如何進(jìn)行熱敏電阻測(cè)量

1. 熱敏電阻概覽

與RTD相似，熱敏電阻也是溫度敏感的半導(dǎo)體，其阻抗隨溫度而變化。熱敏電阻由以玻璃或環(huán)氧珠封裝的金屬氧化物半導(dǎo)體材料制造而成。而且，熱敏電阻的典型標(biāo)稱阻抗值要比RTD高得多，阻抗值從2000Ω到10,000Ω，故可用于較低電流的測(cè)量。

圖1. 熱敏電阻的常用符號(hào)表示

每個(gè)傳感器都有一個(gè)設(shè)定的標(biāo)稱阻抗，依據(jù)一定的線性化近似處理，該阻抗隨溫度按比例變化。熱敏電阻具有負(fù)溫度相關(guān)系數(shù)（NTC）或正溫度相關(guān)系數(shù)（PTC），前者（也更為常見(jiàn)）的阻抗隨溫度升高而下降，而后者的阻抗隨溫度的升高而上升。

您可以將PTC熱敏電阻或正溫度相關(guān)系數(shù)熱敏電阻用作限流設(shè)備（替代保險(xiǎn)絲），或者用作小型溫控爐的加熱組件。而NTC熱敏電阻（本文的主題）主要用于溫度測(cè)量，并廣泛應(yīng)用于數(shù)字溫度調(diào)節(jié)裝置或汽車中以監(jiān)測(cè)引擎的溫度。

典型情況下，熱敏電阻具有較高的靈敏度（約200 Ω/°C），這使得它對(duì)于溫度的變化非常靈敏。雖然熱敏電阻具有極高的響應(yīng)速率，但它的使用限于最高為300 °C的溫度范圍。該特性及其高標(biāo)稱阻抗，有助于在較低溫度的應(yīng)用中提供精確的測(cè)量結(jié)果。

2. 如何進(jìn)行熱敏電阻測(cè)量

由于熱敏電阻是阻抗性設(shè)備，您必須對(duì)其施加一個(gè)的激勵(lì)源，然后讀取流過(guò)終端的電壓。該激勵(lì)源必須保持恒定和具有相當(dāng)?shù)木取?/p>

您可以將熱敏電阻以差分方式接入模擬輸入通道以進(jìn)行溫度測(cè)量。換言之，您必須跨熱敏電阻連接模擬輸入通道的+ve和-ve端子。

熱敏電阻可采用2-線、3-線或4-線配置，其連接分別如圖2所示。

圖2. 2-線、3-線與4-線連接框圖

當(dāng)存在多于兩條的連線時(shí)，這些額外的連線僅用于與激勵(lì)源的連接。在3-線或4-線連接方法中，連線被納入到跨越測(cè)量設(shè)備的高阻抗通路中，從而有效地降低了由連線阻抗（RL）帶來(lái)的誤差。

將熱敏電阻連接至測(cè)量設(shè)備的最簡(jiǎn)便的方法便是采用2-線連接（參見(jiàn)圖3）。在此方法中，給熱敏電阻施加激勵(lì)源的兩根連線也可用于測(cè)量流過(guò)該傳感器的電壓。由于熱敏電阻的標(biāo)稱阻抗非常高，故連線的阻抗不會(huì)影響其測(cè)量值的精度；因此，2-線測(cè)量精度對(duì)于熱敏電阻業(yè)已足夠，從而使得2-線熱敏電阻最為常用。

3. 2-線連接

將熱敏電阻與儀器相連

許多儀器提供了類似的與熱敏電阻連接的可選方案。例如，以NI CompactDAQ系統(tǒng)與NI 9215 C系列模塊為例（參見(jiàn)圖4）。

圖4. NI 9215 C系列模擬輸入模塊與NI CompactDAQ底板

注意圖5中連接框圖的差分連接——兩條連線分別與熱敏電阻的任一端和信號(hào)通道的正極端子或負(fù)極端子（這里是針腳0和針腳1）相連。當(dāng)利用此類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，您可以指定激勵(lì)電流（IEX）或激勵(lì)電壓（VEX），這取決于您所使用的激勵(lì)源的類型。

圖5. 帶有不同外部激勵(lì)的NI 9215的熱敏電阻連接框圖，其中（a）為電流激勵(lì)源IEX（b）為電壓激勵(lì)源VEX

該電阻兩端的電壓差值讀數(shù)可以視為溫度值。電阻兩端的電壓與溫度并不是呈完美的線性關(guān)系。為了將熱敏電阻的阻抗映射至溫度，NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序采用了Steinhart-Hart熱敏電阻三階近似公式：

其中，T表示凱爾文溫度，R表示測(cè)量所得的阻抗值，A、B和C是由熱敏電阻制造商提供的常數(shù)系數(shù)。

您可以使用外部信號(hào)源，如C系列電壓輸出模塊或電流輸出模塊，施加激勵(lì)。由于熱敏電阻的標(biāo)稱阻抗非常之高，您需要一個(gè)可以精確輸出低電流的信號(hào)源。您可以使用NI 9265C系列模擬輸出模塊作為熱敏電阻的電流激勵(lì)源，將其布置在與采集熱敏電阻讀數(shù)的C系列模塊相同的NI cDAQ-9172底板上。NI 9265具有16-位精度的0~20 mA的輸出范圍。該款獨(dú)特的輸出模塊具有與面向溫度讀數(shù)的輸入模塊相同數(shù)目的通道。C系列電流輸出模塊所使用的輸出針腳如圖6所示。

圖6. NI 9265模擬輸出模塊端子連接

注意事項(xiàng)

如果您無(wú)法排釋額外的熱量，由激勵(lì)電流引發(fā)的熱量會(huì)導(dǎo)致傳感元的溫度升高而超過(guò)外周溫度，從而在外周溫度的讀數(shù)中引入誤差。您可以通過(guò)降低激勵(lì)電流使自熱的影響最小化。

熱敏電阻所產(chǎn)生的信號(hào)通常在毫伏量級(jí)，這使得它們很容易受到噪聲的干擾。在熱敏電阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用低通濾波器以有效濾除熱敏電阻測(cè)量中的高頻噪聲。例如，低通濾波器對(duì)于去除在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和工廠環(huán)境中極為常見(jiàn)的60 Hz電力線噪聲非常有用。

查看您的測(cè)量結(jié)果：NI LabVIEW

一旦恰當(dāng)?shù)耐瓿上到y(tǒng)配置，您可以利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境采集并查看數(shù)據(jù)。

圖7. LabVIEW前面板上的熱敏電阻讀數(shù)