热敏电阻温度测量系统的历史和设计挑战，以及它与电阻温度检测器（RTD）温度测量系统相比的情况。

这是由两部分组成的系列文章的第一篇。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）的温度测量体系的比较。它还将概述热敏电阻的选择、配置权衡以及∑-Δ模数转换器（ADC）在该应用领域的重要性。第二篇文章将详细介绍如何优化和评估最终基于热敏电阻的测量系统。

热敏电阻与RTD

如前一系列文章所述，“优化RTD温度传感系统 传感系统，“RTD是一种电阻类型，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或负温度系数。负温度系数（NTC）热敏电阻随着温度的升高而减小其电阻，而正温度系数（PTC）热敏电阻则随着温度的增加而增大其电阻。图1显示了典型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，传感器的温度范围比热敏电阻宽得多（通常为-200°C至+850°C）。RTD通常以众所周知的标准曲线提供，而热敏电阻曲线因制造商而异。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。热敏电阻对RTD的响应特性。

热敏电阻是由复合材料制成的，通常是陶瓷、聚合物或半导体（通常是金属氧化物），与纯金属（铂、镍或铜）制成的RTD相比，热敏电阻更小、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，热敏电阻是在需要低成本、小尺寸、更快响应速度、更高灵敏度以及温度范围受限的应用中常用的传感器，例如在监控电子设备、家庭和建筑物控制、科学实验室或用于商业或工业应用中的热电偶的冷端补偿中。

在大多数情况下，在精密温度测量应用中使用NTC热敏电阻而不是PTC热敏电阻。有一些可用的PTC热敏电阻用于过电流输入保护电路或作为安全应用的可复位保险丝。PTC热敏电阻的电阻-温度曲线显示出非常小的NTC区域，直到达到其开关点（或居里点），超过该区域，在几摄氏度的范围内，电阻会急剧增加几个数量级。因此，在过电流条件下，PTC热敏电阻将具有超过开关温度的大量自加热，其电阻将显著增加，从而导致输入到系统的电流减少，从而防止发生损坏。PTC热敏电阻的切换点通常在60°C和120°C之间，不适合在大范围应用中监测温度测量值。本文重点介绍NTC热敏电阻，它通常可以测量或监控温度从–80°C到+150°C。NTC热敏电阻的标称电阻为25°C，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为显著。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布线配置（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

参数 NTC热敏电阻器 PTC热敏电阻器 电阻式温度检测器
温度范围 –80°C至+300°C 60°C至120°C –200°C至+850°C
温度系数 消极的 积极乐观的 积极乐观的
线性 指数 指数 近似线性
体贴 高的 高的 低的
响应时间 快速的 快速的 缓慢的
励磁 要求的 要求的 要求的
自加热 对 对 对
接线配置 2线 2线 2线、3线、4线
费用 便宜到中等 廉价的 中等到昂贵
大小 小的 小的 中等的

基于热敏电阻的温度测量挑战

基于热敏电阻的高精度和精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。

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图2:典型的NTC热敏电阻测量信号链块。

尽管信号链看起来简单明了，但有几个复杂的因素也会影响整个系统板的尺寸、成本和性能。ADI的精密ADC产品组合中有多种集成解决方案，例如公元7124-4/公元7124-8，这在设计温度系统时提供了多种好处，因为应用中所需的大部分构建块都是内置的。然而，在设计和优化基于热敏电阻的温度测量解决方案时存在不同的挑战。

挑战包括：

本文讨论了这些挑战中的每一个，并就如何解决这些问题和进一步简化设计此类系统的过程提供了建议。

热敏电阻选择指南

目前市场上有多种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。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极电阻值为几欧姆至10 MΩ。具有低标称电阻（10 kΩ或更低标称电阻）的热敏电阻通常支持较低的温度范围，例如-50°C至+70°C。具有更高标称电阻的热敏电阻支持最高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。珠状热敏电阻为环氧涂层或玻璃封装，以提供额外保护。环氧涂层珠状热敏电阻、径向热敏电阻和SMD热敏电阻适用于150°C以下的温度。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，珠状热敏电阻具有更快的响应时间。然而，它们并不那么健壮。因此，使用的热敏电阻类型取决于最终应用和热敏电阻所处的环境。热敏电阻的长期稳定性取决于其材料、包装和结构。例如，环氧涂层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。

热敏电阻具有不同的精度。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β值（25°C至50°C/85°C的关系）具有公差。注意，热敏电阻的β值取决于制造商。例如，不同制造商的10 kΩNTC热敏电阻的β值不同。对于更高精度的系统，热敏电阻如Omega™ 可以使用44xxx系列。在0°C至70°C的温度范围内，其精度为0.1°C或0.2°C。因此，所测量的温度范围以及在温度范围上所需的精度决定了热敏电阻是否适合该应用。请注意，欧米茄44xxx系列越精确，其成本就越高。

因此，使用的热敏电阻取决于：

线性化：Beta与Steinhart-Hart方程

为了将电阻值转换为摄氏度，通常使用β值。β值通过知道两个温度点和每个温度点的对应电阻来确定。

哪里：

R时间T1=温度1下的电阻
R时间2=温度2下的电阻
T1.=温度1（K）
T2.=温度2（K）

热敏电阻数据表通常列出两种情况下的β值：

用户使用最接近设计中使用的温度范围的β值。大多数热敏电阻数据表都列出了β值以及25°C下的电阻公差和β值公差。

高精度热敏电阻，如Omega 44xxx系列和高精度终端解决方案使用Steinhart-Hart方程将电阻转换为摄氏度。根据等式2，需要三个常数A、B和C，这些常数由传感器制造商再次提供。由于方程的系数是使用三个温度点生成的，因此得到的方程将线性化带来的误差最小化（线性化导致的误差通常为0.02°C）。

哪里：

A、 A、B和C是从三个温度测试点导出的常数。
R=热敏电阻电阻，单位为Ω
T=温度（单位：K）

电流/电压激励

图3显示了传感器的电流激励。向热敏电阻施加激励电流，向精密电阻器施加相同的电流；该精密电阻器用作测量的参考。参考电阻器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。

在选择励磁电流的大小时，必须再次考虑热敏电阻的最大电阻。这确保了传感器和参考电阻器两端产生的电压始终处于电子器件可接受的水平。励磁电流源需要一定的净空或输出符合性。如果热敏电阻在测量的最低温度下具有较大的电阻，则会导致非常低的励磁电流值。因此，在高温下热敏电阻两端产生的电压很小。为了优化这些低电平信号的测量，可以使用可编程增益级。然而，当来自热敏电阻的信号电平随温度显著变化时，需要对增益进行动态编程。

另一种选择是设置增益，但使用动态激励电流。因此，当来自热敏电阻的信号电平改变时，激励电流值动态改变，从而热敏电阻两端产生的电压在电子器件的指定输入范围内。用户必须确保参考电阻器两端产生的电压也处于电子设备可接受的水平。这两个选项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。还有更简单的选择吗？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，通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器，而是使用精密感测电阻器，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。由于激励电压也用作ADC参考，这消除了对增益级的需要。在监控热敏电阻两端的电压、确定电子设备是否可以测量信号电平以及计算需要调整的增益/励磁电流值方面，处理器没有工作量。这是本文中使用的方法。

热敏电阻电阻范围/励磁

如果热敏电阻的标称电阻和电阻范围很小，可以使用电压或电流激励。在这种情况下，励磁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，因为可以控制流经传感器和参考电阻器的电流，这在低功率应用中很有价值。此外，热敏电阻的自加热被最小化。

也可以使用具有低标称电阻的热敏电阻的电压激励。然而，用户必须确保在任何时候通过传感器的电流对于传感器本身或应用来说都不会太大。

当使用具有大标称电阻和大温度范围的热敏电阻时，电压激励更容易实现。较大的标称电阻确保标称电流处于合理水平。然而，设计者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在热敏电阻应用中的重要性

Sigma-delta ADC在设计热敏电阻测量系统时提供了多种好处。首先，当∑-ΔADC对模拟输入进行过采样时，外部滤波被最小化，仅需简单的RC滤波器。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在市电操作设计中拒绝来自市电电源的任何干扰。24位部件（如AD7124-4/AD724-8）具有最大21.7位的峰间分辨率，因此它们提供了高分辨率。

其他好处包括：

一些∑-ΔADC高度集成，包括：

∑-ΔADC的使用大大简化了热敏电阻的设计，同时减少了BOM、系统成本、电路板空间和上市时间。

在本文中，AD7124-4/AD724-8用作ADC，因为它们是低噪声、低电流精度的ADC，具有集成PGA、嵌入式参考、模拟输入和参考缓冲器。

热敏电阻电路配置比率配置

无论您使用励磁电流还是励磁电压，建议使用比率测量配置，其中参考电压和传感器电压来自同一励磁源。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器R供电的恒定励磁电流裁判，R两端产生的电压裁判是热敏电阻测量的参考电压。


图5。配置恒流源。

励磁电流不需要精确，并且可能不太稳定，因为在该配置中励磁电流中的任何误差都将被消除。激励电流通常优于电压激励，这是因为当传感器位于偏远地区时，其对灵敏度的卓越控制和更好的抗噪声能力。这种类型的偏置技术通常用于电阻值低的RTD或热敏电阻。然而，对于具有更高电阻值和更高灵敏度的热敏电阻，每次温度变化产生的信号电平将更大，因此使用电压激励。例如，10 kΩ 热敏电阻的电阻为10kΩ 温度为25°C。在−50°C时，NTC热敏电阻电阻为441.117 kΩ. AD7124-4/AD724-8提供的50µA最小励磁电流产生441.117 k的电压Ω ×50µA=22 V，这太高，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器件附近，因此不需要励磁电流的抗噪声优势。

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。配置分压器电路。

以分压器电路的形式添加串联感测电阻器将限制热敏电阻上的电流达到其最小电阻值。在此配置中，感测电阻器R的值感觉，必须等于基本温度为25°C时热敏电阻电阻的大小，以便输出电压在标称温度为25℃时设置为参考电压的中间值。同样，如果10 kΩ 电阻为10k的热敏电阻Ω 在25°C时感觉必须等于10 kΩ. 当温度变化时，NTC热敏电阻的电阻也会发生变化，热敏电阻两端的激励电压也会发生改变，从而产生与NTC热敏电阻电阻成比例的输出电压。

如果用于为热敏电阻和/或R供电的所选参考电压感觉与用于测量的ADC参考相同，则系统配置为比率测量（图7），从而消除与励磁电压源相关的任何误差。

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图7。热敏电阻比率配置测量。

注意，感测电阻器（电压激励）或参考电阻器（电流激励）需要具有低的初始公差和低的漂移，因为这两个变量都有助于整个系统的精度。

当使用多个热敏电阻时，可以使用单个激励电压。然而，如图8所示，每个热敏电阻必须具有自己的精密感测电阻器。另一种选择是使用低导通电阻的外部多路复用器或开关，这允许共享单个精密感测电阻器。使用此配置时，每个热敏电阻在测量中都需要一些稳定时间。

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图8。多个热敏电阻的模拟输入配置测量。

总之，在设计基于热敏电阻的温度系统时，存在多个问题：传感器选择、传感器连接、部件选择方面的权衡、ADC配置以及这些不同变量对整体系统精度的贡献。本系列的下一篇文章将解释如何优化系统设计和总体系统错误预算以实现目标性能。

注：所有图表均由Analog Devices提供。

杰伦妮·罗德里格斯是一名应用工程师模拟设备在Precision Converter Technology Group内部。她的重点是用于直流测量的精密∑-ΔADC。她于2012年加入ADI，并于2011年毕业于圣塞巴斯蒂安学院雷科莱托斯·德·卡维特分校，获得电子工程学士学位。可以在jellenie.rodriguez@analog.com.
玛丽麦卡锡是一名应用工程师模拟设备。她于1991年加入ADI，在爱尔兰科克的线性和精密技术应用集团工作，专注于精密sigma-delta转换器。玛丽于1991年毕业于科克大学学院，获得电子和电气工程学士学位。可以在mary.mccarthy@analog.com.