使熱敏電阻響應(yīng)線性化的溫度-周期轉(zhuǎn)換電路
[導(dǎo)讀]設(shè)計(jì)師最常使用的是熱敏電阻 器而不是溫度傳感器，因?yàn)闊崦綦娮杵饔懈叩撵`敏度，以及小巧、經(jīng)濟(jì)和小的時(shí)間常數(shù)。
設(shè)計(jì)師最常使用的是熱敏電阻 器而不是溫度傳感器，因?yàn)闊崦綦娮杵饔懈叩撵`敏度，以及小巧、經(jīng)濟(jì)和小的時(shí)間常數(shù)。但是，大多數(shù)熱敏電阻器的電阻-溫度特性是高度非線性的，對(duì)于要求線性響應(yīng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)必須作校正。圖1是一個(gè)用熱敏電阻器作傳感器的簡(jiǎn)單電路，它的時(shí)間周期隨溫度呈線性變化，在高至 30K 的范圍內(nèi)，非線性誤差小于 0.1K?？梢杂靡粋€(gè)頻率計(jì)數(shù)器將該周期轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。對(duì)熱敏電阻器的阻值計(jì)算有一個(gè)按泊松定律的近似式，即熱敏電阻器阻值 RT 為溫度q的函數(shù)，RT=AB-q。在窄的溫度范圍內(nèi)，該關(guān)系式可近似地描述為一個(gè)實(shí)際熱敏電阻器的行為。
在熱敏電阻器上可以并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻RP，獲得一個(gè)接近于 30KΩ的有效電阻。在圖1中，端點(diǎn)A和B之間連接的網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)AB-q的有效電阻RAB。JFET Q1和電阻RS構(gòu)成電流調(diào)節(jié)器，在端點(diǎn)D和E之間提供一個(gè)恒流源IS。
R4上的電壓通過(guò)緩沖放大器 IC1激勵(lì)由R1和C1串聯(lián)構(gòu)成的RC 電路，當(dāng)R2大于RAB 時(shí)，R1上產(chǎn)生一個(gè)呈指數(shù)衰減的電壓。當(dāng)R1上的電壓降至低于熱敏電阻器RT電壓的瞬間，比較器IC2的輸出狀態(tài)改變，電路振蕩，圖2中IC2的輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓波形。振蕩周期T = 2R1C1ln(R2/RAB)≈2R1C1[ln(R2/A)+qlnB]。該式表示周期T隨熱敏電阻的溫度q呈線性變化。
通過(guò)改變電阻器R1的值，就可以方便地改變轉(zhuǎn)換靈敏度ΔT/Δq。Q1 與 R1構(gòu)成的電流源決定輸出周期 T，它對(duì)供電電壓和輸出負(fù)載的變化非常不敏感?？梢酝ㄟ^(guò)改變R2，在不影響轉(zhuǎn)換靈敏度的情況下改變周期 T。溫度范圍qL至qH給定時(shí)，轉(zhuǎn)換靈敏度為SC，可以設(shè)計(jì)電路如下：使qC表示溫度范圍的中心溫度。測(cè)量熱敏電阻器在溫度qL、qC與qH處的阻值，用三個(gè)電阻值 RL、RC 和 RH 確定 RP，qC處的 RAB 表示qL與qH處RAB的幾何平均數(shù)。對(duì)這個(gè)RP值，可以使三個(gè)溫度點(diǎn)（qL、qC和qH）的RAB精確等于AB-q。
當(dāng)溫度范圍為30K或30K以下時(shí)，大多數(shù)熱敏電阻器對(duì)這個(gè)區(qū)域中的其它溫度，偏離AB-q的RAB 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯低于0.1K的非性線誤差。RP值可以用下式計(jì)算：RP=RC[RC(RL+RH)-2RLRH]/(RLRH-RC2)。由于溫度-周期轉(zhuǎn)換的靈敏度SC為 2R1C1lnb，因此選擇R1和C1時(shí)可以使下式成立：R1C1=SC[qH-qC]/ln(qL處的RAB/qH處的 RAB)，以得到所需SC值。如要得到一個(gè)低溫度qL的特定輸出周期TL，R2應(yīng)等于 (qL處的RAB)eY，其中Y表示 (TL/2R1C1)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，R2的選值比較低，因?yàn)?IC2的非零響應(yīng)延遲會(huì)增加輸出周期。
下面，將電位器 R1 和 R2 值設(shè)為接近于計(jì)算值。在調(diào)節(jié) R1 得到正確 SC 后，調(diào)節(jié) R2，使 T 等于溫度qL 時(shí)的 TL。兩個(gè)分壓器電阻 R3 與 R4 阻值應(yīng)相等，并且公差近似。作為一個(gè)實(shí)例，標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻器可以采用如 Yellow Springs Instruments 46004，將 20℃至 50℃的溫度范圍轉(zhuǎn)換為 5ms 至 20 ms 的周期。該熱敏電阻器的 RL、RC和RH電阻值分別為 2814Ω、1471Ω和 811.3Ω，分別對(duì)應(yīng)低點(diǎn)、中點(diǎn)和高點(diǎn)溫度。該設(shè)計(jì)的參數(shù)還有SC=0.5 ms/K、qL=20℃、qH=50℃、qC=35℃以及 TL=5 ms。
由于電流 IS 只有部分通過(guò)熱敏電阻器，IS 應(yīng)低到避免出現(xiàn)自發(fā)熱效應(yīng)。該設(shè)計(jì)采用的 IS 約為 0.48 mA，當(dāng)熱敏電阻器的耗散常數(shù)為 10 mW/K 時(shí)，自發(fā)熱誤差低于 0.03K。圖1 是例子中所用元件的值。所有電阻器公差均為 1%，額定功率為0.25W，C1 是聚碳酸酯電介質(zhì)電容器。
用標(biāo)準(zhǔn)的 2814Ω至811.3Ω、0.01% 公差熱敏電阻器作替換，可模擬 20℃至 50℃之間的各種溫度，產(chǎn)生的 T 值為 5ms 至 20 ms，正確讀數(shù)的最大偏差小于 32ms，響應(yīng)的最大溫度偏差低于 0.07K。如果使用一個(gè)耗散常數(shù)不大于 10 mW/K 的熱敏電阻器，實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的最大誤差小于 0.1K 。
在熱敏電阻器上可以并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻RP，獲得一個(gè)接近于 30KΩ的有效電阻。在圖1中，端點(diǎn)A和B之間連接的網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)AB-q的有效電阻RAB。JFET Q1和電阻RS構(gòu)成電流調(diào)節(jié)器，在端點(diǎn)D和E之間提供一個(gè)恒流源IS。
R4上的電壓通過(guò)緩沖放大器 IC1激勵(lì)由R1和C1串聯(lián)構(gòu)成的RC 電路，當(dāng)R2大于RAB 時(shí)，R1上產(chǎn)生一個(gè)呈指數(shù)衰減的電壓。當(dāng)R1上的電壓降至低于熱敏電阻器RT電壓的瞬間，比較器IC2的輸出狀態(tài)改變，電路振蕩，圖2中IC2的輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓波形。振蕩周期T = 2R1C1ln(R2/RAB)≈2R1C1[ln(R2/A)+qlnB]。該式表示周期T隨熱敏電阻的溫度q呈線性變化。
通過(guò)改變電阻器R1的值，就可以方便地改變轉(zhuǎn)換靈敏度ΔT/Δq。Q1 與 R1構(gòu)成的電流源決定輸出周期 T，它對(duì)供電電壓和輸出負(fù)載的變化非常不敏感?？梢酝ㄟ^(guò)改變R2，在不影響轉(zhuǎn)換靈敏度的情況下改變周期 T。溫度范圍qL至qH給定時(shí)，轉(zhuǎn)換靈敏度為SC，可以設(shè)計(jì)電路如下：使qC表示溫度范圍的中心溫度。測(cè)量熱敏電阻器在溫度qL、qC與qH處的阻值，用三個(gè)電阻值 RL、RC 和 RH 確定 RP，qC處的 RAB 表示qL與qH處RAB的幾何平均數(shù)。對(duì)這個(gè)RP值，可以使三個(gè)溫度點(diǎn)（qL、qC和qH）的RAB精確等于AB-q。
當(dāng)溫度范圍為30K或30K以下時(shí)，大多數(shù)熱敏電阻器對(duì)這個(gè)區(qū)域中的其它溫度，偏離AB-q的RAB 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯低于0.1K的非性線誤差。RP值可以用下式計(jì)算：RP=RC[RC(RL+RH)-2RLRH]/(RLRH-RC2)。由于溫度-周期轉(zhuǎn)換的靈敏度SC為 2R1C1lnb，因此選擇R1和C1時(shí)可以使下式成立：R1C1=SC[qH-qC]/ln(qL處的RAB/qH處的 RAB)，以得到所需SC值。如要得到一個(gè)低溫度qL的特定輸出周期TL，R2應(yīng)等于 (qL處的RAB)eY，其中Y表示 (TL/2R1C1)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，R2的選值比較低，因?yàn)?IC2的非零響應(yīng)延遲會(huì)增加輸出周期。
下面，將電位器 R1 和 R2 值設(shè)為接近于計(jì)算值。在調(diào)節(jié) R1 得到正確 SC 后，調(diào)節(jié) R2，使 T 等于溫度qL 時(shí)的 TL。兩個(gè)分壓器電阻 R3 與 R4 阻值應(yīng)相等，并且公差近似。作為一個(gè)實(shí)例，標(biāo)準(zhǔn)熱敏電阻器可以采用如 Yellow Springs Instruments 46004，將 20℃至 50℃的溫度范圍轉(zhuǎn)換為 5ms 至 20 ms 的周期。該熱敏電阻器的 RL、RC和RH電阻值分別為 2814Ω、1471Ω和 811.3Ω，分別對(duì)應(yīng)低點(diǎn)、中點(diǎn)和高點(diǎn)溫度。該設(shè)計(jì)的參數(shù)還有SC=0.5 ms/K、qL=20℃、qH=50℃、qC=35℃以及 TL=5 ms。
由于電流 IS 只有部分通過(guò)熱敏電阻器，IS 應(yīng)低到避免出現(xiàn)自發(fā)熱效應(yīng)。該設(shè)計(jì)采用的 IS 約為 0.48 mA，當(dāng)熱敏電阻器的耗散常數(shù)為 10 mW/K 時(shí)，自發(fā)熱誤差低于 0.03K。圖1 是例子中所用元件的值。所有電阻器公差均為 1%，額定功率為0.25W，C1 是聚碳酸酯電介質(zhì)電容器。
用標(biāo)準(zhǔn)的 2814Ω至811.3Ω、0.01% 公差熱敏電阻器作替換，可模擬 20℃至 50℃之間的各種溫度，產(chǎn)生的 T 值為 5ms 至 20 ms，正確讀數(shù)的最大偏差小于 32ms，響應(yīng)的最大溫度偏差低于 0.07K。如果使用一個(gè)耗散常數(shù)不大于 10 mW/K 的熱敏電阻器，實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的最大誤差小于 0.1K 。
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