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溫度傳感器的應用及原理分析

發(fā)布時(shí)間：2019-08-22 責任編輯：lina

【導讀】溫度測量應用非常廣泛，不僅生產(chǎn)工藝需要溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對它們自身的溫度進(jìn)行測量，如計算機要監控CPU的溫度，馬達控制器要知道功率驅動(dòng)IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器。
 
溫度測量應用非常廣泛，不僅生產(chǎn)工藝需要溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對它們自身的溫度進(jìn)行測量，如計算機要監控CPU的溫度，馬達控制器要知道功率驅動(dòng)IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器?！?/div>
 
溫度是實(shí)際應用中經(jīng)常需要測試的參數，從鋼鐵制造到半導體生產(chǎn)，很多工藝都要依靠溫度來(lái)實(shí)現，溫度傳感器是應用系統與現實(shí)世界之間的橋梁。本文對不同的溫度傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并介紹與電路系統之間的接口?！?/div>
　
熱敏電阻器　　
用來(lái)測量溫度的傳感器種類(lèi)很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度系數(NTC)，也就是說(shuō)溫度下降時(shí)它的電阻值會(huì )升高。在所有被動(dòng)式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時(shí)電阻的變化)最高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的?！　?/div>
 
 溫度傳感器的應用及原理分析
表1是一個(gè)典型的NTC熱敏電阻器性能參數。
 
這些數據是對Vishay-Dale熱敏電阻進(jìn)行量測得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個(gè)比率形式給出(R/R25)，該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時(shí)的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類(lèi)似的特性和相同電阻/溫度曲線(xiàn)。以表1中的熱敏電阻系列為例，25℃時(shí)阻值為10KΩ的電阻，在0℃時(shí)電阻為28.1KΩ，60℃時(shí)電阻為4.086KΩ；與此類(lèi)似，25℃時(shí)電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時(shí)電阻則為 14.050KΩ。
 
 溫度傳感器的應用及原理分析
圖1是熱敏電阻的溫度曲線(xiàn)，可以看到電阻/溫度曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的。
 
雖然這里的熱敏電阻數據以10℃為增量，但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點(diǎn)之間某一溫度下的阻值，可以用這個(gè)曲線(xiàn)來(lái)估計，也可以直接計算出電阻值，計算公式如下：
 
 溫度傳感器的應用及原理分析
 
這里T指開(kāi)氏絕對溫度，A、B、C、D是常數，根據熱敏電阻的特性而各有不同，這些參數由熱敏電阻的制造商提供?！　?/div>
 
熱敏電阻一般有一個(gè)誤差范圍，用來(lái)規定樣品之間的一致性。根據使用的材料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時(shí)可以互換，用于不能進(jìn)行現場(chǎng)調節的場(chǎng)合，例如一臺儀器，用戶(hù)或現場(chǎng)工程師只能更換熱敏電阻而無(wú)法進(jìn)行校準，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多?！?/div>
　
圖2是利用熱敏電阻測量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓，一般它與ADC的參考電壓一致，因此如果ADC的參考電壓是5V，Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯(lián)產(chǎn)生分壓，其阻值變化使得節點(diǎn)處的電壓也產(chǎn)生變化，該電路的精度取決于熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。
 
 溫度傳感器的應用及原理分析
 
自熱問(wèn)題　　
由于熱敏電阻是一個(gè)電阻，電流流過(guò)它時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定的熱量，因此電路設計人員應確保拉升電阻足夠大，以防止熱敏電阻自熱過(guò)度，否則系統測量的是熱敏電阻發(fā)出的熱，而不是周?chē)h(huán)境的溫度?！　?/div>
 
熱敏電阻消耗的能量對溫度的影響用耗散常數來(lái)表示，它指將熱敏電阻溫度提高比環(huán)境溫度高1℃所需要的毫瓦數。耗散常數因熱敏電阻的封裝、管腳規格、包封材料及其它因素不同而不一樣?！　?/div>
 
系統所允許的自熱量及限流電阻大小由測量精度決定，測量精度為±5℃的測量系統比精度為±1℃測量系統可承受的熱敏電阻自熱要大?！?/div>
　
應注意拉升電阻的阻值必須進(jìn)行計算，以限定整個(gè)測量溫度范圍內的自熱功耗。給定出電阻值以后，由于熱敏電阻阻值變化，耗散功率在不同溫度下也有所不同?！　?/div>
 
有時(shí)需要對熱敏電阻的輸入進(jìn)行標定以便得到合適的溫度分辨率，圖3是一個(gè)將10～40℃溫度范圍擴展到ADC整個(gè)0～5V輸入區間的電路?！　?/div>
 
運算放大器輸出公式如下：　
一旦熱敏電阻的輸入標定完成以后，就可以用圖表表示出實(shí)際電阻與溫度的對應情況。由于熱敏電阻是非線(xiàn)性的，所以需要用圖表表示，系統要知道對應每一個(gè)溫度ADC的值是多少，表的精度具體是以1℃為增量還是以5℃為增量要根據具體應用來(lái)定?！　?/div>
 
累積誤差　　
用熱敏電阻測量溫度時(shí)，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些場(chǎng)合需要精度為1%的電阻，而有些可能需要精度為0.1%的電阻。在任何情況下都應用一張表格算出所有元件的累積誤差對測量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。
　　
如果要求精度高而又想少花一點(diǎn)錢(qián)，則需要在系統構建好后對它進(jìn)行校準，由于線(xiàn)路板及熱敏電阻必須在現場(chǎng)更換，所以一般情況下不建議這樣做。在設備不能作現場(chǎng)更換或工程師有其它方法監控溫度的情況下，也可以讓軟件建一張溫度對應ADC變化的表格，這時(shí)需要用其它工具測量實(shí)際溫度值，軟件才能創(chuàng )建相對應的表格。對于有些必須要現場(chǎng)更換熱敏電阻的系統，可以將要更換的元件(傳感器或整個(gè)模擬前端)在出廠(chǎng)前就校準好，并把校準結果保存在磁盤(pán)或其它存儲介質(zhì)上，當然，元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準后的數據。
 
 溫度傳感器的應用及原理分析
 
總的來(lái)說(shuō)，熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法，而且使用也很簡(jiǎn)單，下面我們介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器?！?/div>
　
電阻溫度探測器　　
電阻溫度探測器(RTD)實(shí)際上是一根特殊的導線(xiàn)，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導線(xiàn)，也可以是一層薄膜，采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類(lèi)材料基底上?！?/div>
　
RTD的電阻值以0℃阻值作為標稱(chēng)值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時(shí)它的阻值通常為100.39Ω，50℃時(shí)為119.4Ω，圖4是RTD電阻/溫度曲線(xiàn)與熱敏電阻的電阻/溫度曲線(xiàn)的比較。 RTD的誤差要比熱敏電阻小，對于鉑來(lái)說(shuō)，誤差一般在0.01%，鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同?！　?/div>
 
熱電偶　　
熱電偶由兩種不同金屬結合而成，它受熱時(shí)會(huì )產(chǎn)生微小的電壓，電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料，鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是最常用的三種?！　犭娕籍a(chǎn)生的電壓很小，通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時(shí)電壓變化只有大約40μV，因此測量系統要能測出4μV的電壓變化測量精度才可以達到0.1℃?！　?/div>
 
由于兩種不同類(lèi)型的金屬結合在一起會(huì )產(chǎn)生電位差，所以熱電偶與測量系統的連接也會(huì )產(chǎn)生電壓。一般把連接點(diǎn)放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個(gè)節點(diǎn)處以同一溫度下，從而降低誤差。有時(shí)候也會(huì )測量隔熱塊的溫度，以補償溫度的影響(圖5)。
 
 溫度傳感器的應用及原理分析
 
測量熱電偶電壓要求的增益一般為100到300，而熱電偶擷取的噪聲也會(huì )放大同樣的倍數。通常采用測量放大器來(lái)放大信號，因為它可以除去熱電偶連線(xiàn)里的共模噪聲。市場(chǎng)上還可以買(mǎi)到熱電偶信號調節器，如模擬器件公司的AD594/595，可用來(lái)簡(jiǎn)化硬件接口?！?/div>
　
固態(tài)熱傳感器　　
最簡(jiǎn)單的半導體溫度傳感器就是一個(gè)PN結，例如二極管或晶體管基極-發(fā)射極之間的PN結。如果一個(gè)恒定電流流過(guò)正向偏置的硅 PN結，正向壓降在溫度每變化1℃時(shí)會(huì )降低1.8mV。很多IC利用半導體的這一特性來(lái)測量溫度，包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74 等等。半導體傳感器的接口形式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線(xiàn)接口都可以。
　　
溫度傳感器種類(lèi)很多，通過(guò)正確地選擇軟件和硬件，一定可以找到適合自己應用的傳感器。
 
 
 
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