热敏电阻不平衡电桥的简单设计技巧.pdf

热敏电阻不平衡电桥的简单设计技巧张迎春 高文红(山东轻工业学院机电工程系 济南 250100)(山东轻工业学院图书馆 济南 250100)摘要 不平衡电桥在热敏电阻测温电路中应用十分广泛。通过一些简单的设计技巧,实现了不平衡电桥输出的线性化。关键词 热敏电阻,不平衡电桥,非线性补偿中图法分类号TN 702热敏电阻温度系数大,动态特性好,体积小,耐腐蚀,结构简单价格低,因此被广泛用作测温元件。特别由于其较高的灵敏度和较大的阻值,使得测温电路中连线导致的测温误差可以忽略,因而避免了热电阻测温电路中连线补偿问题1,使其测温电路更加简单。不平衡电桥在热敏电阻测温电路中应用十分广泛,但由于用干测温的负温度系数的热敏电阻(NTC)电阻一温度关系的非线性,使得电桥的输出也是非线性,从而影响了测量精度。本文给出了一些简单的设计技巧,利用这些技巧,可以在不增加测温电路复杂程度的前提下,实现电桥输出的线性化。图1 不平衡电桥原理图1 不平衡电桥的非线性输出特性图1给出了一种常见的热敏电阻不平衡电桥电路。2图中,电桥的工作电源由稳压电源Vs提供。RT为热敏电阻,其温度与电阻的关系特性可近似表达为2:RT=AeB?T(1)式中,RT是热敏电阻温度为T的电阻值A、B为常数R1,R2,R3为固定电阻,电桥输出电压为VA-VB,其中,VB=VsR3R2+R1为固定值,VA=VsR1R1+RT(2)VA-VB=VsR1R1+RT-VsR3R2+R3(3)收稿日期:19960419第11卷第1期1997年3月山 东 轻 工 业 学 院 学 报JOURNAL OF SHANDONG INSTITUTE OF LIGHT INDUSTRYVol.11 No.1Mar.1997 由于RT与T的关系为非线性,所以VA-VB与T的关系也为非线性,因此必须给予非线性补偿。2 不平衡电桥的非线性补偿图21 理想特性曲线2 实际特性曲线211 曲线拟合法该方法的基本原理是通过测量温度上、下限的平均值,找到一条使原不平衡电桥输出非线性特性得以改善的拟和曲线。图2给出了电桥实际输出VA-T的关系曲线以及理想的线性的VA-T的关系曲线。设温度测量范围为T1T3,平均温度为T2=T1+T32,对应于T1,T2,T3三个温度的热敏电阻阻值分别为:RT1,RT2,RT3。实际证明,要想得到最佳线性度,电桥的实际输出电压必须在这三个温度点处与理想的线性电压曲线相交(如图2示),因此必须合理选择R1的阻值。若在T3、T2、T1三个温度点处的电压VA3、VA2、VA1满足VA3-VA2=VA2-VA1,则能实现最佳线性化。此时有:VsR1R1+RT3-VsR1R1+RT2=VsR1R1+RT2-VsR1R1+RT1(4)整理得:R1=RT1RT2+RT2RT3-2RT1RT3RT1+RT2-2RT2(5)根据热敏电阻的阻值 温度表,可以查出温度上限、下限及中间温度三个温度点处的阻值,从而计算出R1的值,以达到最佳线性化。212 桥路补偿法将图1电路中的RT用RT与RB(固定电阻)的并联组合来代替。这样做的目的是先一定程度地减小RTRB等效电阻的非线性2,然后利用测量桥路的非线性来进一步校正传感器的非线性。基本电路如图3所示。取R2=R3,桥路输出:V=VA-VB=VS(R1R1+RBRT-12)(6)要求V与温度T相互对应。取热敏电阻三个不同的测温点a、b、c相对应的Rt与V分别为:Ra、Va,Rb、Vb,Rc、Vc,分别代入(6)式得方程组:71第1期 张迎春等:热敏电阻不平衡电桥的简单设计技巧Va=Vs(R1R1+RBRa-12)Vb=Vs(R1R1+RBRb-12)Vc=Vs(R1R1+RBRc-12)图4 实用电桥电路根据要求确定V的输出范围,便可知对应于温度a、b、c三点的输出电压Va、Vb、Vc,利用计算机解此方程组可得满足要求的R1、RB、VS。此种需要,可分段线性化,以扩展测量范围。3 提高测量范围的简单设计以上两种方法,原理、电路非常简单,只是线性是对三点而言,其它各点得以改善,因此适用于非线性度不严重,或测量范围较小的情况,适用于热敏电阻较小范围的补偿。通过用电阻 热敏电阻的复合电路来代替热敏电阻的办法可适当地扩展测量范围。图4给出了一种较实用的不平衡电桥电路。图中,电阻R2与热敏电阻RT2串联组合起分流作用。当温度较低时,RT2的阻值很大,因此分流作用不明显;当温度较高时,RT2的阻值变小,分流作用加强,而此时RT1的阻值也开始变小,因此其合成电阻值与T的关系几乎呈线性。如果合理选择R2及热敏电阻RT1、RT2,该电路可达到如下指标:测量范围0100,最大非线性度 0122。4 结论以上给出的设计技巧,简单实用。因为省略了大部分传感器电路中非线性补偿电路的设计,使整个测试系统电路得以简化。在实验过程中我们发现,测量精度与所选热敏电阻特性、固定电阻值以及拟合点均有关系。特别是在用复合热敏电阻时(如图4电路),为了选择一个合适的阻值,有时需要经过多次试验。因此,在组成实际测试系统时,要综合考虑各方面的因素,选择最佳参数,使不平衡电桥这一最常用的变送电路发挥最大的应用价值。参 考 文 献1 吴正毅 1 测试技术与测试信号处理 1 北京:清华大学出版社,199181山 东 轻 工 业 学 院 学 报 第11卷2 张福学 1 传感器应用及其电路精选(上册)1 北京:电子工业出版社,1993The Straightforward Design Techniques forThermistor Unbalanced BridgeZhang Yingchun(Dept.of Mech.&Elec.Eng.,Shandong Institute of Light Industry,Jinan 250100)G ao Wenhong(Library of Shandong Institute of Light Industry,Jinan 250010)AbstractThe thermistor unbalanced bridge is widely used in temperature measuringcircuits.In this paper,some straightforward design techniques are used to produce linear voltage-orresistance-versus-temperature outputs from the unbalanced bridge.Key Wordsthermistor,unbalanced bridge,nonlinearity compensation91第1期 张迎春等:热敏电阻不平衡电桥的简单设计技巧