NTC热敏电阻的线性化及其应用

黄俊维

摘要：NTC热敏电阻在电子领域的应用十分广泛，且具有价格低廉的特点，但是在实际的操作中，由于热敏电阻属于非线性的原材料，因此必须进行线性化的处理才能使用，本文就从热敏电阻的特点、热敏电阻的线性化设计、在使用热敏电阻过程中需要注意的问题进行具体的分析。

关键词：NTC热敏电阻；线性化；应用

前言

相对于集成温度传感器来说，NTC热敏电阻的温度测量范围更宽泛，据统计，使用热敏电阻进行测温，最高温度可以达到250摄氏度左右，而且和现阶段常用的铂热电阻相比，其价格更低廉。但是由于NTC热敏电阻在本质上属于非线性电阻，在进行测温的过程中，必须经过线性化处理才能使用。本文就从热敏电阻的特点、线性化设计、在使用的过程中需要注意的问题等进行具体的分析。

1 NTC热敏电阻的特点

一般情况下，热敏电阻的阻值越高，热力学的温度就越低，随着温度的不断提升，热敏电阻的阻值也会迅速降低。因此我们在计算NTC热敏电阻系数（aT）的时候，可以使用以下公式来进行计算：aT=（1/RT）*（dRT/dT）

NTC热敏电阻值与热力学温度之间的关系可以概括为：RT=AebB/T

上述算式中，A和B的数值主要是由半导体的材料和对半导体进行加工的工艺来决定的，A为热敏电阻在常温下的标称阻值，B值为热敏指数[1]。

假设在温度T的环境下，电阻值是RT，则他们之间的关系就可以表示为：RT=AeB/T，从以上的分析中我们可以发现，上面提到的aT其实并不是一个常数，而是一个随着温度的变化而发生变化的数值，而且它与热力学温度的平方之间呈现的是反比的关系，而且在这个数值一定是小于0的。由此可见，NTC热敏电阻温度系数的绝对值实际上是伴随着温度的提升而不断减少的，而温度越低，它的数值也就越大，这也是导致热敏电阻性质呈现非线性特点的一个十分重要的原因。

2 NTC热敏电阻的线性化设计

在对热敏电阻进行线性化处理的过程中，我们主要使用的单片机，这样的处理方式效率比较低，需要进行大量的计算，本文主要研究的是使用四通道智能温度传感器对NTC热敏电阻进行线性化处理的方式。将四通道分别定义为T1、T2、T3、T4，将这4个通道分别于四个热敏电阻连接到一起。将外部电阻REXT连接到R+和R-之间[2]。电阻端和地分别是Ucc和GND。输入/输出接口分别为I/O。这种芯片能和热敏电阻配合使用。

MAX6691既可以配合负温度系数的热敏电阻使用，也可以配合正温度系数的热敏电阻使用。在对液体或是气体的温度进行测量的过程中，经常使用的就是NTC热敏电阻。热敏电阻的温度测量范围要远远大于芯片在工作的过程中可能产生的温度。例如：在匹配10K3A1IA型热敏电阻的过程中，MAX6691在测温的时候最低可以达到零下80摄氏度，最高可以达到零上150摄氏度，而MAX6691在工作的过程中最低温度大约在零下55摄氏度做与偶，最高温度也只有零上125摄氏度。

MAX6691的内部构造大约可以拆分为5个部分，即1.24V大小的基准电源，多路转换器（多数情况下由四选一模拟开关组成）缓冲放大器，单线I/O接口以及PWM转换器；控制逻辑。在外围的原件中，主要包括4只热敏电阻，分别命名为RT1、RT2、RT3、RT4，另加入一只被命名为REXT的外部电阻，I/O端口上的为上拉电阻，命名为RC，其中的C主要用于对电源的噪声进行滤除。

MAX6691测温的原理主要是先通过自动切换多路转换器的方式来对4只热敏电阻进行依次检测，接着进行放大缓冲操作，在使用PNM转换器将电压信号转化成脉宽信号，通过单线的I/O接口将获得的信号传送给单片机，最后由单片机将测得的温度数值进行输出，测量的误差不得高于0.5%FS，这样系统就能够自动判断热敏电阻是否存在短路的故障或是开路的故障，一旦发现系统存在故障，I/O端就会自动的将1个故障脉冲输出出来。

在正式开始测量之前，多数情况下MAX9961会处于休眠的状态，在正式开始测量的时候，单片机会自动将I/O端设置成低电平的模式，且这样的模式大约会保持5秒左右的时间，5秒之后，I/O会自动被释放出来。然后，MAX9961的四个端口会分别与4个热敏电阻相连接，再通过外部电阻REXT连接基准电压，整个测量过程大约需要耗费102ms的时间。测量结束之后，MAX9961会先将I/O端的接口切换成低电平的模式，这样的状态大约会保持125s的时间，接着4个脉宽信号才会依次进行输出。

借助单片机，非常容易测量出每一路的温度，并根据测量的温度计算出RT的数值，接着可以以外部存储器的RT值为依据，和温度表中的温度进行对照，确定这一路的温度数值。在进行测量的过程中，如果检测到了某一路的热敏电阻发生了短路的问题或是开路的问题，相应的支路输出的脉宽信号就会自动被切换成窄脉冲，这样的情况就被称作故障脉冲。利用热敏电阻的这个特点，相应的故障就非常容易被识别出来并促使扬声器发出声音进行报警。

3 NTC热敏电阻在应用过程中需要注意的问题

NTC热敏电阻和温度之间主要是呈现非线性的关系，因此在正式使用之前，必须进行线性化的处理，才能正式投入使用。对NTC热敏电阻进行线性处理可以通过以下的方式来实现：首先，可以先将一只合适的REXT与RT进行串联，然后将串联好的RT连接到基准电压的位置，在借助MAX6691对REXT上面的电压进行测量，在可选范围内可以尝试将NTC热敏电阻的非线性数值降到最小[3]。

在对REXT数值进行计算的时候，可以采取以下的步骤：

首先，要明确需要测量的温度的范围。

其次，在之前已经确定的温度的范围内，明确热敏电阻需要测量的溫度的最小数值和最大数值，即RMIN和RMAX以及两者的中间数值RMID。最后，利用以下公式对REXT的数值进行计算：REXT=[RMIN*（RMIN+RMAX）-2RMINRMAX]/（RMAX+RMIN-2RMID）

在这里，我们依然以10K3A1IA型的NTC热敏电阻的使用为例，假如我们测量的温度的范围使0摄氏度到70摄氏度。在70摄氏度的时候，RMIN=1852.3欧姆；在0摄氏度的时候，RMAX=53625.3欧姆，当温度等于35摄氏度；也就是中间温度的时候，RMID=6330.5欧姆。而当需要测量的温度的范围发生了改变的时候，就需要对REXT的数值进行重新的确定。

进行合适的REXT串联，就可以将NTC的非线性电阻转化成线性电阻。使用10K3A11IA，将REXT的数值设置成7670欧姆的时候，输出的温度值和温度之间的关系会更接近于线性。

在对NTC热敏电阻的非线性进行线性改造的过程中，需要具体注意以下几个方面的问题：第一是热敏电阻自身发热的问题，事实上，热敏电阻在零上25度的环境中时的电阻值R0和在规定温度下的电阻值RT以及通常我们定义的B值之间，都是说热敏电阻自身很少发热。

结语

综上所述，在使用NTC热敏电阻进行测温的过程中，由于NTC热敏电阻的非线性性质，在正式开始测温之前，必须对其进行线性改造，本文通过对NTC热敏电阻进行线性改造的过程中需要注意的问题的研究，尽可能的提升了NTC热敏电阻的使用效率，从而有效地提升了NTC热敏电阻的测温准确度。

参考文献：

[1]孙庆龙.NTC热敏电阻温度特性研究[J].大学物理实验，2013，26（04）：16-17+26.

[2]范寒柏，谢汉华.基于NTC热敏电阻的三种高精度测温系统研究[J].传感技术学报，2010，23（11）：1576-1579.

[3]沙占友，王彦朋，杜之涛.NTC热敏电阻的线性化及其应用[J].自动化仪表，2004（09）：30-32.