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对于温度传感器的原理及应用,下面这篇文章供您阅读哦

所属分类:行业资讯    发布时间: 2021-05-12    作者:admin
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温度传感器的原理及应用

温度测量被广泛使用。不仅生产过程需要温度控制,一些电子产品也需要测量自身温度。比如电脑需要监控CPU的温度,电机控制器需要知道电源驱动IC的温度等。以下是一些常用的温度传感器。温度是实际应用中需要经常测试的参数。从钢铁制造到半导体生产,许多过程都依赖于温度。温度传感器是应用系统和现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行了简要总结,并介绍了与电路系统的接口。
热敏电阻
测量温度的传感器有很多种,热敏电阻就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC),这意味着当温度下降时,其电阻值会上升。在所有无源温度传感器中,热敏电阻的灵敏度.高(即温度变化一度时电阻的变化),但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。

典型NTC热敏电阻的性能参数。

这些数据是通过测量Vishay-Dale热敏电阻得到的,但也代表了NTC热敏电阻的整体情况。电阻值以比值(R/R25)的形式给出,该比值代表当前温度下的电阻值与25℃下的电阻值之比。一般相同系列的热敏电阻具有相似的特性和相同的电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例,电阻在25℃时为10 kω,0℃时为28.1 kω,60℃时为4.086 kω。同样,25℃时电阻为5ω的热敏电阻在0℃时电阻为14.050ω。

虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量,但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想知道两点之间某一温度下的电阻值,可以用这条曲线来估算或者直接计算电阻值。计算公式如下:

热敏电阻一般都有误差范围,用来指定样本之间的一致性。误差值通常在1%到10%之间,具体取决于所使用的材料。有些热敏电阻在应用中是可互换的,不能在现场调整。例如,在仪器中,用户或现场工程师只能更换热敏电阻,但不能校准它们。这种热敏电阻比普通的要..得多,也贵得多。

热敏电阻测量温度的典型电路。
电阻R1将热敏电阻电压上拉至基准电压,一般与ADC的基准电压一致,所以如果ADC的基准电压为5V,Vref也将为5V。热敏电阻和电阻串联产生分压,节点处的电压也随着电阻值的变化而变化。该电路的精度取决于热敏电阻和电阻之间的误差以及参考电压的精度。

自热问题

由于热敏电阻是电阻,当电流流过它时会产生一定的热量。因此,电路设计人员应确保上拉电阻足够大,以防止热敏电阻过热,否则,系统测量的是热敏电阻发出的热量,而不是周围环境的温度。
热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数表示,耗散常数是指将热敏电阻的温度比环境温度高1℃所需的毫瓦。耗散常数因热敏电阻封装、引脚规格、封装材料和其他因素而异。
系统允许的自发热和限流电阻由测量精度决定。测量系统可以承受热敏电阻的自发热,测量精度比1℃高5℃。需要注意的是,必须计算上拉电阻的电阻值,以限制整个测量温度范围内的自热功耗。给定电阻值,由于热敏电阻电阻值的变化,不同温度下的功耗也不同。有时,需要校准热敏电阻的输入,以获得适当的温度分辨率。图3是将温度范围从10℃扩展到40℃到ADC整个0 ~ 5 V输入区间的电路。
运算放大器的输出公式如下:

一旦热敏电阻的输入校准完成,实际电阻与温度的对应情况就可以用图表显示出来。因为热敏电阻是非线性的,所以需要用图表来表示。系统需要知道每个温度对应的ADC值。表的精度是以1℃还是5℃为增量取决于具体应用。

累积误差

用热敏电阻测量温度时,应在输入电路中选择传感器和其他元件,以匹配所需的精度。有些场合需要精度为1%的电阻,而有些场合可能需要精度为0.1%的电阻。在任何情况下,都应使用表格来计算所有元件的累积误差对测量精度的影响,包括电阻、参考电压和热敏电阻本身。

如果需要高精度,想少花钱,需要在系统建成后进行校准。因为电路板和热敏电阻必须在现场更换,所以一般不建议这样做。如果设备无法在现场更换,或者工程师有其他方法来监控温度,软件还可以创建一个对应于模数转换器变化的表。此时,需要其他工具来测量实际温度值,软件才能创建相应的表。对于一些需要在现场更换热敏电阻的系统,可以在出厂前对需要更换的元件(传感器或整个模拟前端)进行校准,校准结果可以保存在磁盘或其他存储介质上。当然,软件必须能够知道组件更换后校准后的数据。

电阻式温度检测器

电阻温度检测器(RTD)实际上是一种特殊的导线,其电阻随温度而变化。通常,RTD材料包括铜、铂、镍和镍/铁合金。RTD元件可以是通过电镀或溅射涂覆在陶瓷基底上的导线或薄膜。
RTD电阻的标称值为0℃。铂RTD在0℃和100ω时的电阻通常在1℃时为100.39ω,在50℃时为119.4ω。图4是RTD电阻/温度曲线和热敏电阻电阻电阻/温度曲线之间的比较。RTD的误差小于热敏电阻,一般铂为0.01%,镍为0.5%。RTD和热敏电阻之间的接口电路除了误差小和电阻外,基本相同。

热电偶

热电偶是由两种不同的金属结合而成的,加热时会产生很小的电压。电压取决于组成热电偶的两种金属材料,其中.常用的三种是铁-康铜(J型)、铜-康铜(T型)和铬-铝(K型)热电偶。
热电偶产生的电压很小,通常只有几毫伏。当K热电偶温度变化1℃时,电压变化只有40μV左右,因此测量系统必须能够测量4μV的电压变化,测量精度才能达到0.1℃。
由于两种不同类型金属的结合会产生电位差,热电偶与测量系统的连接也会产生电压。一般是把连接点放在绝缘块上,减少这种影响,使两个节点温度相同,从而减少误差。有时,也测量绝缘块的温度,以补偿温度的影响(图5)。

固态热传感器

.简单的半导体温度传感器是PN结,例如二极管或晶体管基极和发射极之间的PN结。如果有恒定电流流过正向偏置的硅PN结,当温度变化1℃时,正向压降将降低1.8毫伏。很多ic都是利用半导体的这个特性来测量温度的,包括马克西姆的MAX1617,中国的LM335和LM74等等。半导体传感器有各种接口,从电压输出到串行SPI/微线接口。温度传感器有很多种。通过选择合适的软件和硬件,我们可以找到适合自己应用的传感器。