131 1300 0010
很多新手在剛接觸熱敏電阻的時候，不會測量。本文小編舉例告訴大家熱敏電阻的測量溫度，希望在這方面的干貨知識能帶領(lǐng)大家了解相信知識點，如果不懂操作，可以請教有經(jīng)驗的人員進行指導(dǎo)。
熱敏電阻是一個電阻器件，因此根據(jù)歐姆定律，如果我們通過一個電流，它將產(chǎn)生電壓降。由于熱敏電阻是一種有源類型的傳感器，也就是說，它需要一個激勵信號用于其工作，所以溫度變化引起的電阻變化可以轉(zhuǎn)換為電壓變化。
這樣的簡單方法是使用熱敏電阻作為分壓電路的一部分。在電阻和熱敏電阻串聯(lián)電路上施加恒定電壓，并在熱敏電阻上測量輸出電壓。例如，如果我們使用10kΩ熱敏電阻和10kΩ的串聯(lián)電阻，那么在25℃的基準溫度下的輸出電壓將是電源電壓的一半。
當熱敏電阻的電阻由于溫度變化而變化時，熱敏電阻兩端的電源電壓部分也會發(fā)生變化。從而產(chǎn)生與輸出端子之間的總串聯(lián)電阻的一部分成比例的輸出電壓。其中熱敏電阻的電阻由溫度控制，所產(chǎn)生的輸出電壓與溫度成正比，所以熱敏電阻越熱，電壓越低。如果我們顛倒串聯(lián)電阻RS和熱敏電阻RTH的位置，則輸出電壓將反方向變化，即熱敏電阻變得越熱，輸出電壓就越高。
一、問題描述
首先對1.0版本溫度貼硬件做一個簡單描述：該方案的測溫方式是使用熱敏電阻NTC，采集其模擬電壓并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值，原理圖如圖1所示，使用單運放TLV521搭建一個橋，起初，對多片焊接完整的溫度貼線路板進行溫度準確度測試，發(fā)現(xiàn)測得溫度與實際水溫偏差較大且不一致，正偏和負偏均存在，無規(guī)律可尋，由于本產(chǎn)品對測溫精度的要求為-0.1~+0.1°，所以該結(jié)果未能滿足要求，一開始想過對不同偏差的板子通過一條擬合曲線對溫度進行校準，但采集了多組數(shù)據(jù)后找到一條擬合曲線加進去后仍無法全部滿足要求且耗時較長，放棄了此方式校準，故進行了以下分析測試；
圖1
二、該問題造成的影響
正如問題描述中提到的，本產(chǎn)品對測溫精度的要求是-0.1~+0.1°，然而對30+片的溫度測試發(fā)現(xiàn)，有相當多的一部分未能滿足要求，這里說明一下，當時的具體測試數(shù)據(jù)未能保留下來，是個疏忽。
三、對該問題的分析過程
發(fā)現(xiàn)這個問題后，由于當時我經(jīng)驗不足，請教了一些人，尋求到一些建議，從以下方面對該問題逐一分析：1、熱敏電阻精度一致性；2、CPU的ADC采集誤差；3、外圍電路元器件精度；
1、熱敏電阻精度一致性：因熱敏電阻本身存在一定的差異，所以率先驗證該因素是否為影響測溫準確度的主要因素，具體步驟為，在上述30+片溫度貼里取三片（附帶原熱敏電阻），①號溫度偏低，②號溫度接近水溫，③號溫度偏高，重新在一相對恒定水浴溫度內(nèi)測得三片裸板的對應(yīng)溫度并記錄下來，然后將三片裸板上的熱敏電阻一一取下，分別對應(yīng)a、b、c，然后彼此之間兩兩交換，并測量后記錄結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相比之下①號總是偏低，②號接近水溫，③號溫度偏高，三輪測試之后可以基本確定，同一批次的熱敏電阻導(dǎo)致該溫度誤差的可能性已經(jīng)可以被排除；
2、CPU的ADC采集誤差：將三片裸板的TLV521取下，斷開其與CPU的連接，將ADIN接GND，讀取采集到的值轉(zhuǎn)化成電壓值，三片一致性較好，幾乎為0，故ADC的影響可以忽略；
3、外圍電路元器件精度：首先驗證橋上各個電阻阻值大小及精度對溫度準確度的影響，選取上述圖1中的一組1%精度電阻值后，先后換了兩組，測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)溫度并無大的改善，也沒變得更差，基本排除電阻值對溫度準確度的影響；其次就是對TLV521的測試，可以從圖2中觀察到TLV521的電氣特性第一項Vos較大，當前硬件設(shè)計中模擬電壓約5mV對應(yīng)0.1°，所以極有可能是因為這個特性指標造成溫度誤差較大，接下來的測試就是針對TLV521進行，第一步，我先把當前狀態(tài)下的三片裸板（①號溫度偏低，②號溫度接近水溫，③號溫度偏高）溫度貼再次測試一下恒溫水浴下的溫度并一一記錄數(shù)據(jù)，然后將三片板子上的TLV521兩兩互換，保證其他量不變，發(fā)現(xiàn)①號的TLV521無論換到哪塊板子上，測試出的溫度始終是低的，且與其在①號上時近似，然后將②號板子上的TLV521取下放在另外兩塊板子上，發(fā)現(xiàn)測得溫度與②號板子之前的數(shù)據(jù)近似，如此操作，對下一個驗證，結(jié)論仍是如此，到此基本可以確定，TLV521的影響是造成溫度準確度不夠的主要因素。
圖2
四、解決該問題的修改方案
針對以上分析的結(jié)果，已經(jīng)基本確定是TLV521的Vos電壓導(dǎo)致，所以，綜合部門總管和嵌入式軟件工程師的討論，有兩種解決辦法：a、換一個性能更好的運放，如TLV333；b、可以用ADC采集熱敏電阻阻值在30K（對應(yīng)37°）時的電壓值與標準電壓值作比較，并自動補償該差值寫入flash，之后的計算調(diào)用該值以達到校準的目的；顯然，從成本和當前情況來看，a方案是不可行的，所以采取了b方案，具體可行性分析還要經(jīng)過驗證；接下來嵌入式軟件工程師針對當前現(xiàn)象以及討論的解決方案進行了固件改進，搭載硬件燒寫工具進行了再一次測試，前期選取的樣本仍是之前測試的三片板子，燒寫過最新修改的固件版本以后，可以讀取寫入的偏移量，初步計算后發(fā)現(xiàn)不同板子的偏移量值均處于-15.00~+15.00mV區(qū)間范圍內(nèi)，然后放入恒溫水浴測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三片板子測得的數(shù)據(jù)一致性較之前有很大提高，且均處在37°±0.1°范圍內(nèi)，該結(jié)果已初步驗證了上述解決方案的可行性，為了確保萬無一失，我又進行了多片抽樣驗證，最終的測試結(jié)果與前三片一致，故說明定位的問題及解決方案均正確，該問題算是基本解決，但為了產(chǎn)品升級的需要，且后來發(fā)現(xiàn)一個問題，熱敏電阻的一致性僅限于每一批次，即同一批次生產(chǎn)出來的熱敏電阻我們認為它的曲線一致性較好，但下一次批次就會有所偏差，或偏大或偏小，所以為了更好地校準熱敏電阻，嵌入式軟件APP端計算好的擬合曲線沒辦法對每一批次修改升級，后期嵌入式軟件又加入了對不同批次的熱敏電阻進行抽檢預(yù)測試，即通過抽檢確定該批次的一個誤差范圍，然后將該誤差通過嵌入式軟件中分配一塊區(qū)域存儲并后期計算時調(diào)用，這樣就解決了升級卻不會修改測溫精度的問題，希望這種工程案例能對你們有所啟發(fā)和幫助。
五、最終結(jié)果
以上描述是解決溫度貼1.0版本溫度不準確的一些重要步驟，當然還有一些中間進行的操作沒有具體說明，或者說是因個人能力不夠做了一些無用功，沒能夠快速準確地定位到是TLV521導(dǎo)致的，慶幸的是，在部門總管和眾人的幫助下，終于找到問題所在并成功解決，這算是我工作中的一個學習和進步。
附：
當然，上述陳述中是前期溫度貼1.0版本存在的一個較大的問題，后期我們有發(fā)現(xiàn)了一些額外的問題：a、不同溫度狀態(tài)下，測得溫度與實際水溫存在偏差，如25~35°時偏高超出0.1°，36~39°時偏低在0.1°內(nèi)，39~45°高出實際水溫0.2~0.4°；b、正確使用方式下測得的溫度偏低于人體溫度，我們欲使其偏高于準確溫度0.1°，故后面又經(jīng)過了一輪新的測試；c、人體測溫時升溫速度慢；
針對上述問題a、b的現(xiàn)象，后面增加了一些測試及驗證，因懷疑不同批次的熱敏電阻存在R-T曲線誤差，所以為了解決a、b問題，我們對R-T曲線做了取舍，將原來的擬合范圍由25~45°縮小至30~40°，能夠保證在30~40°范圍內(nèi)準確度在±0.1°內(nèi)，然后為了使其正偏，即高于實際水溫（0，0.1）°，而且能夠適應(yīng)不同批次的熱敏電阻，嵌入式軟件工程師在flash中預(yù)留一定字節(jié)的空間來存儲校準系數(shù)，且經(jīng)過首輪驗證和再次驗證，成功證實了該方案的可行性，只是有些繁瑣且必要的前期測試要做，如針對每一批次的熱敏電阻抽取一定的樣本，經(jīng)過測試和驗證，確定出一條適用于該批次的溫度擬合曲線，將其系數(shù)寫入flash以得到符合既定要求的溫度數(shù)據(jù)。
