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全面为您概述关于温度传感器设计指南细节分析

来源:发表时间:2019-06-22


      温度是世界上最常测量的参数,但很难准确测量。最常用的电气温度测量装置是热电偶,温度相关的电阻元件 - RTD和热敏电阻 - 以及半导体二极管元件。虽然使用这些方法众所周知,但在尝试以高于0.5°C或0.1°C的精度进行测量时,面临挑战。克服这些挑战并将传感器集成到基于CPU的控制或监控系统中需要模拟和数字电路设计以及固件开发方面的专业常识。
      本文旨在帮助设计温度传感器的工程师进入他们的系统,无论是直接监控还是控制,防止过热,或校准其他温度敏感传感器或系统组件,如气体和流量计。当最初考虑将温度传感器类型集成到新应用程序中时,第一个问题与传感器的“良好”程度有关 这将在以后出现而是与应用程序的匹配程度如何。
      因此,咱们首先考虑决定哪种传感器类型最适合任何给定应用的因素。然后,咱们检查可用的不同传感器类型,以便它们的相对优点和缺点变得明显。有了这些比较资料,咱们继续研究一些更深入的实际考虑; 在将这些传感器设计到实际应用中时需要采取的措施和要点。咱们通过突出显示您可以用来开始传感器系统设计的一些当前可用的套件和硬件来完成。
考虑您的应用程序,并将传感器与其匹配
      传感器的特征在于许多参数,其可大致分为电气,物理和环境类型。可以将传感器在这些参数方面的配置文件与应用程序的需求规范进行比较,以确定最佳配置。例如,家用恒温器不需要非常高的精度,但对于大批量生产应该是低成本的。相比之下,价格对于医疗仪器传感器来说可能不那么重要,但高精度,分辨率和抗噪声通常是必不可少的。
      不同的应用将对传感器的准确性提出不同的要求。对“准确性”的任何考虑也应扩展到歧视和精确性的相关特征。准确度是传感器提供接近测量温度真实值的结果的能力,而鉴别是产生可检测的输出变化所需的输入的最小变化。精度定义了传感器在相同规定条件下重复测量相同变量时给出相同读数的能力。
温度探测器也容易出错,可以是系统的或随机的。系统误差可能由漂移或测量过程改变被测量(加载误差)引起。从传感器中提取信号以进行传输也可以改变或衰减它。随机误差可能由噪声引起,噪声可能由EMI,热电偶效应,传感器与被测材料之间的热梯度,公差,走线电阻和漏电流产生。
      传感器的输入范围跨度在最高和最低温度方面显然至关重要,但相关参数也适用。例如,当将传感器集成到相关的测量电路时,灵敏度很重要; 它被定义为校准曲线的斜率y = f(x)。传感器还可能出现与灵敏度相关的误差,例如饱和度和“死区”。线性度或校准曲线与指定直线的接近程度是大多数传感器的主要问题,稍后将对此进行讨论。
      在某些情况下,传感器的动态特性也很重要。物理质量,电感或电容或热容如何影响传感器对脉冲,步进或其他输入变化的动态响应?
      在许多应用中,温度传感器对其目标环境的弹性与其技术特性一样重要。例如,如果发生腐蚀,传感器导体的横截面积将减小,从而增加其阻力并影响其精度。对于RTD型传感器,这使得像铂金这样的贵金属的选择具有吸引力,因为它可以防止这个问题。相反,污染可以通过沿元件外部建立替代或分流路径来降低阻力。污染和腐蚀都会导致传感器输出的漂移和稳定性降低。
长时间的机械冲击和振动会改变传感器读数,或者可能导致间歇性或完全失效。还可能导致传感器漂移和稳定性降低。例如,RTD探头可能在元件和传感器引线之间的连接处易受攻击。典型的RTD将指定耐冲击性为100G,持续时间为8ms,对20G的抗振动能力为10Hz至2KHz。
      极端温度,潮湿位置或反应材料会降低绝缘电阻,在元件和壳体之间设置分流路径,这将降低表观读数。因此,传感器可以指定为耐化学腐蚀,IP额定,ATEX认可或指定用于高振动环境。相反,它可能需要考虑它对环境的影响; 例如,它可能需要食品使用评级。
      探针在物理上与其环境相互作用的方式也需要考虑。目标安装空间的尺寸是多少?安装需要做哪些安排?它将如何连接到其相关的电子电路中?
      还有其他影响传感器选择的因素,包括易于设置和使用,校准以及传感器是否需要激励电流来运行。最后但同样重要的是,还有与传感器选择相关的成本考虑因素。但是,这些因素将在下面给出的传感器类型的比较中进行讨论。
提供不同温度传感器类型
      目前常用的四种接触式温度传感器类型包括热电偶,电阻温度装置(RTDS),热敏电阻和硅IC类型。
热电偶
      热电偶因其具有吸引力的价格,简单,快速的热响应,宽温度范围和坚固性而广受欢迎。它们的使用简化,因为它们不需要激励电源。然而,它们具有有限的精度,高度非线性并且需要显着的线性化算法。另外,与可以将电压信号转换为数字表示的设备相比,它们的电压输出相对较低。因此,在其控制电路中需要模拟增益级。
      热电偶包括两个在一端连接的不同材料的热电偶(电线),称为连接或测量端。热电偶的另一端称为尾端或参考端。接合端与必须测量温度T2的环境接触或浸没在其中,而尾端保持在参考温度 - 例如环境温度。
      由于接头端和尾端之间的温差,可以在尾端的两个热电元件之间测量电压差,因此热电偶是温度 - 电压传感器。
温度与电压的关系由公式1给出:


公式1:热电偶温度 - 电压关系
      当EMF是电动势或尾端热电偶产生的电压时,T1和T2分别是参考温度和测量端温度,S12称为热电偶的塞贝克系数,S1和S2是塞贝克系数。两个热电元件; 塞贝克系数取决于热电元件材料。塞贝克系数与温度有关。
      公式1还表明热电偶EMF取决于T1和T2。因此,理想地应将尾端保持在冰浴中以提供0℃的参考温度。然而,在实际工业应用中,冰浴通常由冷端补偿IC代替。
      热电偶用字母B,R,S,K,N,E和J表示,根据它们的电压 - 温度关系,如图2所示。有关字母指定热电偶的电压 - 温度关系的更多详细信息可以是在美国国家标准与技术研究院(NIST)网站上找到。

 


      图1字母指定热电偶的电压 - 温度关系
应用包括高温炉,烤箱和窑炉,火箭发动机,燃气器具安全监控,化学品生产和石油精炼厂,食品加工和生产,以及铁,钢和铝的生产和冶炼。
热敏电阻
      热敏电阻通常是金属氧化物陶瓷半导体传感元件。它们可以具有正(PTC)或负(NTC)温度系数,但NTC类型通常用于温度传感和补偿。它们价格低廉,外形小巧,包装齐全。它们具有高精度(通常在+/- 0.05%至+/- 0.02%范围内)和在较窄温度范围内的灵敏度,并且可以使用较小的激励电流,从而减少电线损耗。它们具有良好的抗电噪声性能,易于与电子仪器接口。
      它们的主要缺点是它们的电阻 - 温度特性在低于0℃或高于70℃的温度下非常非线性。它们的质量小会使它们容易受到自热误差的影响,并且它们很容易发生永久性的校准(漂移超出规定的公差)。
      可以使用查找表在App中实行线性化。然而,用于线性化热敏电阻输出的电路可以包括固定电阻器和附加热敏电阻的串联,并联和串并联组合。最简单的电路是并联电阻,其值可以从下面的公式2计算得出:


公式2:线性化电阻计算
      应用包括医疗设备,家用恒温器,电源温度监控,电池充电器,冷端补偿和过热关机。
电阻温度检测器(RTD)
      大多数RTD使用金属丝或薄膜形式,而一些则使用镍,镍/铁合金或铜制成。优点包括高精度,可重复性和稳定性,在-200°C至+ 850°C范围内具有低漂移误差。RTD提供相当线性的输出。
RTD表现出一些非线性,必须使用微控制器中的查找表进行校正。它们比热电偶和热敏电阻更昂贵。它们需要电流源来操作,并且是自加热的; 它们必须在导致不准确的过大偏置电流或降低RTD噪声抗扰度的电流不足之间取得平衡。
      通常1mA或更小的电流源是足够的。在这种情况下,RTD的精度在其温度范围内可以是±4.3°C。如果需要更高的精度,可以使用公式3中所示的Callendar-Van Dusen方程生成查找表:


公式3:用于高精度RTD的Callendar-Van Dusen公式
      RTD应用包括工业仪表,热线风速计和实验室质量测量。
半导体IC传感器
      半导体IC传感器的开发受到汽车,消费者,医疗,计算机和其他应用的推动。它们被嵌入大多数PCB和芯片中。
      它们提供最佳的输出线性度,不需要线性化或冷端补偿。它们可以在与任何其他电子芯片功能相同的芯片和工艺上制造,因此易于高度集成。它们的高输出电平可提供良好的抗噪性,并且可轻松连接到任何其他模拟或数字电路。它们具有较宽的工作温度范围,适用于多种类型的电子电路 - 特别是它们提供逻辑,脉冲,数字或模拟形式的许多有用输出电平。
      半导体IC传感器可用于许多汽车应用,包括混合动力,电气和动力传动系统以及电动机。其他应用包括企业服务器,工业控制,楼宇自动化,电网自动化,医疗,医疗保健和健身,测试和测量,遥感,显示和个人电子产品。
摘要
下面的图2总结了不同温度传感器类型的关键特性。


图2:温度传感器特性的比较
可用的不同传感器输出信号类型
      半导体或数字传感器的一个关键优势是它们能够以有用的形式选择提供输出。Microchip的传感器系列包括逻辑,电压和总线兼容的串行输出类型。
      逻辑输出温度传感器系列具有出色的温度精度(典型值±1°C),工作电流极低,低于600μA。这些器件可以替代各种传感和控制应用中的机械开关。
      电压输出传感器产生与温度成比例的输出电压,标称温度系数分别为6.25 mV /°C和10 mV /°C。这些温度 - 电压转换器可以检测-40°C至+ 125°C的温度范围,并具有允许读取负温度而无需负电源电压的偏移电压。极低的工作电流可最大限度地减少自热,并最大限度地延长电池寿命。
      串行输出传感器具有出色的温度精度(典型值为±0.5°C),工作电流极低,小于250μA。通过行业标准SMBus,I2C?或SPI?兼容接口协议实现与这些器件的通信。这些器件具有非常快的温度转换时间,整个系列的温度分辨率范围为0.0625°C至1°C。
温度传感器集成的实际考虑因素
推动热电偶选择的实用因素
      金莎娱乐官方网站发布了热电偶设计指南,其中包含有关如何为应用选择合适的热电偶的信息,如下所示。它们的选择分布如图3所示,它将传感器类型与应用程序相匹配。


图3:热电偶与应用的匹配
      如图3所示,中等和较轻的热电偶主要用于设备内,不受限制,通常用于较低温度,通常包含在客户的产品中。它们往往是大批量,低成本,易于使用的类型,在降低单位成本方面花费了大量的设计工作。它们有三种基本设计形式:
      柔性电缆温度传感器
      刚性金属管温度传感器
      矿物绝缘温度传感器
      严酷的使用热电偶主要存在于工业厂房,过程控制和工厂中。它们以较小的体积制造以获得更高的温度,并且可以抵抗化学侵蚀,磨损,压力和渗碳。它们通常被驱动接近其物理极限并且具有更高的单位成本,但是可以拆卸以进行修理或贵金属回收。它们的应用通常要求选择能够保护它们免受目标环境影响的护套。这些传感器有三种基本设计形式:
      陶瓷护套
      坚固的金属护套适合高温
      用于化学环境的坚固金属护套
热敏电阻工作条件考虑因素
N      TC热敏电阻 - 主要用于温度测量和补偿 - 是金属氧化物的烧结混合物,包括镍,钴,锰,有时还包括其他氧化物。元件形成为珠子,芯片,圆盘,棒或薄膜。珠状热敏电阻是沉积在两根铂合金线上的半导体浆料滴,在高温下烧结。然后切割导线以制造单独的热敏电阻。芯片和盘式热敏电阻制成薄片材料(晶片),并在高温下烧结。两侧镀银以便连接引线,并将晶圆切成圆盘或芯片。棒状热敏电阻简单地挤出。
      某些操作条件会显着降低测量精度或可靠性,应避免使用。例如,自加热可能会成为隐藏的精度误差,因为当激励电流过高时,热敏电阻会产生自身的热量。具有大的耗散常数,低热阻安装和其他优异散热方式的部件将具有较低的温升。但避免过度自热的主要方法是尽可能降低励磁电流。
      大多数测量误差和过早失效通常来自粗心的安装和操作。例如,虽然热敏电阻被认为是坚固的设备,但请注意不要破坏外壳,分离粘合剂或超过温度上限。
      最后,老化是一种经常被忽视的现象,如果不在维护计划中考虑,则可能导致在长时间使用后失去校准精度。由于散装材料中的电阻缓慢变化以及引线和热敏电阻材料之间的接触区域,它表现为有效的热敏电阻终端电阻随时间的漂移。


图4:热敏电阻内部元件
RTD中出错的常见原因
      使用RTD时,自热是最大的问题来源。特别是在测量温度低于0°C时,读数会受到影响,因此尽可能减小励磁电流非常重要。也可以通过连接引线将误差引入测量; 但是,这些可以通过三线连接减少; 更好的是,可以使用四线连接来消除电压测量中的测试引线电阻。
      另一个常见错误是不选择正确的RTD温度范围。尝试在RTD指定的温度范围之外进行测量可能会导致更大的误差甚至传感器损坏。设计半导体温度传感器 - 实际考虑因素
      IC温度传感器采用远程二极管温度传感器(RDTS)的形式,用于监控高度集成的耗电设备(如CPU IC或双极晶体管)中的二极管结。具有多路复用器前端的RDTS可以是为系统启用多个温度感测节点的经济有效的方式; 所讨论的实现技术也可以应用于其他模拟或数字IC温度传感器。
      如Ebbers-Moll晶体管模型所描述的双极晶体管的基极发射极电压降的标准公式包括反向饱和电流(Is)项,其表现出器件到器件的变化。如果精度不是很严格(4°C-8°C),可以使用单电流方法。
      要取消Is术语,咱们使用双流法。在实际模型中,所需参数是基极发射极结的电流密度,但通过使两个二极管的几何形状相同并通过缩放通过二极管的电流来简化这一点。该电路允许单个差分测量,有助于消除二极管上出现的噪声,从而改善电路的噪声性能。
      因为远程二极管传感器只有一个可用的二极管,所以在连续的时间间隔进行两次差分测量,然后将其减去,得到大约240μV/°C的信号电平。测量的时间差不能提供与使用单个差分测量所获得的相同的抗噪性,但仍然可以接受。集成到高密度,高功率IC中的设计的性能差异很大; 建议仔细检查制造商的规格。
      PCB布局注意事项:PCB上模拟信号完整性的降级来自EMI,热电偶效应,走线电阻和PCB漏电流。数字信号完整性主要受工作频率下的走线长度和阻抗的影响。
      应尽可能减小串联电阻,因为走线阻抗越高,噪声耦合成为问题的可能性就越大。为了进一步降低串联电阻,RDTS器件具有内部补偿电路。允许对器件报告的温度读数进行偏移编程的数字寄存器是相当普遍的,可用于补偿串联电阻。串联电阻对于特定传感器具有线性功能,因为大多数RDTS器件的输入级可以处理由几欧姆串联电阻引起的共模偏移。
      一些RDTS器件实现了串联电阻消除,但这种方法在整体温度读数中引入了更多噪声。没有串联电阻消除的器件可以获得不同电流水平下两个二极管电压读数之间的差异。通常通过引入另一电流水平和另一个二极管电压测量来实现消除串联电阻。但是,电压测量不会同时发生,使噪声消除更加困难。
      针对噪声问题的第一道防线是RDTS内部的电路。如图5所示,模拟前端,ADC架构和芯片上的附加数字滤波都可以确保稳定,无噪声的温度读数。大多数传感器在RDTS的引脚处包括模拟滤波器。一些实现了ΣΔ(sigma-delta)ADC,其包括用于第一级平均的数字滤波器,其在逐次逼近(SAR)ADC中不存在。防御的最后阶段是大多数RDTS设备中包含的数字滤波器,通常称为数字平滑滤波器。由于制造商之间存在产品差异,因此应仔细检查器件数据表。

 


图5:RDTS功能框图
      良好的布局始终很重要,尤其是信号电平低至240μV/°C时。即使模拟传感器具有10 mV /°C的灵敏度,信号电平仍然很小,仍然需要小心。在噪声水平可能高达数百毫伏的数字环境中,保持模拟走线与数字电路和数字走线分离非常重要:注意PCB上走线之间的电感耦合。避免将数字迹线与模拟迹线并行布线。如果数字迹线需要穿过模拟迹线,请确保两条迹线垂直。使用合适的电源旁路电容器并遵循制造商的建议,保护模拟走线免受噪声耦合。没有适当的绕过,
      选择不当的旁路电容会导致PCB泄漏到二极管走线的电流,而不正确的清洁程序也会导致远程二极管传感器的温度读数出错。20 nA的泄漏可能导致超过0.2°C的误差。
      EMI在这里涉及的主题太广泛,但有许多可用的信息来源。如果布局仅限于几个铜/焊点并且信号电平处于亚微伏,则热电偶效应可以忽略不计。
      可以补偿大多数错误源,但不能补偿所有错误源。最好的结果来自于指定具有内置抗噪能力的传感器并遵循适当的布局技术。确保正确安装传感器,以便正确检测目标温度区域或设备,并注意传感器的周围环境。
结论
      温度传感是一个广泛的主题,具有不同的传感器类型,每种传感器都有自己的理论和实际考虑因素供选择和应用。在本文中,金莎娱乐官方网站努力让读者了解这些考虑因素并为他们的项目规划提供信息。

 

本文由上海自动化仪表四厂、 金莎娱乐官方网站、 上海自动化仪表有限企业、编辑,转载请注明版权 相关产品推荐:磁浮子液位计 磁翻板液位计、 电磁流量计、 雷达液位计、 孔板流量计、 热电偶、 流量计、 压力变送器、 涡街流量计、
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