【關鍵詞】XTR106,橋路傳感器,線性化,鉑熱電阻
【摘要】根據鉑熱電阻不平衡電橋測溫的原理，鉑熱電阻的非線性和不平衡電橋的固有非線性給溫度測量帶來很大的非線性誤差。XTR106主要用于橋路傳感器線性化的兩線制專用集成變送電路。本文介紹XTR106的工作原理及其在鉑熱電阻不平衡電橋測溫中的應用。
1 概述?
目前，熱電阻和熱電偶是工業生產過程中最常用的兩種溫度傳感器。鉑熱電阻具有測量范圍大、精度高、穩定性好、復現性高和耐氧化等特點，因此，在中低溫區得到了更廣泛的應用，還常被用來作為100℃～630℃范圍的國際標準溫度計。但是，鉑熱電阻的阻值和溫度之間存在非線性關系。在鉑熱電阻傳感器應用中，經常利用不平衡電橋電路把傳感器的電阻變化轉變為電壓，但是存在的問題是橋臂電阻和電橋輸出電壓之間的非線性。這樣，鉑熱電阻的非線性和不平衡電橋固有非線性給溫度測量帶來很大的非線性誤差 。特別是測溫范圍較寬時，其非線性更明顯。所以，當精度要求高或測溫范圍寬時，就必須解決線性問題。近年來，關于鉑熱電阻不平衡電橋測溫法中的非線性校正已提出了多種方法，并得到了不同程度的應用。美國BB公司正是適應這種要求，在傳感器領域推出的主要用于橋路傳感器的4～20mA兩線制集成單片變送器XTR106，它的突出優點是可以對橋路傳感器的非線性進行二次項線性化補償。?
2 鉑熱電阻的非線性?
鉑熱電阻具有測量精度高、測溫范圍寬、穩定性好等優點，但鉑熱電阻是一種非線性測溫元件。根據國際電工委員會提供的數據，鉑熱電阻的電阻－溫度關系式為：
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其中，A＝3.90802×10－3；B＝－5.802×10－7；C＝－4.27350×10－12。顯然，隨著測量范圍的增大，非線性越來越嚴重。當溫度測量范圍為－200℃～850℃時，鉑熱電阻的最大非線性達到4.6%。當然，減小溫度測量范圍，將使非線性減小。但是，當精度要求高或測溫范圍寬時，就必須解決非線性問題。?
3 不平衡電橋的非線性?
常用的不平衡電橋測溫電路如圖3—1所示，圖中Rt為鉑熱電阻。由圖3—1可知，
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這時，輸出電壓U0與傳感器電阻的變化量RΔt／(R0＋R1)近似成線性關系，此時對測量精度的影響較小。但隨著傳感器電阻的相對變化量RΔt／(R0＋R1)的增大，非線性誤差越來越大 ，因而極大地影響了電橋的測量準確度。另外，由式(3—2)可知，電橋輸出電壓U0與電橋供電電源的電壓成正比關系，因此，供電電源電壓的波動也將直接影響測量精度。?
鉑熱電阻的非線性和不平衡電橋的非線性都給最后的溫度測量帶來一定的非線性誤差 。所以，當精度要求高或測溫范圍寬時，就必須解決這個線性化問題。?
4 XTR106的工作原理?
XTR106是高精度、低漂移、自帶兩路激勵電壓源、可驅動電橋的4～20 mA兩線制集成單片變送器，它的最大特點是可以對不平衡電橋的固有非線性進行二次項補償，它可以使橋路傳感器的非線性大大改善，改善前后非線性比最大可達20∶1。其原理框圖如圖4—1所示。?
圖中，VREF為兩路精密基準電壓源2.5V和5V，基準電壓源的精度為0.05%；VREG提供大約5.1V的電壓源，可帶2.5mA的負載電流，若超過2.5mA會影響4mA的零點輸出電流；RG為外接量程控制電阻。XTR106的使用要求：?
a.整個電路的電壓—電流傳遞函數為：
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其轉換精度為0.05%。?
? b.電源電壓范圍寬：7.5V～36V。當橋路非線性大于3%，且用5V基準電壓源作為橋路激勵時，要求電源電壓為8V～36V；?
c.當用在高精度場合時，需要外接一個NPN三極管，將外部電源電流與消耗嚴格地分開 ，這可大大降低XTR106的內部功耗及發熱，減少熱漂移，從而提高了性能。由于這個外接三極管位于反饋回路中，其參數要求如下：VCEO≥45V，βmin＝40，PD＝800mW。當對精度要求不高時，可直接在8腳與6腳之間連接一個3.3kΩ的電阻。?
d.由于XTR106由單一電源供電，為了保證工作在線性區域，要求輸入端相對公共地6腳的電壓滿足：?
的增加而提高，所以為了提高測量精度，應盡量使VIN大一些，VIN應滿足：0≤VIN≤2.4V。當VIN＜0時，XTR106的輸出電流Io將小于4mA，VIN減小，Io也將繼續減小，直到1.6mA為止 。當VIN大于滿量程值時，XTR106的輸出電流Io將大于20mA，VIN增大，Io也將繼續增大，直到28mA為止。?
f.負載電阻RL的選擇，必須保證輸出電流在4～20mA變化時，7、10兩腳電壓在7.5V～36V之間，RLmax＝(VPS－7.5)／20－RWIRING；?
g.只需簡單的管腳連接就可在片內獲得2.5V或5V的精密基準電壓源用于橋路激勵。使用5V激勵時，只需將14腳直接連接到橋路；使用2.5V激勵時，需要先把13腳與14腳相連后 ，再連接到橋路，如圖5—1所示；
h.可對橋路的固有、可測的非線性進行線性化，這里的非線性包括鉑電阻的非線性和不平衡電橋本身的非線性。但是XTR106只限于對橋路的拋物線型(下彎或上彎，如圖4—2所示)非線性進行二次項線性化補償，特別是對最大非線性發生在中點的拋物線型非線性的線性化最好，補償前后非線性比最大可達20∶1。當使用5V基準電壓源作為橋路激勵時，可用于矯正不大于±5%的非線性；當使用2.5V基準電壓源作為橋路激勵時，可用于矯正不大于＋5%／－2.5%的非線性。但是，對于同時存在較大正、負非線性的橋路傳感器，使用XTR106對其線性改善不大。具體的線性化原理如下：?
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連接于管腳11與管腳1之間的RLIN為線性化電阻，提供正反饋，使橋路激勵電壓(精密基準電壓源)能夠隨著輸入信號VIN的變化而變化。當橋路傳感器存在正的非線性(上彎，如圖4—2所示)時，管腳12與管腳6連接，這時，基準電壓VREF不是保持5V或2.5V不變，而是隨著橋路輸出(也是XTR106的輸入VIN)的增加而增加，以補償正的非線性；當橋路傳感器存在負的非線性(下彎，如圖4—2所示)時，管腳12與管腳1連接，這時，基準電壓VREF隨著橋路輸出的增加而減少，以補償負的非線性；當不需要非線性補償時，需要把管腳11和管腳12都連接到管腳1，這時，基準電壓VREF就保持5V或2.5V不變。量程電阻RG和線性化電阻RLIN的選擇公式如下：
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式中：KLIN—線性化因子，單位為Ω。?
當基準電壓源為2.5V時，KLIN＝9905Ω；?
當基準電壓源為5V時，KLIN＝6645Ω；?
B—橋路傳感器相對于VFS的非線性度。對于正的非線性(如圖4—2)，B取正號；對于負的非線性，B取負號。?
VFS—在沒有線性化時橋路的滿量程輸出電壓，單位為V。這時基準電壓保持2.5V或5V不變。?
VREF(Adj)?、VREF(Initial)—分別為線性化前后的基準電壓值，單位為V。?
5 XTR106在鉑熱電阻不平衡電橋測溫中的應用
由上述分析可知，在鉑熱電阻不平衡電橋測溫中，鉑熱電阻的非線性和不平衡電橋固有非線性給溫度測量帶來很大的非線性誤差。特別是測溫范圍較寬時，其非線性更明顯。所以，當精度要求高或測溫范圍寬時，就必須解決非線性問題。利用XTR106的線性化特性就能很好地解決這個非線性問題。?
下面以量程為0～500℃的Pt100為例，說明XTR106在鉑熱電阻不平衡電橋測溫中的應用 ，如圖5—1所示。圖中，電容CIN用于減小輸入干擾，電容COUT用于減小輸出干擾；二極管用于防止電源電壓反接；R0為零點調節電阻，RG為量程調節電阻；R1＝R2＝5.1kΩ；R0等于Pt100在0℃時的電阻，為100Ω。R3、R4用于調節橋路初始不平衡電壓和XTR106的失調電壓 ，具體的電阻值由下式決定：?
式中，VTRIM—期望的電壓調整范圍，單位為V。?
RB—橋路的全阻，單位為Ω。?
如圖5—1所示，由于管腳13與管腳14相連后，再連接到橋路，因而橋路的激勵電壓為2.5V。?
在線性化之前，首先計算B0。由式(2—1)、(2—2)、(2—3)，可得Pt100不平衡電橋在0～500℃時的橋路輸出電壓Uo－溫度t的曲線，如圖5—2所示，顯然，它是拋物線型正的非線性，而且當t＝238℃時非線性最大，為＋2.86%。所以B＝＋2.86%，且在圖5—1中將管腳12與管腳6連接，以實現正的非線性矯正。根據使用要求h，由于t＝238℃幾乎在量程的中點，XTR106對它非線性改善的效果很好。
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由圖5—2可知，VFS＝0.08243V。?
然后由式(4—3)、(4—4)計算RLIN?、RG：
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采用XTR106線性化前、后橋路輸出Uo與溫度t的非線性如圖5—3所示，線性化前的最大非線性為＋2.86%，線性化后的最大非線性為±0.15%，線性化前后非線性比達到19.1∶1，這幾乎已經達到XTR106的最大線性化比20∶1，顯然，XTR106非常適合在鉑熱電阻不平衡電橋應用。如果測溫范圍減小的話，線性化后的非線性將更小。?
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根據XTR106的使用要求e，當鉑熱電阻開路時，XTR106輸出電流將達到上限值(約為28mA)；當短路時，XTR106輸出電流將達到下限值(約為1.6mA)。因此，通過測量輸出電流的大小，可以判斷鉑熱電阻的開路或短路的情況。?
6 結束語?
由于XTR106兩線制集成單片變送器性能穩定、精度高、價格低廉、所需外圍電路少等優點以及對橋路傳感器的線性化能力，這非常有利于變送器的小型化，特別是一體化溫度變送器。除了用于鉑熱電阻不平衡電橋測溫外，XTR106在熱電偶溫度變送器、壓力(差壓)變送器等領域也得到了廣泛應用。?
［參考文獻］
（1） 黃繼昌，等.傳感器工作原理及實用實例［M］.人民出版社，1998
（2） 郭亨禮.傳感器實用電路［M］.上海科技出版社，1992?
