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常用溫度丈量技術及其接口電路引見
點擊次數：2118 更新時間：2016-03-27
常用溫度丈量技術及其接口電路引見 |
| 溫度是實踐應用中經常需求測試的參數，從鋼鐵制造到半導體消費，很多工藝都要依托溫度來完成，溫度傳感器是應用系統與理想世界之間的橋梁。本文對不同的溫度傳感器停止扼要概述，并引見與電路系統之間的接口。 溫度丈量應用十分普遍，不只消費工藝需求溫度控制，有些電子產品還需對它們本身的溫度停止丈量，如計算機要監控CPU的溫度，馬達控制器要曉得功率驅動IC的溫度等等，下面引見幾種常用的溫度傳感器。 熱敏電阻器 用來丈量溫度的傳感器品種很多，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)，也就是說溫度降落時它的電阻值會升高。在一切被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈活度(即溫度每變化一度時電阻的變化)zui高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。 表1是一個典型的NTC熱敏電阻器性能參數，這些數據是對Vishay-Dale熱敏電阻停止量測得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體狀況。其中電阻值以一個比率方式給出(R/R25)，該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻用具有相似的特性和相同電阻/溫度曲線。以表1中的熱敏電阻系列為例，25℃時阻值為10KΩ的電阻，在0℃時電阻為28.1KΩ，60℃時電阻為4.086KΩ；與此相似，25℃時電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時電阻則為14.050KΩ。 圖1是熱敏電阻的溫度曲線，能夠看到電阻/溫度曲線是非線性的。固然這里的熱敏電阻數據以10℃為增量，但有些熱敏電阻能夠以5℃以至1℃為增量。假如想要曉得兩點之間某一溫度下的阻值，能夠用這個曲線來估量，也能夠直接計算出電阻值，計算公式如下： 這里T指開氏溫度，A、B、C、D是常數，依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。 熱敏電阻普通有一個誤差范圍，用來規則樣品之間的分歧性。依據運用的資料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時能夠互換，用于不能停止現場調理的場所，例如一臺儀器，用戶或現場工程師只能改換熱敏電阻而無法停止校準，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多。 圖2是應用熱敏電阻丈量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓，普通它與ADC的參考電壓分歧，因而假如ADC的參考電壓是5V，Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯產生分壓，其阻值變化使得節點處的電壓也產生變化，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。 ◆自熱問題 由于熱敏電阻是一個電阻，電流流過它時會產生一定的熱量，因而電路設計人員應確保拉升電阻足夠大，以避免熱敏電阻自熱過度，否則系統丈量的是熱敏電阻發出的熱，而不是四周環境的溫度。 熱敏電阻耗費的能量對溫度的影響用耗散常數來表示，它指將熱敏電阻溫度進步比環境溫度高1℃所需求的毫瓦數。耗散常數因熱敏電阻的封裝、管腳規格、包封資料及其它要素不同而不一樣。 系統所允許的自熱量及限流電阻大小由丈量精度決議，丈量精度為±5℃的丈量系統比精度為±1℃丈量系統可接受的熱敏電阻自熱要大。 應留意拉升電阻的阻值必需停止計算，以限定整個丈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。 有時需求對熱敏電阻的輸入停止標定以便得到適宜的溫度分辨率，圖3是一個將10～40℃溫度范圍擴展到ADC整個0～5V輸入區間的電路。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，就能夠用圖表表示出實踐電阻與溫度的對應狀況。由于熱敏電阻是非線性的，所以需求用圖表表示，系統要曉得對應每一個溫度ADC的值是幾，表的精度詳細是以1℃為增量還是以5℃為增量要依據詳細應用來定。 ◆累積誤差 用熱敏電阻丈量溫度時，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需求的精度相匹配。有些場所需求精度為1%的電阻，而有些可能需求精度為0.1%的電阻。在任何狀況下都應用一張表格算出一切元件的累積誤差對丈量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻自身。 假如請求精度高而又想少花一點錢，則需求在系統構建好后對它停止校準，由于線路板及熱敏電阻必需在現場改換，所以普通狀況下不倡議這樣做。在設備不能作現場改換或工程師有其它辦法監控溫度的狀況下，也能夠讓軟件建一張溫度對應ADC變化的表格，這時需求用其它工具丈量實踐溫度值，軟件才干創立相對應的表格。關于有些必需要現場改換熱敏電阻的系統，能夠將要改換的元件(傳感器或整個模仿前端)在出廠前就校準好，并把校準結果保管在磁盤或其它存儲介質上，當然，元件改換后軟件必需要可以曉得運用校準后的數據。 總的來說，熱敏電阻是一種低本錢溫度丈量辦法，而且運用也很簡單，下面我們引見電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器。 電阻溫度探測器 電阻溫度探測器(RTD)實踐上是一根特殊的導線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD資料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件能夠是一根導線，也能夠是一層薄膜，采用電鍍或濺射的辦法涂敷在陶瓷類資料基底上。 RTD的電阻值以0℃阻值作為標稱值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時它的阻值通常為100.39Ω，50℃時為119.4Ω，圖4是RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比擬。RTD的誤差要比熱敏電阻小，關于鉑來說，誤差普通在0.01%，鎳普通為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路根本相同。 熱電偶 熱電偶由兩種不同金屬分離而成，它受熱時會產生微小的電壓，電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬資料，鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是zui常用的三種。 熱電偶產生的電壓很小，通常只要幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時電壓變化只要大約40μV，因而丈量系統要能測出4μV的電壓變化丈量精度才能夠到達0.1℃。 由于兩種不同類型的金屬分離在一同會產生電位差，所以熱電偶與丈量系統的銜接也會產生電壓。普通把銜接點放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個節點處以同一溫度下，從而降低誤差。有時分也會丈量隔熱塊的溫度，以補償溫度的影響(圖5)。 丈量熱電偶電壓請求的增益普通為100到300，而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數。通常采用丈量放大器來放大信號，由于它能夠除去熱電偶連線里的共模噪聲。市場上還能夠買到熱電偶信號調理器，如模仿器件公司的AD594/595，可用來簡化硬件接口。 固態熱傳感器 zui簡單的半導體溫度傳感器就是一個PN結，例如二極管或晶體管基極-發射極之間的PN結。假如一個恒定電流流過正向偏置的硅PN結，正向壓降在溫度每變化1℃時會降低1.8mV。很多IC應用半導體的這一特性來丈量溫度，包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74等等。半導體傳感器的接口方式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線接口都能夠。 溫度傳感器品種很多，經過正確地選擇軟件和硬件，一定能夠找到合適本人應用的傳感器。 |
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