前言

美國(guó)國(guó)家儀器公司的《常規(guī)測(cè)量指南》是獲取常用傳感器和信號(hào)測(cè)量信息的統(tǒng)一資源入門(mén)指導(dǎo)。以下每一個(gè)文檔講到相應(yīng)信號(hào)/傳感器的工作原理，并且提供如何測(cè)量的指導(dǎo)。這些文檔的目的是幫助您快速開(kāi)始測(cè)量工作。

熱敏電阻概覽

與 RTD 相似，熱敏電阻也是溫度敏感的半導(dǎo)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(dǎo)體材料制造而成。而且，熱敏電阻的典型標(biāo)稱(chēng)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(cè)量。

圖 1. 熱敏電阻的常用符號(hào)表示

每個(gè)傳感器都有一個(gè)設(shè)定的標(biāo)稱(chēng)阻抗，依據(jù)一定的線(xiàn)性化近似處理，該阻抗隨溫度按比例變化。熱敏電阻具有負(fù)溫度相關(guān)系數(shù)（NTC）或正溫度相關(guān)系數(shù)（PTC），前者（也更為常見(jiàn)）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(guān)系數(shù)熱敏電阻用作限流設(shè)備（替代保險(xiǎn)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(cè)量，并廣泛應(yīng)用于數(shù)字溫度調(diào)節(jié)裝置或汽車(chē)中以監(jiān)測(cè)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(duì)于溫度的變化非常靈敏。雖然熱敏電阻具有極高的響應(yīng)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(biāo)稱(chēng)阻抗，有助于在較低溫度的應(yīng)用中提供精確的測(cè)量結(jié)果。

如何進(jìn)行熱敏電阻測(cè)量

由于熱敏電阻是阻抗性設(shè)備，您必須對(duì)其施加一個(gè)的激勵(lì)源，然后讀取流過(guò)終端的電壓。該激勵(lì)源必須保持恒定和具有相當(dāng)?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(jìn)行溫度測(cè)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(xiàn)、3-線(xiàn)或 4-線(xiàn)配置，其連接分別如圖 2 所示。

圖 2. 2-線(xiàn)、3-線(xiàn)與 4-線(xiàn)連接框圖

當(dāng)存在多于兩條的連線(xiàn)時(shí)，這些額外的連線(xiàn)僅用于與激勵(lì)源的連接。在 3-線(xiàn)或 4-線(xiàn)連接方法中，連線(xiàn)被納入到

跨越測(cè)量設(shè)備的高阻抗通路中，從而有效地降低了由連線(xiàn)阻抗（RL）帶來(lái)的誤差。

將熱敏電阻連接至測(cè)量設(shè)備的最簡(jiǎn)便的方法便是采用 2-線(xiàn)連接（參見(jiàn)圖 3）。在此方法中，給熱敏電阻施加激勵(lì)源的兩根連線(xiàn)也可用于測(cè)量流過(guò)該傳感器的電壓。由于熱敏電阻的標(biāo)稱(chēng)阻抗非常高，故連線(xiàn)的阻抗不會(huì)影響其測(cè)量值的精度；因此，2-線(xiàn)測(cè)量精度對(duì)于熱敏電阻業(yè)已足夠，從而使得 2-線(xiàn)熱敏電阻最為常用。

3. 2-線(xiàn)連接

將熱敏電阻與儀器相連

許多儀器提供了類(lèi)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(jiàn)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(xiàn)分別與熱敏電阻的任一端和信號(hào)通道的正極端子或負(fù)極端子（這里是針腳 0 和針腳 1）相連。當(dāng)利用此類(lèi)型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，您可以指定激勵(lì)電流（IEX）或激勵(lì)電壓（VEX），這取決于您所使用的激勵(lì)源的類(lèi)型。

圖 5. 帶有不同外部激勵(lì)的 NI 9215 的熱敏電阻連接框圖，其中（a）為電流激勵(lì)源 IEX （b）為電壓激勵(lì)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(xiàn)性關(guān)系。為了將熱敏電阻的阻抗映射至溫度，NI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)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(cè)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(hào)源，如 C 系列電壓輸出模塊或電流輸出模塊，施加激勵(lì)。由于熱敏電阻的標(biāo)稱(chēng)阻抗非常之高，您需要一個(gè)可以精確輸出低電流的信號(hào)源。您可以使用 NI 9265 C 系列模擬輸出模塊作為熱敏電阻的電流激勵(lì)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(dú)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(xiàng)

如果您無(wú)法排釋額外的熱量，由激勵(lì)電流引發(fā)的熱量會(huì)導(dǎo)致傳感元的溫度升高而超過(guò)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(guò)降低激勵(lì)電流使自熱的影響最小化。

熱敏電阻所產(chǎn)生的信號(hào)通常在毫伏量級(jí)，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(cè)量中的高頻噪聲。例如，低通濾波器對(duì)于去除在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和工廠(chǎng)

環(huán)境中極為常見(jiàn)的 60 Hz 電力線(xiàn)噪聲非常有用。

查看您的測(cè)量結(jié)果：NI LabVIEW

一旦恰當(dāng)?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)