阻值从几欧姆到 10 MΩ 不等。标称电阻低(标称电阻为 10 kΩ 或更低)的热敏电阻通常支持较低的温度范围，例如 -50°C 至 +70°C。标称电阻较高的热敏电阻支持高达 300°C 的温度。

热敏电阻元件由金属氧化物制成。热敏电阻有珠状、径向和 SMD 形式。珠状热敏电阻采用环氧树脂涂层或玻璃封装，以提供额外保护。环氧树脂涂层珠状热敏电阻、径向和 SMD 热敏电阻适用于高达 150°C 的温度。玻璃涂层珠状热敏电阻适用于高温测量。所有类型的涂层/包装也可防止腐蚀。一些热敏电阻还将具有额外的外壳，以在恶劣环境中提供进一步的保护。与径向/SMD 热敏电阻相比，珠状热敏电阻的响应时间更快。但是，它们不那么坚固。因此，要使用的热敏电阻类型取决于最终应用和热敏电阻所在的环境。热敏电阻的长期稳定性取决于其制造材料以及封装和结构。例如，环氧树脂涂层 NTC 热敏电阻每年变化 0.2°C，而密封热敏电阻每年仅变化 0.02°C。

热敏电阻的精度各不相同。标准热敏电阻的精度通常为 0.5°C 至 1.5°C。热敏电阻的标称电阻值和 beta 值(25°C 至 50°C/85°C 关系)存在公差。请注意，热敏电阻的 beta 值取决于制造商。例如，不同制造商生产的 10 kΩ NTC 热敏电阻的 beta 值会有所不同。对于精度更高的系统，可以使用 Omega™ 44xxx 系列等热敏电阻。这些热敏电阻在 0°C 至 70°C 的温度范围内的精度为 0.1°C 或 0.2°C。因此，测量的温度范围以及温度范围内所需的精度决定了热敏电阻是否适合该应用。请注意，Omega 44xxx 系列越精确，其成本就越高。

因此，要使用的热敏电阻取决于：

· 测量的温度范围

· 要求准确

· 热敏电阻的使用环境

· 长期稳定性

线性化：Beta 与 Steinhart-Hart 方程

要将电阻转换为摄氏度，通常使用 beta 值。beta 值是通过了解两个温度点以及每个温度点对应的电阻来确定的。

在哪里：

R T1 = 温度 1 时的电阻

R T2 = 温度 2 时的电阻

T 1 = 温度 1 (K)

T 2 = 温度 2 (K)

热敏电阻的数据表通常列出两种情况的 beta 值：

· 两个温度分别为 25°C 和 50°C

· 两个温度分别为 25°C 和 85°C

用户使用最接近设计所用温度范围的 beta 值。大多数热敏电阻数据表都会列出 beta 值以及 25°C 时的电阻公差和 beta 值的公差。

更高精度的热敏电阻(例如 Omega 44xxx 系列)和更高精度的终端解决方案使用 Steinhart-Hart 方程将电阻转换为摄氏度。从方程 2 中，需要三个常数 A、B 和 C，这些常数同样由传感器制造商提供。由于方程的系数是使用三个温度点生成的，因此所得方程将线性化引入的误差降至最低(线性化导致的误差通常为 0.02°C)。

在哪里：

A、B 和 C 是从三个温度测试点得出的常数。R

= 热敏电阻的电阻(单位为 Ω)

T = 温度(单位为 K 度)

电流/电压激励

图 3 显示了传感器的电流激励。激励电流施加到热敏电阻上，相同的电流施加到精密电阻上;精密电阻用作测量的参考。参考电阻的值必须大于或等于热敏电阻的最高电阻值(取决于系统中测量的最低温度)。

图 3. 热敏电阻的电流激励。

在选择激励电流的大小时，必须再次考虑热敏电阻的最大电阻。这可确保传感器和参考电阻上产生的电压始终处于电子设备可接受的水平。激励电流源需要一定的余量或输出顺从性。如果热敏电阻在测量的最低温度下具有较大的电阻，则会导致非常低的激励电流值。因此，在高温下热敏电阻上产生的电压很小。为了优化这些低电平信号的测量，可以使用可编程增益级。但是，由于热敏电阻的信号电平随温度变化很大，因此需要动态编程增益。

另一种选择是设置增益但使用动态激励电流。因此，随着热敏电阻信号电平的变化，激励电流值会动态变化，从而使热敏电阻两端产生的电压在电子设备指定的输入范围内。用户必须确保参考电阻两端产生的电压也处于电子设备可接受的水平。这两种选择都需要高水平的控制，持续监测热敏电阻两端的电压，以确保电子设备可以测量信号。有没有更简单的选择?让我们看看电压激励。

图4.热敏电阻的电压激励。

当热敏电阻被恒定电压激励时，流过热敏电阻的电流将随着热敏电阻电阻的变化而自动缩放。现在不再使用参考电阻，而是使用精密检测电阻，其目的是计算流过热敏电阻的电流，以便计算热敏电阻电阻。由于激励电压也被用作 ADC 参考，因此无需增益级。在监控热敏电阻两端的电压、确定电子器件是否可以测量信号电平以及计算需要调整的增益/激励电流值方面，处理器没有工作量。这是本文使用的方法。

热敏电阻阻值范围/激励

如果热敏电阻的标称电阻和电阻范围较小，则可以使用电压或电流激励。在这种情况下，激励电流和增益可以是固定的。因此，电路将如图 3 所示。这种方法很有用，因为可以控制流过传感器和参考电阻的电流，这在低功率应用中很有价值。此外，热敏电阻的自热也最小化了。

对于标称阻值较低的热敏电阻，也可以使用电压激励。但是，用户必须确保通过传感器的电流对于传感器本身或应用而言任何时候都不要过大。

当使用标称电阻大且温度范围大的热敏电阻时，电压激励更容易实现。较大的标称电阻可确保标称电流处于合理水平。但是，设计人员需要确保电流在应用支持的整个温度范围内处于可接受的水平。

Sigma-Delta ADC 在基于热敏电阻的应用中的重要性

在设计热敏电阻测量系统时，Sigma-delta ADC 具有多种优势。首先，由于 Sigma-delta ADC 对模拟输入进行过采样，因此外部滤波被最小化，只需一个简单的 RC 滤波器即可。它们在滤波器类型和输出数据速率的选择方面提供了灵活性。内置数字滤波可用于抑制主电源供电设计中主电源的任何干扰。24 位部件(例如 AD7124-4/AD7124-8)的峰峰值分辨率最高为 21.7 位，因此它们提供了高分辨率。

其他好处包括：

· 模拟输入的共模范围较宽

· 参考输入的宽共模范围

· 能够支持比例配置

一些 Σ-Δ ADC 集成度较高，包括：

· 美国职业高尔夫球协会

· 内部参考

· 参考/模拟输入缓冲器

· 校准功能

使用 sigma-delta ADC 可显著简化热敏电阻设计，同时降低 BOM、系统成本、电路板空间并缩短上市时间。

对于本文，AD7124-4/AD7124-8 用作 ADC，因为它们是低噪声、低电流精密 ADC，具有集成 PGA、嵌入式基准、模拟输入和基准缓冲器。

热敏电阻电路配置——比率配置

无论您使用激励电流还是激励电压，建议使用比率配置，其中参考电压和传感器电压来自同一激励源。这意味着激励源的任何变化都不会影响测量的准确性。

图 5 显示了为热敏电阻和精密电阻 R REF供电的恒定激励电流，R REF两端产生的电压是热敏电阻测量的参考电压。

图 5. 使用恒流源配置。

激励电流不需要精确，而且可以不太稳定，因为在此配置中激励电流中的任何误差都会被抵消。激励电流通常比电压激励更受欢迎，因为它对灵敏度的控制更好，当传感器位于远程区域时，它的抗噪性更好。这种偏置技术通常用于电阻值较低的 RTD 或热敏电阻。但是，对于电阻值较高且灵敏度较高的热敏电阻，每次温度变化产生的信号电平会更大，因此使用电压激励。例如，10 kΩ 热敏电阻在 25°C 时的电阻为 10 kΩ。在 −50°C 时，NTC 热敏电阻的电阻为 441.117 kΩ。AD7124-4/AD7124-8 提供的最小激励电流 50 µA 可产生 441 的电压。117 kΩ × 50 µA = 22 V，这个值太高，超出了该应用领域中使用的大多数可用 ADC 的工作范围。热敏电阻通常也连接或位于电子设备附近，因此不需要激励电流的抗噪优势。

图 6 显示了用于在 NTC 热敏电阻两端产生电压的恒定激励电压。

图6.使用分压器电路配置。

添加一个以分压器电路形式出现的串联检测电阻器，将限制流过热敏电阻器的电流，使其处于最小电阻值。在这种配置中，检测电阻器 R SENSE的值必须等于热敏电阻器在基准温度 25°C 时的电阻值，这样，当基准温度为 25°C 时，输出电压将设置为参考电压的中间值。因此，如果使用 10 kΩ 热敏电阻器，其在 25°C 时的电阻为 10 kΩ，则 R SENSE必须等于10kΩ。当温度变化时，NTC热敏电阻的阻值也会变化，热敏电阻两端的激励电压比例也会变化，从而产生与NTC热敏电阻阻值成比例的输出电压。

如果用于为热敏电阻和/或 R SENSE供电的选定参考电压与用于测量的 ADC 参考电压相同，则系统将配置为比率测量(图 7)，以便消除与激励电压源相关的任何误差。

图 7. 热敏电阻比率配置测量。

请注意，检测电阻(电压激励)或参考电阻(电流激励)需要具有低初始公差和低漂移，因为这两个变量都会影响整体系统精度。

当使用多个热敏电阻时，可以使用单个激励电压。但是，每个热敏电阻必须有自己的精密检测电阻，如图 8 所示。另一种选择是使用外部多路复用器或低导通电阻开关，这样可以共享单个精密检测电阻。使用这种配置时，每个热敏电阻在测量中都需要一定的稳定时间。

图 8. 多个热敏电阻的模拟输入配置测量。

总而言之，设计基于热敏电阻的温度系统时需要考虑多个问题：传感器选择、传感器连接、组件选择方面的权衡、ADC 配置，以及这些不同变量如何影响整体系统精度。本系列的下一篇文章将解释如何优化系统设计和整体系统误差预算以实现目标性能。