【经验】教你如何提高NTC热敏电阻测温电路的灵敏度、及将阻值转换成测量温度的简易惯用方法

热敏电阻是一种对温度敏感的元件，分为正电阻温度系数（NTC）和负电阻温度系数（PTC）两种类型。安费诺（Amphenol）可以提供从敏感元件（NTC或PTC）到温度传感器的各式产品，热敏电阻以固体陶瓷为材料，因其质量优异经久耐用而广泛使用。安费诺的NTC热敏电阻采用渡金属氧化物制造，可在-196~1000℃的温度范围内使用，性能优异。

本文介绍了如何提高NTC热敏电阻测温电路的灵敏度，以及将NTC热敏电阻阻值转换成测量温度的简易惯用方法。并且，文末还附带了参考代码演示如何创建和使用查找表。

在任何指定的温度范围内，测温电阻与温度之间的关系可用以下公式理想地描述

                                          (1)

其中:

o    是在绝对温度下NTC的电阻，T是用开尔文表示();

o    是在绝对温度下NTC的电阻, T0 (例如, )也用开尔文表示();

o    β NTC的材料常数(K)，表示热敏电阻R-T特性在规定温度范围内的转换速率.

重新整理温度公式方程:

                                  (2)

我们会用(2)式来计算温度:

o    获取

o    测量信号并计算 

o    计算 

但是我们不得不说，用NTC来计算温度不是一个好方法，特别是对于资源有限的MCU，或者任何需要兼顾速度和效率的应用。即使对于一个综合的MCU，基于式(2)的直接计算也不是一个好的解决方案。

在大多数应用程序中，查询表是测量温度的更好方法。有两种类型的查找表来返回温度:

o    输入热敏电阻的阻值，得到温度

o    输入转换电压或电流信号得到温度

典型的NTC热敏电阻的特征

Table-1: NTC热敏电阻的基本参数

为了找出两种查找表的区别，图1中展示了一个简单的分压电路

当Rs不同时，信号Vout的灵敏度也不同。重要的是要选择一个串联电阻，使电路对感兴趣的温度变化更加敏感。从图2可以看出，当分压器Rs改变时，Vout信号的斜率是不同的。

斜坡越大，电路越灵敏。在给定的温度点T，如何通过调节Rs获得最高的灵敏度?

 Vout(T) 灵敏度控制

导数的价值告诉灵敏度是如何改变随着温度的变化,和Rs。在温度,实现电路的最大灵敏度当。

这意味着，在感兴趣的温度点T，或者在该点附近的温度范围内，如果串联电阻的电阻接近热敏电阻的电阻，则电路可以产生更高的敏感信号。

请记住,β是恒定的只有当温度在一个狭窄的范围。这取决于应用程序是否能够接受所有公差所带来的错误。因此，在许多高温或低温应用程序中，我们希望在工作温度或工作温度范围[1]的方便的中点指定额定电阻 (例如)。

根据式(6)，我们可以选择合适的电阻r来获得更高的灵敏度。如果灵敏度斜坡太平坦，无法识别温度变化，我们需要动态调整串联电阻的电阻，或选择更高的ADC分辨率。温度系数和Rs的精度在此应用中也起着重要的作用。

请注意，串联的总电阻(Rs + R_NTC)不应太低，以致流过热敏电阻的电流产生过多的热量(自热)，从而增大了温度测量公差。在另一个应用说明中，我们将解释自热是如何产生测量误差的。

查找表 方法-1:使用电阻输入查找温度

步骤1:使用Excel或程序生成一个阻力数据数组(data[n])，每个∆T根据式(1);

步骤2:将数据数组data[n]复制到固件中。编译并运行MCU/ADC来测量Vout

步骤3:MCU根据式(4)计算R_NTC;

步骤4:找出数组中的索引k与R_NTC之间的关系。如果需要更高的分辨率，插值总是必要的。

查找表 方法-2:使用R2V输入查找温度

步骤1:使用Excel或程序生成一个阻力数据数组(Data1[n])，每个∆T根据式(1);

步骤2:使用Excel或程序生成另一个数组(Data2[n])，根据公式(3)和Data1[n]分别存储每个∆T的电压ADC数据;

步骤3:将Data2[n]复制到固件中。编译并运行MCU/ADC测量Vout;

步骤4:找出数组中的索引k与Vout之间的关系。如果需要更高的分辨率，插值总是必要的。

两种方法的优缺点

§  Demo Code for Method-2

/* Lookup table for temperature measurement  */

/* Input: ADC output of NTC input channel. 10bit     */

/* Return Status:                                       */

/* Return Temperature: -40c ~125c                   */

struct

{

       m_status;

       m_Temperature;

} Thm_Status;

#define THM_OK                 0

#define THM_OPEN   1                 // Sensor Open

#define THM_SHORT          2                 // Sensor Overheat | short, for particular application

#define THM_LOW     3                 // Temperature too low

#define THM_HI                   4                 // Temperature too high

#define TEMP_LO_THRESHOLD         20

#define TEMP_HI_THRESHOLD          1000

int R_Vout[]=

{      36, 38, 41, 43, 46, 49, 52, 55, 58, 62, 65, 69, 73, 77, 81, 86, 90, 95, 100,

105, 111, 116, 122, 128, 134, 140, 147, 154, 161, 168, 175, 183, 190, 198,

206, 214, 223, 231, 240, 249, 258, 268, 277, 286, 296, 306, 316, 326, 336,

346, 356, 366, 377, 387, 398, 408, 418, 429, 439, 450, 460, 471, 481, 491,

502, 512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 581, 591, 600, 609, 619, 628, 636,

645, 654, 662, 671, 679, 687, 695, 702, 710, 717, 725, 732, 739, 746, 752,

759, 765, 772, 778, 784, 790, 795, 801, 807, 812, 817, 822, 827, 832, 837,

841, 846, 850, 854, 859, 863, 867, 870, 874, 878, 881, 885, 888, 891, 895,

898, 901, 904, 907, 909, 912, 915, 917, 920, 922, 925, 927, 929, 931, 934,

936, 938, 940, 942, 944, 945, 947, 949, 951, 952, 954, 955, 957, 958, 960,

961, 963, 964, 965, 967, 968, 969, 970, 971, 972, 974, 975

}

void Get_Temp(int ADC_Vout)

{

         if (ADC_Out < TEMP_LO_THRESHOLD)                     //Sensor Open|Broake | Low

         {

                   Thm_Status. m_status = THM_OPEN;

                   Thm_Status.Cur_Temp = 0;

return;

         }

         else if (ADC_Out > TEMP_HI_THRESHOLD)                          //Overheat | short

         {

                   Thm_Status. m_status = THM_SHORT;

                   Thm_Status.Cur_Temp = 0xFFFF;

return;

         }

if(ADC_Out < R_Vout [0])                                          //Temperature Low

         {

                   Thm_Status. m_status = THM_LOW;

                   Thm_Status.Cur_Temp = 0;

return;

         }

         else if(ADC_Out > R_Vout [124])                             //Temperature high

         {

                   Thm_Status. m_status = THM_ THM_HI;

                   Thm_Status.Cur_Temp = 125;

return;

         }

         Thm_Status. m_status = THM_OK;                                    //cycle to check temperature

         for(int i = 0; i < 125; i++)

         {

                   if(ADC_Out >= R_Vout [i])

                   {

                            Thm_Status.Cur_Temp = i-40;

                            return;                                              //Insert interpolation if necessary

                   }

         }

}