如何進行熱敏電阻測量

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體材料制造而成。而且，熱敏電阻的典型標稱阻抗值要比RTD高得多，阻抗值從2000Ω到10,000Ω，故可用于較低電流的測量。

圖1. 熱敏電阻的常用符號表示

每個傳感器都有一個設定的標稱阻抗，依據(jù)一定的線性化近似處理，該阻抗隨溫度按比例變化。熱敏電阻具有負溫度相關系數(shù)（NTC）或正溫度相關系數(shù)（PTC），前者（也更為常見）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系數(shù)熱敏電阻用作限流設備（替代保險絲），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）主要用于溫度測量，并廣泛應用于數(shù)字溫度調(diào)節(jié)裝置或汽車中以監(jiān)測引擎的溫度。

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

2. 如何進行熱敏電阻測量

由于熱敏電阻是阻抗性設備，您必須對其施加一個的激勵源，然后讀取流過終端的電壓。該激勵源必須保持恒定和具有相當?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行溫度測量。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

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

將熱敏電阻連接至測量設備的最簡便的方法便是采用2-線連接（參見圖3）。在此方法中，給熱敏電阻施加激勵源的兩根連線也可用于測量流過該傳感器的電壓。由于熱敏電阻的標稱阻抗非常高，故連線的阻抗不會影響其測量值的精度；因此，2-線測量精度對于熱敏電阻業(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通道的正極端子或負極端子（這里是針腳0和針腳1）相連。當利用此類型的傳感器進行數(shù)據(jù)采集時，您可以指定激勵電流（IEX）或激勵電壓（VEX），這取決于您所使用的激勵源的類型。

圖5. 帶有不同外部激勵的NI 9215的熱敏電阻連接框圖，其中（a）為電流激勵源IEX（b）為電壓激勵源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系。為了將熱敏電阻的阻抗映射至溫度，NI-DAQmx驅(qū)動程序采用了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源，如C系列電壓輸出模塊或電流輸出模塊，施加激勵。由于熱敏電阻的標稱阻抗非常之高，您需要一個可以精確輸出低電流的信號源。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

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

熱敏電阻所產(chǎn)生的信號通常在毫伏量級，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量中的高頻噪聲。例如，低通濾波器對于去除在大多數(shù)實驗室和工廠環(huán)境中極為常見的60 Hz電力線噪聲非常有用。

查看您的測量結(jié)果：NI LabVIEW

一旦恰當?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)