温度传感器校准

技术领域

本申请涉及包括热敏电阻的经校准的温度传感器，以及执行校准的方法。

背景技术

电阻器是阻碍电荷的电部件。热敏电阻是其电阻基于温度而改变的电阻器。NTC(负温度系数)热敏电阻是其电阻被温度变化负向地影响的热敏电阻；因此随着热敏电阻周围的温度增加，热敏电阻的电阻减小，并且随着温度降低，热敏电阻的电阻增加。相反，PTC(正温度系数)热敏电阻是其电阻被温度变化正向地影响的热敏电阻；因此随着热敏电阻周围的温度增加，热敏电阻的电阻增加，并且随着温度降低，热敏电阻的电阻减小。通常使用电阻对温度(电阻-温度曲线)的图形化绘图来表征热敏电阻响应于温度变化的电阻变化(电阻-温度响应)。

通常根据两个参数来制造热敏电阻。热敏电阻的第一个参数是其在预定标称温度(T

(1)

其中，R

如从等式(1)中显而易见的，对于给定热敏电阻的电阻和温度之间的关系是非线性的，使得电阻对温度的绘图是曲线。为了简化电阻-温度曲线，通常已知的是使热敏电阻响应基本线性化。这通常通过将电阻与热敏电阻并联放置来实现。

图1提供了示例性温度传感器电路100的电路图，其中电阻120被定位为与热敏电阻110并联。可以从探针(未示出)将电流施加到电路100，并且可以测量得到的电压。探针可以连接到所施加的电流以及在端子140处所测量到的电压。在端子140处的电压取决于热敏电阻110的电阻，并且热敏电阻100的电阻取决于所测量到的温度(T)。因此，可以基于在端子140处的电压测量来确定温度T。

图2提供用于从温度传感器100读出温度的系统200的块图。温度传感器100连接到数字控制单元210。数字控制单元210被配置为：将温度传感器100的模拟输出转换为指示所测量的温度的数字信号、处理该数字信号，并且最终将数字信号提供给显示器220以供读出。在某些应用中，显示器可以被配置为接收指示根据工业标准(例如YSI-400或YSI-700)与温度相关的电阻的值。在这样的应用中，数字控制单元被嵌入到显示单元(例如生命体征监视器)中，并且可以被配置为将与传感器电阻相关的电压或电流信号转换为根据工业标准与温度值相关的电阻值(从温度传感器100接收)，并且然后将转换后的数字信号提供给显示器220用于温度读出。

在生产期间，从一个热敏电阻到下一个热敏电阻的β和R

发明内容

本公开提供了一种有序的方法，通过该方法可以将热敏电阻校准到标称曲线，例如，如下的曲线：该曲线通过添加并联的电阻器和串联的电阻器来为多个热敏电阻在给定温度下提供可接受的公差内的相同的电阻读数。标称曲线是为多个热敏电阻在给定温度下提供可接受的公差内的共同电阻的曲线，并且其基于热敏电阻的参数的已知范围来选择。

本公开内容的一个方面提供了。

附图说明

图1是现有技术温度传感器的现有技术电路图。

图2是现有技术温度感测和读出系统的现有技术块图。

图3是根据本公开内容的用于校准温度传感器的方法的流程图。

图4A、图4B、图4C和图4D是使用图3的方法所校准的温度传感器的电路图。

图5A、图5B、图5C和图5D是使用图3的方法所校准的热敏电阻的图形化的电阻-温度绘图。

图6A和图6B是根据本公开内容的温度传感器的阵列的俯视图和仰视图。

图7是根据本公开内容的温度感测和读出系统的块图。

具体实施方式

图3是根据本公开内容的示例性校准方法300的流程图。为了简单起见，该方法将可以与图1的温度传感器100进行比较的温度传感器作为起点。进一步参考贯穿图4A至图4D以及图5A至图5D的方法的描述，这些图示出了就电路图(图4A至图4D)而言和就电阻-温度曲线(图5A至图5D)而言温度传感器做出的变化。在图4A至图4D中示出了单个电路图，并且在图5A至图5D中的每一者中分别示出了单个的、相应的电阻-温度曲线。然而，由于热敏电阻中的β和R

方法300在块302处开始，其中提供了热敏电阻。图4A是仅包括热敏电阻410的温度传感器400的电路图。热敏电阻放置在具有端子440的电路上，可以与前面结合图1描述的部件相比较。图5A示出了用于这种温度传感器的电阻-温度曲线501。如上所述，由于各种温度传感器中热敏电阻中的β和R

在块304处，第一并联电阻器与热敏电阻并联连接。图4B示出了将第一并联电阻器420添加到温度传感器400。在一些情况下，针对每个温度传感器，第一并联电阻器420的电阻可以被选择为大约相同。然而，如稍后将解释的，由于电阻器的电阻值的偏差，可以为每个温度电阻器选择不同的电阻，并且将不同的电阻器安装到每个温度传感器，因为在稍后的校准步骤期间这些差异将被标准化。可以根据传感器将被用来测量的温度所在的预期温度范围来选择第一并联热敏电阻420的标称值，因为曲线的线性在预期温度范围中最重要。

对于任何给定的温度，可以使用以下公式来表示热敏电阻410(具有电阻R

(2)

在块306处测试温度传感器。测试可以涉及将温度传感器放置在温度受控的环境(例如，水浴)中，并且测量温度传感器的有效电阻。这样的测试可以多次进行，其中每个测试在不同的受控温度下进行，以便收集多个电阻-温度数据点。然后可以使用本领域已知的任何外推方法(例如，线性内插法或最小二乘法)从所收集的数据点中外推电阻-温度曲线。

因为在添加并联电阻器420之后执行测试，所以需要更少的测试点来从所收集的数据点中外推电阻-温度曲线。这是因为期望电阻-温度曲线在期望的范围上是线性的，这意味着可以需要少至两个数据点来进行足够的测试。然而，在一些情况下，可以优选地收集多于两个的数据点(例如，三个数据点、五个数据点、十个数据点、十五个数据点)，以便确保精确地确定电阻-温度曲线。在一个实施例中，温度传感器通过一系列四个水浴，每个水浴被设置为不同的受控温度，并且针对四个受控温度中的每一个收集数据点。

图5B示出了温度传感器的线性化的电阻-温度曲线511。应当注意，即使在电阻-温度曲线的线性化之后，不同温度传感器的线性化曲线仍然具有不同的斜率和不同的偏置。这是由于所使用的热敏电阻中的β和R

由于热敏电阻的参数的可变性以及第一并联电阻器的可变性，电阻-温度曲线511可以具有与温度传感器的期望的标称曲线不同的斜率和偏置。在块308处，可以基于从测试中获得的数据点来确定线性化的温度传感器的斜率和偏置中的每一者。

使用所确定的斜率(块308)的知识和温度传感器400的期望的标称曲线的知识，在块310处可以确定第二并联电阻器的电阻值，以使温度传感器的斜率达到期望的标称曲线的斜率。换句话说，对于添加到温度传感器400的给定的第二并联电阻器，温度传感器的电阻-温度曲线的斜率将存在可预测的变化。因此，可以确定必须添加多大值的电阻与第一并联电阻器420串联(并且与热敏电阻410并联)，以便温度传感器400达到期望的标称曲线的斜率。

在块312处，一旦第二并联电阻器的电阻值已经被确定，就可以将具有正确的电阻值的第二并联电阻器添加到温度传感器400，与热敏电阻410并联，并且与第一并联电阻器420串联。图4C示出了包括第二并联电阻器422的示例性布置，其中第一并联电阻器420和端子440之间的连接线450被切断。在一些情况下，这可以留下原始线的切断的端部425a和425b。然后，将第二并联电阻器422插入到第一并联电阻器420和端子440之间，并且提供新的连接线452，以促进连接。在其他示例性的布置中，第二并联电阻器可以被插入到其他地方，例如，连接到第一并联电阻器420的另一侧，只要其保持与热敏电阻410并联。

现在可以使用以下公式来表示任何给定的温度下的热敏电阻410(具有电阻R

(3)

选择第二并联电阻器的电阻以使温度电路的电阻-温度曲线达到标称斜率。推导出第二并联值的一种方法是使用迭代过程，其中猜测初始的电阻值，并且基于初始的猜测来计算新的斜率。可以通过基于所计算的斜率来猜测不同的电阻值直到产生期望的标称曲线来重复该步骤。所得的电阻-温度曲线521在图5C中示出。在这个阶段，对于给定批次的经校准的温度传感器的每个电阻-温度曲线现在将共享共同的标称斜率，虽然曲线仍然可以被不同地偏置。

第二并联电阻器422可以被选择为具有小于第一并联电阻器420的电阻。例如，如果第一并联电阻器420被选择为具有几千或几万ohm的量级的电阻，则第二并联电阻器422可以被选择为具有几十至几百ohm的量级的电阻。在这个意义上，相对小的第二并联电阻器可以被认为是校正第一并联电阻器的实际电阻与其标称值之间的差。例如，如果每个温度传感器中的第一并联电阻器具有误差裕度为±5％的4.7kΩ的标称电阻，则每个电阻可以具有约4.46kΩ与约4.94kΩ之间的实际电阻。然后，通过使用0Ω到470Ω之间的第二并联电阻器(例如，小于或等于第一并联电阻器的误差裕度)，第一电阻器之间的实际电阻的差别可以被更小的第二电阻器校正。这避免了对提供过度精确的电阻值的需要，而不会不利地影响最终校准的温度传感器的整体精度。因此，通过将并联电阻拆分成两个电阻器，可以通过使用第二并联电阻器(其具有相对低的电阻)补偿这些偏差来校准第一并联电阻器(其具有相对高的电阻)的偏差。

类似地，使用已确定的偏置(块308)的知识和温度传感器400的期望的标称曲线的知识，在块314处可以确定串联电阻器的电阻值，以使得温度传感器的偏置达到期望的标称曲线的偏置。换句话说，对于添加到温度传感器400的给定的串联电阻器，在温度传感器的电阻-温度曲线的偏置中将存在可预测的变化。因此，可以确定必须添加多大值的电阻与热敏电阻410、第一并联电阻器420和第二并联电阻器424串联，以便使温度传感器400达到期望的标称曲线的偏置。

在块316处，一旦已经确定串联电阻器的电阻值，就可以将具有正确的电阻值的串联电阻器添加到温度传感器400，与热敏电阻410、第一并联电阻器420和第二并联电阻器422中的每一者串联。图4D示出了被添加在其他部件和端子440之间的串联电阻器424的示例。可替代地，串联电阻器可以被添加在热敏电阻410以及并联电阻器422、424的另一侧上。

现在可以使用以下公式来表示任何给定的温度下的热敏电阻410(具有电阻R

(4)

选择串联电阻器的电阻，以使得温度电路的电阻-温度曲线达到共同的偏置。所得的电阻-温度曲线531在图5D中示出。在这个阶段，现在完全地校准温度传感器，并且因此共享共同的斜率和共同的偏置两者。在这种意义上，经校准的温度传感器大致地彼此相同，因为它们在给定温度范围内提供相同的电阻(或在相同的可容许的电阻范围内的电阻)。在YSI-400标准的温度传感器的情况下，温度传感器可以具有约45ohm/℃的灵敏度，这意味着：对于具有约±0.1℃的精度的温度传感器，对于在预期温度范围内的给定温度，温度传感器必须在约4.5ohm内是准确的。

该方法300的结果是多个经校准的温度传感器，这些多个经校准的温度传感器就斜率和偏置两者而言共享共同的电阻-温度曲线。这意味着温度传感器被在相当大的温度范围内校准，因为传感器的电阻可以沿着整个电阻-温度曲线或在电阻-温度曲线的大部分处是可预测的。此外，该方法实现了该校准，而不必不得不丢弃具有不同的β和R

温度传感器的最终曲线的斜率和偏置可以是基于正在使用的热敏电阻的β和R

换句话说，如果选择最终的曲线以获得来自一批热敏电阻的已知范围中的最大的斜率(或更多)和最大的偏置(或更多)，则它将使所有的温度传感器能够被校准而无需丢弃任何一个传感器。应当注意，每个温度传感器的最终曲线可以具有在可接受的公差内的差异，例如，对于临床温度感测应用约为±0.1％。

在一个示例中，一批热敏电阻可以具有公差约为3％或更小的4250左右的β值，以及公差约为±5％或更小的100kΩ左右的R

图3的方法300是有利的，因为它可以被容易地自动化。通常已知的是，在相关领域中，可以将向温度传感器添加电阻器、在水浴之间转移温度传感器、以及测量温度传感器的主动功能包括在自动化装配线协议中。此外，这些自动化活动可以与自动化处理步骤(例如，用于外推电阻-温度曲线、或计算待添加到温度传感器电路的适当电阻值的功能)结合或另外地由自动化处理步骤引导。因此，本领域技术人员将容易地认识到，方法300可以是自动化过程。

图3的示例性过程展示了可以如何测试和校准线性化的热敏电阻。在其他情况下，可以在提供并联电阻器以使热敏电阻响应线性化之前校准热敏电阻。在这种情况下，可以省略图3的块304，并且可以以上述方式在块306处测试热敏电阻的非线性电阻-温度响应。在测试期间，可以收集若干数据点(例如，10个数据点、15个数据点)。然后，可以将高阶校准(例如，三阶校准)应用到数据点，并且通过高阶校准可以识别最佳拟合曲线。高阶校准可以涉及确定电阻值“R”，其导致使用误差最小化技术(例如，最小二乘法)使热敏电阻在温度范围内拟合标称的高阶曲线。例如，在三阶校准的情况下，标称曲线可以由以下表达式来表示：

(5)T(R)＝a

其中，在测试阶段期间基于跨测试温度范围的测量到的电阻来确定值a

此外，可以同时对所有的温度传感器使用该校准方法。例如，温度传感器可以被印刷在单个的阵列上，然后同时地通过测试装置和生产线。

图6A和图6B示出了具有若干温度传感器601

在图6A至图6B的示例中，通过将其放置在基底的相对表面上而将热敏电阻610

在图6A的示例中，应当注意，示出了三个热敏电阻。本领域技术人员将认识到，温度传感器可以包括多个热敏电阻，以便同时测量多个点，并且提供更加精确的总体测量。然而，为了本申请的目的，所有的三个热敏电阻可以被视为单个的热敏电阻，这意味着使用单个的并联电阻器对所有的三个热敏电阻进行线性化，并且然后使用第二并联电阻器和单个的串联电阻器来校准三个热敏电阻。

在一些应用中，温度传感器可以包括多组热敏电阻，每组负责进行不同的测量。在这种情况下，每组热敏电阻可以连接到其自己的第一并联电阻器、第二并联电阻器和串联电阻器。尽管如此，温度传感器的阵列可已被配置为容纳单独组的热敏电阻和伴随的电路。

此外，在一些应用中，每个温度传感器601

以上示例描述了依赖于添加新电阻器的校准方法和阵列配置。然而，在其他示例中，校准方法可以涉及修改最初提供的电阻器的电阻值。修改电阻器的值的一种方式是通过激光切割或修整。在这种情况下，可以首先评估(例如，通过块306中的测试)温度传感器的温度传感器曲线。然后，在块308处，代替添加第二并联电阻器，可以使用激光切割来修改每个温度传感器的第一并联电阻器的电阻值，以便使得被测试的温度传感器的每个电阻-温度曲线达到共同的斜率。然后，可以在块310处添加串联的电阻器，以便使得每个电阻-温度曲线的偏置均匀。

在又一替代性实施例中，在块306中的测试(测试温度传感器)之前，可以为每个温度传感器提供具有任意电阻的串联电阻器。然后，在块310处，代替添加串联电阻器，可以基于块306中的测试的结果使用激光切割来修改先前提供的串联电阻器的电阻。

激光切割的一个优点是其允许在温度传感器的生产中使用更少的部件。代替使最终温度传感器包括三个电阻器，可以仅使用两个电阻器来实现相同的结果。然而，激光切割可能是昂贵的，并且有时可能是不精确的。此外，应当注意将热敏电阻与电阻器隔开，因为来自激光切割的热可能引起对热敏电阻的热冲击，并且改变热敏电阻的参数。

以上示例描述了一种校准方法，该校准方法通过为一批热敏电阻选择为预期范围的最大值或最小值的或超过最大值或最小值的斜率值和偏置值以消除热敏电阻的浪费。然而，在其他示例中，可以选择最终值，使得它们接近但并不是值的预期范围的最大值或最小值。在这方面可以显著地减少浪费，尽管并没有完全地消除浪费。

可替代地，可以选择最终的斜率值和偏置值以符合工业标准。例如，可以根据用于热敏电阻的YSI-400标准来选择斜率和偏置，以匹配电阻-温度曲线的标称值。可替代地，可以选择这些值以符合YSI-700标准。在其他示例中，可以使用其他标准。然后，选择并联电阻器和串联电阻器，以使热敏电阻的行为符合所选择的工业标准的电阻-温度曲线。

如果根据工业标准来选择温度传感器的电阻-温度曲线，则温度传感器的输出也将满足工业标准。以这种方式对温度传感器进行标准化是有利的，因为它意味着温度传感器可以容易地与标准化设备交互。

例如，图7示出了用于温度感测和读出的标准化系统700的块图。系统700包括经由电缆730连接到显示器720的温度传感器710。根据本公开内容的原理，温度传感器710包括热敏电阻712和电阻器网络714，电阻器网络714包括与热敏电阻串联、与热敏电阻并联或这两者的电阻器。电阻器网络714被专门地设计为使得温度传感器的电阻-温度曲线符合工业标准。

显示器720被配置为根据与温度传感器相同的工业标准接收来和读出电阻值。因为温度传感器710的输出直接地指示热敏电阻712和电阻器网络714的总电阻，显示器720可以直接地连接到温度传感器710，而无需额外的接口设备(例如数字控制单元)。此外，在接收模拟输入的显示器的情况下，该接口可以是纯模拟的，无需将温度传感器输出转换为数字信号，由数字控制单元处理，并且然后转换回模拟信号。最终，使温度传感器符合监视器的工业标准显著地简化了温度感测和读出系统700，进而减少了其成本和维护需求。

本公开内容中的示例考虑用于在医院温度计应用中使用的热敏电阻的适当温度，例如，由Medisim有限公司制造的Temple Touch Pro

虽然已经参考特定实施例描述了本文的公开内容，但是应当理解，这些实施例仅仅是本公开内容的原理和应用的说明。因此，应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以对说明性实施例进行许多修改，并且可以设计出其它布置。