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使热敏电阻响应线性化的温度-周期转换电路

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:717

        

    

    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

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    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

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