高精度热敏电阻温度传感器

前面介绍的热电阻是利用金属导体的热阻效应制成的热电式传感器，本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种热敏元件（热敏电阻）。

1.热敏电阻的结构形式

热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，其结构形式如图11-46所示。它主要由热敏元件、引线和壳体组成。

图11-46 热敏电阻结构形式

1—玻璃壳 2—热敏电阻 3—引线

2.热敏电阻的温度特性

按半导体电阻随温度变化的典型特性可分为三种类型：即负电阻温度系数热敏电阻（NTC），正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度系数电阻（CTR）。它们的特性曲线如图11-47所示。

由图11-47可见，使用CTR型热敏电阻组成控制开关是十分理想的。在温度测量中，则主要采用NTC型或PTC型热敏电阻，但使用得最多的是NTC型热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为

式中 R_T，R₀——T（K）和T₀（K）时的电阻值；

B——热敏电阻的材料常数，一般情况下B=2000～6000K，在高温下使用时，B值将增大。

若定义为热敏电阻的温度系数a_T，则由式（11-45）得

图11-47 各种热敏电阻的特性

1—负温度系数（NTC） 2—临界温度系数（CTR） 3—正温度系数（PTC）

可见，a_T是随温度降低而迅速增大。a_T决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。

热敏电阻的测温灵敏度比金属丝的高很多。例如，B值为4000K，当T=293.15K（20℃）时，热敏电阻的a_T=4.7%/℃，约为铂电阻的12倍。由于温度变化引起的阻值变化大，因此测量时引线电阻影响小，并且体积小，非常适合测量微弱温度变化。但是，热敏电阻非线性严重，所以，实际使用时要对其进行线性化处理。

常用的热敏电阻的主要参数如表11-2所示。

表11-2 常用热敏电阻主要参数

3.热敏电阻输出特性的线性化处理

由式（11-45）可知，热敏电阻值随温度变化是指数规律，也就是说，其非线性十分严重。当需要线性变换时，就应考虑其线性化处理。常用的方法有以下几种。

（1）线性化网络 对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是，用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络（常称为线性化网络）代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。图11-48表示了两种最简单的线性化方法。

图11-48 常用补偿电路

a）串联补偿电路 b）并联补偿电路(www.xing528.com)

图11-48a中热敏电阻R_T与补偿电阻r_c串联，串联后的等效电阻R=R_T+r_c，只要r_c的阻值选择适当，可使温度在某一范围内，与电阻的倒数呈线性关系，所以电流I与温度T呈线性关系。图11-48b中热敏电阻RT与补偿电阻r_c并联，其等效电阻。由图11-48b可知，R与温度的关系曲线便显得比较平缓，因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。并联补偿的线性电路常用于电桥测温电路，如图11-49所示。

图11-49 并联补偿的测温桥式电路

当电桥平衡时，，电压U=0。这时对应某一温度T₀。当温度变化时，R_T将变化。使得电桥失去平衡，电压U≠0，输出的电压值就对应了变化的温度值。

（2）计算修正法 大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实际使用时都必须进行线性化处理，其方法不外乎两大类：硬件（电子线路）法和软件（程序）法。在带有微控制器的测量系统中，就可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可以采用线性插值的方法将特性分段并把分段点的值存入计算机的内存中，计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计算，给出要求的输出值。这种线性化的具体方法可参阅有关书籍。

（3）利用温度—频率转换电路改善非线性 图11-50是一个温度—频率转换电路。该电路利用RC电路充放电过程的指数函数和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性。该转换器由温度—电压转换电路（A₁，A₂，A₃）、RC充放电电路、电压比较器A₄和延时电路组成。其改善热敏电阻R_T的非线性原理如下：

温度—电压转换电路由热敏电阻R_T和运算放大器A₁～A₃组成，产生一个与温度相对应的电压U₊，加到比较器A₄的正端。运算放大器A₁为差动放大器A₂提供一个低电压

的输入信号，其目的是减小热敏电阻自身发热所引起的误差。A₂输出再由反相放大器A₃提高信号幅值。该波幅值为

图11-50 温度—频率转换电路图

RC电路（见A₄反相输入端）中的电容C上充电电压为

该转换器是把RC电路充电过程中电容C上的电压U_C，与温度—电压转换电路的输出电压U₊相比较，当U_C>U₊时，比较器的输出电压由正变负，此负跳变电压触发延时电路（T₁，T₂）使延时电路输出窄脉冲，驱动开关电路晶体管VT，与电容器C构成放电通路；当U_C<U+时，比较器A₄输出由负变正，延时电路输出低电位，VT截止，电容器C开始一个新的充电周期。当温度恒定时.输出一个与该温度相对应的频率信号。当温度改变时，U₊改变，使比较器输出电压极性的改变推迟或提前，于是输出信号频率将相应地变化，从而实现温度到脉冲频率的变换，达到测量温度的目的。

下面讨论转换器的输出频率与被测温度的关系。

延时电路T₁、T₂由两块LM556组成，它们产生宽度为t_d1（t_d1=1.1R₁C₁）和t_d2（t_d2=1.1R₂C₂）的脉冲信号，且使t_d2<<t_d1如图11-51所示。在t=0时，晶体管VT关断，比较器A₄输出U₀=+U₁；当t=t₁时U₀上升到超过U₊，A₄输出电压U₀=-U₁，根据式（11-45）、式（11-46）和式（11-47），且令R_f=R_T。（温度T₀时的电阻值），得到

在t=t₁时，比较器A₄输出的负跳变电压触发延时电路T₁，产生t_d1=t₂-t₁的窄脉冲，在此脉冲的下降沿（t=t₂时），触发延时电路T₂，产生t_d2=t₃-t₂的窄脉冲，该脉冲使晶体管VT导通，使电容C短路，U₀下降到零，并使A₄输出由-U₁变到+U₁，开始一个新周期，待t₃到来时晶体管VT截止，电源通过R重新对C充电。不难看出，A₄输出方波的周期T_m为

图11-51 波形图

T_m=t₁+t_d1+t_d2 （11-50）

将式（11-50）代入式（11-49），则输入方波频率f为

注意：式（11-51）中的T是热力学温度，且。由于t_d2<<t_d1，若调整t_d1，可使δ减小到零，则式（11-51）可简写为

从式（11-52）表明，输出频率与热力学温度T成正比。所以，该电路在δ=0时，输出是线性的，即使δ调不到零，也可以使热敏电阻输出的非线性得到改善，所以该转换电路用于热敏电阻的温度测量是比较理想的。