3.2 TI 高精度实验室 - 温度传感器：非线性和线性化

大家好！

欢迎观看有关传感器线性和 线性化的 TI 高精度实验室

视频。

在本视频中，我们 将讨论它为何对于

温度检测很重要， 以及为何需要

对非线性传感器 进行线性化。

简而言之，线性输出

类似一条直线，其形式

为 y 等于 mx 加 b， 其中只需两个简单的

点即可定义 该线性系统的

行为。

该行为的示例 包括线性和

理想的电阻器， 该电阻器遵循

欧姆定律，其中电压

是电阻器值与 电流强度的乘积。

从理论上讲，如果 电阻器的值是

恒定的，那么 在对电阻器

施加电源时，就可以 准确地计算电流

或电压。

如图所示，

通过电阻器 值 R 或电导率

1 除以 R，以线性 关系来表示 R。

线性关系的好处是， 可以通过非常简单的

计算方法来计算 所需的变量。

在电子系统中，它意味着 在 MCU 中使用更少的

存储器或计算能力。

现在，我们已经 清楚地了解了线性，

下一个问题是温度 传感器与线性之间

有什么关系？

首先，该概念 仅在我们考虑

与温度 成比例的

模拟输出时有意义。

这些器件称为 模拟传感器。

可以在屏幕左侧 看到一个示例，

一个 IC 模拟 温度传感器，

该传感器提供与 附近温度成比例的

电压作为输出。

该电压必须由 ADC 进行数字化，

然后才能处理结果。

屏幕右侧的 示例是一个 RTD

温度传感器， 它是一个由铂

制成的金属 元件，由可变

电阻器表示。

当使用电流源 I1

和 I2 对其进行适当 偏置 -- 就像本例中所示 --

之后，RTD 将提供与附近 温度成比例的电压，

该电压在经过 这一堆东西之后

到达 ADC。

这些类型的检测 系统需要校准、

基准电阻器和 内部温度基准，

以计算准确的 温度测量

值。

在刚才所述的两种 情况中，电压输出

与温度之间的 关系称为

传感器的增益。

在任一种情况下， 增益都是准线性的，

这意味着可以通过 y 等于 m 乘以 x 加 b

等线性函数 来近似表示

该关系。

现在，让我们看一看 IC 模拟温度传感器的

增益函数。

如前所述， 这是输出

电压与我们希望 在测量电压时

间接确定的 温度值

之间的关系。

当我们提到 准线性行为时，

是指什么？

实际上存在 用于量化

每个传感器的 线性度的指标。

这称为输出 非线性度，

可以通过百分比或

绝对度数来表示。

该值越低，增益 就越接近于直线。

必须注意的是， 线性度并不

意味着精度。

可以或不可以将 线性输出校准为

已知的可跟踪基准。

线性度告诉 我们的唯一信息是

传感器输出相对于

最佳拟合直线的情况。

示例图比较了 模拟温度传感器

数据表中正负 5%

非线性输出 与正负 0.4%

非线性输出 之间的差异。

现在让我们来讨论 非线性温度传感器。

您的屏幕左侧的 图显示了一个

热敏电阻，这是一种

作为温度函数改变

其电阻的器件。

有两种类型的 热敏电阻 --

具有负温度系数的 NTC，

以及具有 正温度系数的 PTC。

从概念上讲， 这些传感器

与上述传感器相同，

它们都提供与温度 成比例的输出电压。

所有这些传感器 之间的主要差异

在于这些热敏电阻 展现出的增益类型，

可以在屏幕的左侧 看到，其中显示了

PTC 和 NTC 的 典型增益曲线。

该非线性行为 在补偿侧带来了

更多挑战。

如上所述，MCU 承担

将电压值转换为 温度的任务。

在这些高度 非线性的情况下，

最佳的方法是使用 查找表或多项式拟合，

与线性或准线性 传感器相比，这将

需要更多的资源， 如存储器和 MCU

周期。

之所以需要对传感器 增益曲线进行线性化，

是为了降低计算温度的 复杂性，主要是为了

最大程度地减少 专用资源，如存储器

和 MCU 时间。

可以通过两种基本的 方法在软件中对热敏

电阻进行线性化，即 多项式拟合和查找表。

在使用多项式 拟合时，可通过

高阶多项式 减小线性化误差。

不过，由于会 增加处理要求，

因此其代价是增加功耗。

或者，某些应用 使用 Steinhart-Hart

经验方程来 进行曲线拟合。

不幸的是，该方程 需要使用自然

对数运算， 与多项式

运算相比，这在 定点微控制器

架构中可能 不是最高效的

运算。

第二种线性化方法 是使用查找表。

在使用查找表时， 通过使用具有

多个查找值的查找表 来减小线性化误差。

这是以增加存储器 大小为代价的。

在该分压器示例中， 工作温度范围为

负 40 摄氏度 至 150 摄氏度。

请注意热敏电阻的 线性度是如何影响

其线性化误差的。

有关该主题的更多 详细信息，请参阅

标题为“在宽工作温度 范围内降低热敏电阻

线性化误差、存储器 和功率要求的方法”的

应用手册。

可以在 ti.com 上 找到该文档。

图标

您的屏幕上的图 显示了传统 NTC

线性化误差与硅 热敏电阻线性化

误差之间的折衷。

假设采用二阶多项式 拟合或 1KB 的查找表

存储空间，与 NTC 相比，

线性器件的线性化 误差大约要好十倍。

到目前为止， 我们看到如果

具有宽温度 范围，那么可以

通过两种方法来 减小线性化误差，

即较高的多项式阶数

和较多的查找表值。

降低线性化误差的 一种替代方法是

使用硬件。

请注意，在硬件中看到热敏 电阻线性化与我们在软件中

看到热敏电阻 线性化一样常见。

屏幕左侧 显示了相关

电路示例。

图中显示了 其等效电阻与

温度间的关系曲线。

可以通过两种基本的 方法在硬件中对热敏

电阻进行线性化，一种是 电压模式，另一种是电阻。

例如，将热敏电阻 置于分压器中

被视为电压 模式线性化，

因为直接使用 分压器输出电压。

其他时候， 对热敏电阻

进行线性化，以用作 温度补偿电阻器，

如用于 LCD 温度补偿。

该方法称为电阻 模式线性化。

对于宽温度 范围运行，

线性化误差可能 是主要的误差源。

不过，存在大量 可能导致总系统

误差的其他误差源， 其中包括组件容差、

组件温度漂移、 噪声和 ADC 相关

误差。

无论如何处理， 提高热敏电阻

线性度都将以 器件灵敏度为代价。

在这些应用中， 线性器件可能

是比 NTC 更好的 替代方案，

因为该器件 已经是线性器件。

灵敏度在 宽温度范围内

更加一致。

感谢您观看有关 传感器线性的本视频。

大家好！

欢迎观看有关传感器线性和 线性化的 TI 高精度实验室

视频。

在本视频中，我们 将讨论它为何对于

温度检测很重要， 以及为何需要

对非线性传感器 进行线性化。

简而言之，线性输出

类似一条直线，其形式

为 y 等于 mx 加 b， 其中只需两个简单的

点即可定义 该线性系统的

行为。

该行为的示例 包括线性和

理想的电阻器， 该电阻器遵循

欧姆定律，其中电压

是电阻器值与 电流强度的乘积。

从理论上讲，如果 电阻器的值是

恒定的，那么 在对电阻器

施加电源时，就可以 准确地计算电流

或电压。

如图所示，

通过电阻器 值 R 或电导率

1 除以 R，以线性 关系来表示 R。

线性关系的好处是， 可以通过非常简单的

计算方法来计算 所需的变量。

在电子系统中，它意味着 在 MCU 中使用更少的

存储器或计算能力。

现在，我们已经 清楚地了解了线性，

下一个问题是温度 传感器与线性之间

有什么关系？

首先，该概念 仅在我们考虑

与温度 成比例的

模拟输出时有意义。

这些器件称为 模拟传感器。

可以在屏幕左侧 看到一个示例，

一个 IC 模拟 温度传感器，

该传感器提供与 附近温度成比例的

电压作为输出。

该电压必须由 ADC 进行数字化，

然后才能处理结果。

屏幕右侧的 示例是一个 RTD

温度传感器， 它是一个由铂

制成的金属 元件，由可变

电阻器表示。

当使用电流源 I1

和 I2 对其进行适当 偏置 -- 就像本例中所示 --

之后，RTD 将提供与附近 温度成比例的电压，

该电压在经过 这一堆东西之后

到达 ADC。

这些类型的检测 系统需要校准、

基准电阻器和 内部温度基准，

以计算准确的 温度测量

值。

在刚才所述的两种 情况中，电压输出

与温度之间的 关系称为

传感器的增益。

在任一种情况下， 增益都是准线性的，

这意味着可以通过 y 等于 m 乘以 x 加 b

等线性函数 来近似表示

该关系。

现在，让我们看一看 IC 模拟温度传感器的

增益函数。

如前所述， 这是输出

电压与我们希望 在测量电压时

间接确定的 温度值

之间的关系。

当我们提到 准线性行为时，

是指什么？

实际上存在 用于量化

每个传感器的 线性度的指标。

这称为输出 非线性度，

可以通过百分比或

绝对度数来表示。

该值越低，增益 就越接近于直线。

必须注意的是， 线性度并不

意味着精度。

可以或不可以将 线性输出校准为

已知的可跟踪基准。

线性度告诉 我们的唯一信息是

传感器输出相对于

最佳拟合直线的情况。

示例图比较了 模拟温度传感器

数据表中正负 5%

非线性输出 与正负 0.4%

非线性输出 之间的差异。

现在让我们来讨论 非线性温度传感器。

您的屏幕左侧的 图显示了一个

热敏电阻，这是一种

作为温度函数改变

其电阻的器件。

有两种类型的 热敏电阻 --

具有负温度系数的 NTC，

以及具有 正温度系数的 PTC。

从概念上讲， 这些传感器

与上述传感器相同，

它们都提供与温度 成比例的输出电压。

所有这些传感器 之间的主要差异

在于这些热敏电阻 展现出的增益类型，

可以在屏幕的左侧 看到，其中显示了

PTC 和 NTC 的 典型增益曲线。

该非线性行为 在补偿侧带来了

更多挑战。

如上所述，MCU 承担

将电压值转换为 温度的任务。

在这些高度 非线性的情况下，

最佳的方法是使用 查找表或多项式拟合，

与线性或准线性 传感器相比，这将

需要更多的资源， 如存储器和 MCU

周期。

之所以需要对传感器 增益曲线进行线性化，

是为了降低计算温度的 复杂性，主要是为了

最大程度地减少 专用资源，如存储器

和 MCU 时间。

可以通过两种基本的 方法在软件中对热敏

电阻进行线性化，即 多项式拟合和查找表。

在使用多项式 拟合时，可通过

高阶多项式 减小线性化误差。

不过，由于会 增加处理要求，

因此其代价是增加功耗。

或者，某些应用 使用 Steinhart-Hart

经验方程来 进行曲线拟合。

不幸的是，该方程 需要使用自然

对数运算， 与多项式

运算相比，这在 定点微控制器

架构中可能 不是最高效的

运算。

第二种线性化方法 是使用查找表。

在使用查找表时， 通过使用具有

多个查找值的查找表 来减小线性化误差。

这是以增加存储器 大小为代价的。

在该分压器示例中， 工作温度范围为

负 40 摄氏度 至 150 摄氏度。

请注意热敏电阻的 线性度是如何影响

其线性化误差的。

有关该主题的更多 详细信息，请参阅

标题为“在宽工作温度 范围内降低热敏电阻

线性化误差、存储器 和功率要求的方法”的

应用手册。

可以在 ti.com 上 找到该文档。

图标

您的屏幕上的图 显示了传统 NTC

线性化误差与硅 热敏电阻线性化

误差之间的折衷。

假设采用二阶多项式 拟合或 1KB 的查找表

存储空间，与 NTC 相比，

线性器件的线性化 误差大约要好十倍。

到目前为止， 我们看到如果

具有宽温度 范围，那么可以

通过两种方法来 减小线性化误差，

即较高的多项式阶数

和较多的查找表值。

降低线性化误差的 一种替代方法是

使用硬件。

请注意，在硬件中看到热敏 电阻线性化与我们在软件中

看到热敏电阻 线性化一样常见。

屏幕左侧 显示了相关

电路示例。

图中显示了 其等效电阻与

温度间的关系曲线。

可以通过两种基本的 方法在硬件中对热敏

电阻进行线性化，一种是 电压模式，另一种是电阻。

例如，将热敏电阻 置于分压器中

被视为电压 模式线性化，

因为直接使用 分压器输出电压。

其他时候， 对热敏电阻

进行线性化，以用作 温度补偿电阻器，

如用于 LCD 温度补偿。

该方法称为电阻 模式线性化。

对于宽温度 范围运行，

线性化误差可能 是主要的误差源。

不过，存在大量 可能导致总系统

误差的其他误差源， 其中包括组件容差、

组件温度漂移、 噪声和 ADC 相关

误差。

无论如何处理， 提高热敏电阻

线性度都将以 器件灵敏度为代价。

在这些应用中， 线性器件可能

是比 NTC 更好的 替代方案，

因为该器件 已经是线性器件。

灵敏度在 宽温度范围内

更加一致。

感谢您观看有关 传感器线性的本视频。