使热敏电阻响应线性化的温度-周期转换电路

设计师最常使用的是热敏电阻 器而不是温度传感器，因为热敏电阻器有更高的灵敏度，以及小巧、经济和小的时间常数。但是，大多数热敏电阻器的电阻-温度特性是高度非线性的，对于要求线性响应的应用来说必须作校正。图1是一个用热敏电阻器作传感器的简单电路，它的时间周期随温度呈线性变化，在高至 30K 的范围内，非线性误差小于 0.1K。可以用一个频率计数器将该周期转换为数字输出。对热敏电阻器的阻值计算有一个按泊松定律的近似式，即热敏电阻器阻值 RT 为温度q的函数，RT=AB-q。在窄的温度范围内，该关系式可近似地描述为一个实际热敏电阻器的行为。 　　在热敏电阻器上可以并联一个适当阻值的电阻RP，获得一个接近于 30KΩ的有效电阻。在图1中，端点A和B之间连接的网络提供一个AB-q的有效电阻RAB。JFET Q1和电阻RS构成电流调节器，在端点D和E之间提供一个恒流源IS。 　　R4上的电压通过缓冲放大器 IC1激励由R1和C1串联构成的RC 电路，当R2大于RAB 时，R1上产生一个呈指数衰减的电压。当R1上的电压降至低于热敏电阻器RT电压的瞬间，比较器IC2的输出状态改变，电路振荡，图2中IC2的输出端产生一个电压波形。振荡周期T = 2R1C1ln(R2/RAB)≈2R1C1[ln(R2/A)+qlnB]。该式表示周期T随热敏电阻的温度q呈线性变化。 　　通过改变电阻器R1的值，就可以方便地改变转换灵敏度ΔT/Δq。Q1 与 R1构成的电流源决定输出周期 T，它对供电电压和输出负载的变化非常不敏感。可以通过改变R2，在不影响转换灵敏度的情况下改变周期 T。温度范围qL至qH给定时，转换灵敏度为SC，可以设计电路如下：使qC表示温度范围的中心温度。测量热敏电阻器在温度qL、qC与qH处的阻值，用三个电阻值 RL、RC 和 RH 确定 RP，qC处的 RAB 表示qL与qH处RAB的几何平均数。对这个RP值，可以使三个温度点（qL、qC和qH）的RAB精确等于AB-q。 　　当温度范围为30K或30K以下时，大多数热敏电阻器对这个区域中的其它温度，偏离AB-q的RAB 会产生一个明显低于0.1K的非性线误差。RP值可以用下式计算：RP=RC[RC(RL+RH)-2RLRH]/(RLRH-RC2)。由于温度-周期转换的灵敏度SC为 2R1C1lnb，因此选择R1和C1时可以使下式成立：R1C1=SC[qH-qC]/ln(qL处的RAB/qH处的 RAB)，以得到所需SC值。如要得到一个低温度qL的特定输出周期TL，R2应等于 (qL处的RAB)eY，其中Y表示 (TL/2R1C1)。实际应用时，R2的选值比较低，因为 IC2的非零响应延迟会增加输出周期。 　　下面，将电位器 R1 和 R2 值设为接近于计算值。在调节 R1 得到正确 SC 后，调节 R2，使 T 等于温度qL 时的 TL。两个分压器电阻 R3 与 R4 阻值应相等，并且公差近似。作为一个实例，标准热敏电阻器可以采用如 Yellow Springs Instruments 46004，将 20℃至 50℃的温度范围转换为 5ms 至 20 ms 的周期。该热敏电阻器的 RL、RC和RH电阻值分别为 2814Ω、1471Ω和 811.3Ω，分别对应低点、中点和高点温度。该设计的参数还有SC=0.5 ms/K、qL=20℃、qH=50℃、qC=35℃以及 TL=5 ms。 　　由于电流 IS 只有部分通过热敏电阻器，IS 应低到避免出现自发热效应。该设计采用的 IS 约为 0.48 mA，当热敏电阻器的耗散常数为 10 mW/K 时，自发热误差低于 0.03K。图1 是例子中所用元件的值。所有电阻器公差均为 1%，额定功率为0.25W，C1 是聚碳酸酯电介质电容器。 　　用标准的 2814Ω至811.3Ω、0.01% 公差热敏电阻器作替换，可模拟 20℃至 50℃之间的各种温度，产生的 T 值为 5ms 至 20 ms，正确读数的最大偏差小于 32ms，响应的最大温度偏差低于 0.07K。如果使用一个耗散常数不大于 10 mW/K 的热敏电阻器，实际应用中产生的最大误差小于 0.1K 。