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申请/专利权人：国家海洋技术中心

摘要：本发明提出一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，参考电压可以根据NTC热敏电阻的阻值自适应调节，保证其在所有温度范围内都能达到更高的测量分辨率；增加限流电阻以降低自热效应时，温度测量精度及分辨率不受影响；通过双路单刀双掷模拟开关周期性切换流经热敏电阻的电流方向，大幅削弱了温度测量电路的1f噪声、失调漂移和寄生热电偶效应，减缓了热敏电阻阻值的漂移，保证了温度测量电路的长期测量精度；温度测量精度和长期测量稳定性仅取决于模数转换器自身和1个精密电阻，不受基准电压噪声、温度漂移及时间漂移的影响。

主权项：1.一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，包括依次串联的热敏电阻RT、精密标准电阻RS、限流电阻RL组成的串联电路；所述串联电路使用模数转换器AD7124自带的2.5V基准电压，热敏电阻RT和精密标准电阻RS两端电压之和作为参考电压信号连接至模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-，热敏电阻RT的热敏电阻电压信号连接至模数转换器AD7124的差分输入引脚AIN1、AIN2；所述2.5V基准电压通过双路单刀双掷模拟开关U1接入所述串联电路，所述2.5V基准电压连接至双路单刀双掷模拟开关U1第一路开关的公共引脚COM1上，U1第二路开关的公共引脚COM2接地；所述双路单刀双掷模拟开关U1的第一路开关的常闭引脚NC1和第二路开关的常开引脚NO2都连接所述串联电路的热敏电阻RT侧，所述双路单刀双掷模拟开关U1的第一路开关的常开引脚NO1和第二路开关的常闭引脚NC2都连接所述串联电路的限流电阻RL侧；单片机控制所述双路单刀双掷模拟开关U1的开关控制引脚IN1、IN2切换两路开关的方向；所述热敏电阻RT和精密标准电阻RS两端的参考电压信号通过双路单刀双掷模拟开关U2接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚；所述热敏电阻RT端连接至双路单刀双掷模拟开关U2第一路开关的公共引脚COM1上，所述精密标准电阻RS端连接至双路单刀双掷模拟开关U2第二路开关的公共引脚COM2上；所述双路单刀双掷模拟开关U2的第一路开关的常闭引脚NC1和第二路开关的常开引脚NO2都连接模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+，所述双路单刀双掷模拟开关U2的第一路开关的常开引脚NO1和第二路开关的常闭引脚NC2都连接模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref-；单片机控制所述双路单刀双掷模拟开关U2的开关控制引脚IN1、IN2切换两路开关的方向；所述参考电压信号在接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-前，经过电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电容C12共同组成的低通滤波器，其中，电阻R1设置在连接引脚Vref+的线路上，电阻R2设置在连接引脚Vref-的线路上，电容C1和电容C2串联后与电容C12并联，接入在输入引脚Vref+、Vref-之间；所述电容C1和电容C2的连接点接地；所述热敏电阻RT的热敏电阻电压信号在接入模数转换器AD7124的差分输入引脚AIN1、AIN2前，经过电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4、电容C34共同组成的低通滤波器，其中，电阻R3设置在连接引脚AIN1的线路上，电阻R4设置在连接引脚AIN2的线路上，电容C3和电容C4串联后与电容C34并联，接入在输入引脚AIN1、AIN2之间；所述电容C3和电容C4的连接点接地。

全文数据：一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路技术领域[0001]本发明属于海洋观测领域，特别是涉及到测量海水温度时使用的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路。背景技术[0002]海水温度是表示海水热力状况的一个物理量，海水温度的大小和变化是制约和影响水文、气象、化学和生物等要素分布、演化的重要因素，作为海水中最重要的理化参数，温度的测量是海洋水文观测的重中之重。海洋科学研究对海水温度的测量精度要求越来越高，现代海洋调查要求，海水温度在-2〜40°C范围内需达到±0.002°C的测量精度。[0003]现代海洋观测仪器如温盐深测量仪CTD等测量海水温度时普遍采用负温度系数NTC热敏电阻作为温度传感器。NTC热敏电阻的温度一阻值呈非线性关系，使用时需连同测量电路一起在高精度恒温槽中定标，经过定标后，可以达到±〇.〇〇1°C的测量精度。NTC热敏电阻在海水温度测量应用中的主要不足在于（1热敏电阻阻值与温度呈非线性关系，温度较低时，热敏电阻阻值大，且单位温度变化对应的热敏电阻的阻值变化较大，相对容易测量;温度较高时，热敏电阻阻值小，且单位温度变化对应的热敏电阻的阻值变化较小，测量难度更大，必须使用更高分辨率的模数转换器，这通常意味着增加功耗及成本。（2NTC热密电阻阻值较大，通电时会产生自热，导致温度测量误差，特别是在深海低温环境下，自热产生的测量误差相对更大，必须控制流经电流在50uA以内。[0004]常规基于NTC热敏电阻的温度测量电路从原理上分类，主要有电容充电法、分压法、惠斯通电桥法、比例式测量法。其中电容充电法、分压法原理上较为简单，易受基准源波动的影响，精度有限，未在海洋温度测量仪器中广泛使用。[0005]惠斯通电桥法原理如图1所示，Rt为热敏电阻，与精密电阻RI、R2、R3组成电桥，参考电压从基准电压处取得，消除了基准源的影响，其主要问题在于无法解决自热误差问题，且测量精度受3个精密电阻的影响，温度测量精度也较低，难以达到0.〇rC;[0006]比例式温度测量法是目前国内外海洋温度测量仪器中广泛应用的电路形式，其基本原理如图2所示，该电路通过先后采集标准电阻Rs和热敏电阻Rt的信号，通过比例换算的方式计算出热敏电阻的阻值，因此不受基准源波动的影响。同时该测量电路增加了R1、R2两个限流电阻，避免了自热误差的问题。但其有2个主要缺点：（1增加限流电阻后温度信号较小，需要更高的模数转换分辨率。（2需要模数转换器提供2对差分测量通道，进行2次模数转换，其测量时间加倍，不利于快速温度测量。[0007]因此，常规基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其缺陷在于：[0008]1无法解决高温时温度测量分辨率相对偏低的问题；[0009]2无法解决自热效应和温度测量分辨率相互矛盾的问题，常规温度测量电路通过减少基准电压或增加限流电阻的方式来降低自热效应，也意味着温度信号变小，导致温度测量分辨率下降；[0010]3温度测量的测量精度和长期测量稳定性出了受到模数转换器的影响之外，还受到基准源和多个精密电阻的噪声、温度漂移、时间漂移的影响。发明内容[0011]本发明提出一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，在全温度范围内较大幅度地提升温度测量精度，减少测量误差。[0012]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：[0013]一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，包括依次串联的热敏电阻Rt、精密标准电阻Rs、限流电阻Rl组成的串联电路;所述串联电路使用模数转换器AD7124自带的2.5V基准电压，热敏电阻Rt和精密标准电阻Rs两端电压之和作为参考电压信号连接至模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-，热敏电阻Rt的热敏电阻电压信号连接至模数转换器AD7124的差分输入引脚AINUAIN2。[0014]进一步的，所述2.5V基准电压通过双路单刀双掷模拟开关Ul接入所述串联电路，所述2.5V基准电压连接至双路单刀双掷模拟开关Ul第一路开关的公共引脚COMl上，Ul第二路开关的公共引脚COM2接地;所述双路单刀双掷模拟开关Ul的第一路开关的常闭引脚NCl和第二路开关的常开引脚N02都连接所述串联电路的热敏电阻Rt侧，所述双路单刀双掷模拟开关Ul的第一路开关的常开引脚NOl和第二路开关的常闭引脚NC2都连接所述串联电路的限流电阻Rl侧；单片机控制所述双路单刀双掷模拟开关Ul的开关控制引脚INI、IN2切换两路开关的方向。[0015]更进一步的，所述热敏电阻Rt和精密标准电阻Rs两端的参考电压信号通过双路单刀双掷模拟开关U2接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚;所述热敏电阻Rt端连接至双路单刀双掷模拟开关U2第一路开关的公共引脚COMl上，所述精密标准电阻Rs端连接至双路单刀双掷模拟开关U2第二路开关的公共引脚COM2上;所述双路单刀双掷模拟开关U2的第一路开关的常闭引脚NCl和第二路开关的常开引脚N02都连接模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+，所述双路单刀双掷模拟开关U2的第一路开关的常开引脚NOl和第二路开关的常闭引脚NC2都连接模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref-;单片机控制所述双路单刀双掷模拟开关U2的开关控制引脚INI、IN2切换两路开关的方向。[0016]更进一步的，所述参考电压信号在接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-前，经过电阻RU电阻R2、电容CU电容C2、电容C12共同组成的低通滤波器，其中，电阻Rl设置在连接引脚Vref+的线路上，电阻R2设置在连接引脚Vref-的线路上，电容Cl和电容C2串联后与电容C12并联，接入在输入引脚Vref+、Vref-之间；所述电容Cl和电容C2的连接点接地。[0017]进一步的，所述热敏电阻Rt的热敏电阻电压信号在接入模数转换器AD7124的差分输入引脚AINUAIN2前，经过电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4、电容C34共同组成的低通滤波器，其中，电阻R3设置在连接引脚AINl的线路上，电阻R4设置在连接引脚AIN2的线路上，电容C3和电容C4串联后与电容C34并联，接入在输入引脚AINUAIN2之间；所述电容C3和电容C4的连接点接地。[0018]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：[0019]1本发明提出的测量电路，参考电压可以根据NTC热敏电阻的阻值自适应调节，保证其在海洋温度范围内都能达到更高的测量分辨率;采用本发明提出的温度测量电路后，可以在全温度范围内较大幅度地提升温度测量精度，减少测量误差；[0020]2本发明提出的测量电路，增加限流电阻以降低自热效应时，温度测量精度及分辨率不受影响，解决了自热效应和温度测量分辨率相互矛盾的问题;采用本发明提出的温度测量电路后，可以最大限度地精确的测量环境本身的温度，而不会受到热敏电阻自热效应的影响；[0021]3本发明提出的测量电路，通过双路单刀双掷模拟开关周期性切换流经热敏电阻的电流方向，大幅削弱了温度测量电路的Ιf噪声、失调漂移和寄生热电偶效应，减缓了热敏电阻阻值的漂移，保证了温度测量电路的长期测量精度；[0022]4本发明提出的测量电路，温度测量精度和长期测量稳定性仅取决于模数转换器自身和1个精密电阻，不受基准电压噪声、温度漂移及时间漂移的影响;本发明提出的温度测量电路不需要高精度基准电压或电流源，且只需1个精密电阻，仅需要1对模数转换器差分测量通道，相较于传统温度测量电路可以节约硬件成本；[0023]5相比于传统比例式温度测量电路，发明提出的温度测量电路仅需要进行1次模数转换，转换时间减少，有利于快速温度测量。附图说明[0024]图1是现有技术中惠斯通电桥法温度测量原理示意图；[0025]图2是现有技术中比例式温度测量电路示意图；[0026]图3是本发明实施例的电路不意图；[0027]图4是本发明实施例的热敏电阻的阻值一温度关系图。具体实施方式[0028]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0029]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：[0030]本发明提出的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，原理如图3所示，U1、U2为双路单刀双掷模拟开关TS3A24159，Rt为热敏电阻，Rs为精密标准电阻，Rl为限流电阻，防止热敏电阻自热。虹、：1、1?2、02、：12共同组成参考电压信号的低通滤波器，滤除参考电压信号的共模及差模噪声，1«工3、1?4、04、034共同组成热敏电阻电压信号的低通滤波器，滤除热敏电阻信号的共模及差模噪声。在该电路中，参考电压设计为热敏电阻和标准电阻两端电压之和，参考电压信号经低通滤波后连接至模数转换器AD7124参考电压输入引脚（Vref+、Vref-，热敏电阻电压信号经低通滤波后连接至模数转换器AD7124的差分输入引脚AIN1、AIN2〇[0031]温度测量电路使用模数转换器AD7124自带的2.5V基准电压，基准电压连接至Ul第一路开关的公共引脚3上，Ul第二路开关的公共引脚9接地。单片机控制Ul的开关控制引脚4、8切换两路开关的方向，低电平时，基准电压由Ul公共引脚3加载到Ul常闭引脚5上，电流经过热敏电阻、精密标准电阻和限流电阻后，由Ul常闭引脚7流向Ul公共引脚9后接地;高电平时，基准电压由Ul公共引脚3加载到Ul常开引脚2上，电流经过限流电阻、精密标准电阻和热敏电阻后，由Ul常开引脚10流向Ul公共引脚9后接地。热敏电阻信号经过RC低通滤波器后接入模数转换器AD7124差分测量引脚。[0032]参考电压取自热敏电阻和标准电阻两端，为保证电路换向时参考电压仍然为正，使用第2个双路单刀双掷模拟开关U2同步切换切换参考电压的方向，U2的开关控制引脚4、8同样由单片机控制，低电平时，“参考电压+”由U2公共引脚3流向U2常闭引脚5上，“参考电压由U2公共引脚9流向U2常闭引脚7上；高电平时，“参考电压+”由U2公共引脚3流向U2常开引脚2上，“参考电压由U2公共引脚9流向U2常开引脚10上。“参考电压+”、“参考电压经过RC低通滤波器后接入模数转换器AD7124参考电压引脚。[0033]模数转换器AD7124设置启用输入缓冲器后，其输入阻抗很高，典型输入电流仅InA级别，因此可以忽略模数转换器输入端吸收的电流，热敏电阻上的电流视为全部流经标准电阻，由电路分压原理：[0034][0035]其中，Vrt为热敏电阻电压，Vrs为参考电压，Rt为热敏电阻阻值，Rs为标准电阻阻值。从模数转换器实现原理上讲，其转换结果为热敏电阻电压与参考电压的比值：[0036][0037]其中，Code为模数转换器转换值，Gain为放大倍数Gain=I，N为模数转换器位数N=24。进一步可以推导出热敏电阻阻值计算公式：[0038][0039]从计算公式⑴可以看出：参考电压可以根据NTC热敏电阻的阻值自适应调节，高温时，热敏电阻阻值变小，参考电压相应减少，提高了高温环境下的测量分辨率;低温时，热敏电阻阻值较大，参考电压相应增大，保证其在所有温度范围内都能达到更高的测量分辨率。[0040]从计算公式3可以看出，热敏电阻阻值计算时不出现限流电阻Rl，表明增加限流电阻以降低自热效应时，热敏电阻阻值的测量精度及分辨率不受其影响。[0041]从计算公式3可以看出，热敏电阻阻值的测量精度和长期测量稳定性仅依赖于模数转换器本身Code及1个标准电阻Rs，不依赖于基准电压，从原理上避免了基准电压噪声、温度漂移和时间漂移的影响。[0042]为减少自热效应，测量电路中流过的电流应小于50uA，且参考电压应大于模数转换器AD7124的最低输入电压要求（IV，因此，标准电阻、限流电阻的取值大小应满足两个限制条件：[0043][0044][0045]其中Vc为基准电压2.5v，热敏阻值变化范围约为5〜25kQ，为使本发明提出的电路获得最佳测量性能，标准电阻的取值应为满足上述两个条件的最小值，限流电阻的取值应为满足上述两个条件的最大值。演算本电路中标准电阻Rs取值为15kΩ，限流电阻Rl取值为30kQ。除模数转换器自身的原因之外，该温度测量电路的精度仅依赖于标准电阻Rs的温度漂移和长期稳定性，我们选择温漂系数仅为0.lppm°c-25-75Γ环境），长期稳定性达土0.005%0.04W，70°C，2000小时）的精密金属箱BulkMetal电阻作为标准电阻。[0046]将热敏电阻封装后，连同测量电路一起在高精度恒温海水槽中定标，经过定标后即可将热敏电阻阻值转换成温度值。恒温海水槽使用经过计量检定的一等铂电阻及精密测温电桥作为温度标准，温场均勾性及稳定性达0.0005°C。定标公式使用Steinhart-Hart方程的改进形式：[0047][0048]现举例说明本发明提出的基于NTC热敏电阻的温度测量电路的测量性能，图4是典型的热敏电阻的阻值一温度关系图，从图中可以看出，热敏电阻阻值随温度呈指数下降关系。环境温度较低时，热敏电阻阻值大，且单位温度变化对应的热敏电阻阻值变化较大，相对容易测量;环境温度较高时，热敏电阻阻值小，且单位温度变化对应的热敏电阻阻值变化较小，对测量精度要求更高。高温环境下测量电路如何保证测量分辨率，是传统电路的难点。[0049]本发明提出的基于NTC热敏电阻的温度测量电路的测量性能，如表1所示。表中列出了在各温度点处分辨〇.〇〇l°C温度变化所需的模数转换器精度，理论计算表明，本发明提出的温度测量电路在消除自热效应的前提下，在各温度点处都拥有很高的测量性能，其中，热敏电阻22500Ω时，对应温度为-2.046°C，该测量电路仅需16.4位模数转换器精度即可分辨出0.001°C的温度变化，热敏电阻4000Ω时，对应温度为40.296°C，该测量电路仅需17.4位模数转换器精度即可分辨出〇.〇〇1°C的温度变化。理论计算表明，该测量电路对模数转换器要求较低，使用普通18位模数转换器足以达到很高的测量精度。[0050]表1温度测量电路测量性能演算表[0051][0052]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，包括依次串联的热敏电阻RT、精密标准电阻Rs、限流电阻Rl组成的串联电路;所述串联电路使用模数转换器AD7124自带的2.5V基准电压，热敏电阻Rt和精密标准电阻Rs两端电压之和作为参考电压信号连接至模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-，热敏电阻Rt的热敏电阻电压信号连接至模数转换器AD7124的差分输入引脚AINUAIN2。2.根据权利要求1所述的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，所述2.5V基准电压通过双路单刀双掷模拟开关Ul接入所述串联电路，所述2.5V基准电压连接至双路单刀双掷模拟开关Ul第一路开关的公共引脚COMl上，Ul第二路开关的公共引脚COM2接地;所述双路单刀双掷模拟开关Ul的第一路开关的常闭引脚NCl和第二路开关的常开引脚N02都连接所述串联电路的热敏电阻Rt侧，所述双路单刀双掷模拟开关Ul的第一路开关的常开引脚NOl和第二路开关的常闭引脚NC2都连接所述串联电路的限流电阻Rl侧;单片机控制所述双路单刀双掷模拟开关Ul的开关控制引脚INI、IN2切换两路开关的方向。3.根据权利要求1或2所述的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，所述热敏电阻Rt和精密标准电阻Rs两端的参考电压信号通过双路单刀双掷模拟开关U2接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚;所述热敏电阻Rt端连接至双路单刀双掷模拟开关U2第一路开关的公共引脚COMl上，所述精密标准电阻Rs端连接至双路单刀双掷模拟开关U2第二路开关的公共引脚COM2上;所述双路单刀双掷模拟开关U2的第一路开关的常闭引脚NCl和第二路开关的常开引脚N02都连接模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+，所述双路单刀双掷模拟开关U2的第一路开关的常开引脚NOl和第二路开关的常闭引脚NC2都连接模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref-;单片机控制所述双路单刀双掷模拟开关U2的开关控制引脚INI、IN2切换两路开关的方向。4.根据权利要求3所述的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，所述参考电压信号在接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-前，经过电阻Rl、电阻R2、电容CU电容C2、电容C12共同组成的低通滤波器，其中，电阻Rl设置在连接引脚Vref+的线路上，电阻R2设置在连接引脚Vref-的线路上，电容Cl和电容C2串联后与电容C12并联，接入在输入引脚Vref+、Vref-之间;所述电容Cl和电容C2的连接点接地。5.根据权利要求1所述的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，所述参考电压信号在接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-前，经过电阻Rl、电阻R2、电容CU电容C2、电容C12共同组成的低通滤波器，其中，电阻Rl设置在连接引脚Vref+的线路上，电阻R2设置在连接引脚Vref-的线路上，电容Cl和电容C2串联后与电容C12并联，接入在输入引脚Vref+、Vref-之间;所述电容Cl和电容C2的连接点接地。6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的一种基于阶：热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，所述参考电压信号在接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-前，经过电阻Rl、电阻R2、电容Cl、电容C2、电容C12共同组成的低通滤波器，其中，电阻Rl设置在连接弓丨脚Vref+的线路上，电阻R2设置在连接引脚Vref-的线路上，电容Cl和电容C2串联后与电容C12并联，接入在输入引脚Vref+、Vref-之间;所述电容Cl和电容C2的连接点接地。所述热敏电阻Rt的热敏电阻电压信号在接入模数转换器AD7124的差分输入引脚AINl、AIN2前，经过电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4、电容C34共同组成的低通滤波器，其中，电阻R3设置在连接引脚AINl的线路上，电阻R4设置在连接引脚AIN2的线路上，电容C3和电容C4串联后与电容C34并联，接入在输入引脚AINUAIN2之间；所述电容C3和电容C4的连接点接地。7.根据权利要求3任一项所述的一种基于NTC热敏电阻的温度测量电路，其特征在于，所述参考电压信号在接入模数转换器AD7124参考电压输入引脚Vref+、Vref-前，经过电阻Rl、电阻R2、电容Cl、电容C2、电容Cl2共同组成的低通滤波器，其中，电阻Rl设置在连接引脚Vref+的线路上，电阻R2设置在连接引脚Vref-的线路上，电容Cl和电容C2串联后与电容C12并联，接入在输入引脚Vref+、Vref-之间；所述电容Cl和电容C2的连接点接地。所述热敏电阻Rt的热敏电阻电压信号在接入模数转换器AD7124的差分输入引脚AINl、AIN2前，经过电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4、电容C34共同组成的低通滤波器，其中，电阻R3设置在连接引脚AINl的线路上，电阻R4设置在连接引脚AIN2的线路上，电容C3和电容C4串联后与电容C34并联，接入在输入引脚AINl、AIN2之间；所述电容C3和电容C4的连接点接地。

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