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温度传感器(热敏电阻,热电偶)的应用和原理

文章出处:yaxun88 人气:发表时间:2019-11-27 15:57

温度测量应用非常广泛,不仅生产过程需要温度控制,而且某些电子产品也需要测量自己的温度。例如,如果计算机要监视CPU的温度,则电动机控制器应知道电源驱动器IC的温度等。以下介绍了几种常用的温度传感器产品。
温度是在实际应用中经常测试的参数。从钢铁制造到半导体生产,许多过程都依赖于温度,温度传感器产品是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文提供了不同温度传感器产品的简要概述,并介绍了电路系统的接口。

热敏电阻
用于测量温度的传感器产品有很多类型,热敏电阻就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC),这意味着其电阻随温度下降而增加。在所有无源温度传感器产品中,热敏电阻的灵敏度(即,每个温度变化程度的电阻变化)最高,但是热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。


表1是典型的NTC热敏电阻性能参数。
NTC热敏电阻性能参数

这些数据是在Vishay-Dale热敏电阻上测量的,但它也代表了NTC热敏电阻的整体状况。电阻值以比率(R / R25)的形式给出,代表当前温度下的电阻与25°C下的电阻之比。通常,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。 10°C时的电阻为10KΩ。电阻在0°C时为28.1KΩ。 4.0°C时的电阻为4.086KΩ;同样,在25°C下的5kΩ热敏电阻在0°C下的电阻为14.050KΩ。
NTC热敏电阻电阻/温度曲线

图1显示了热敏电阻的温度曲线。可以看出,电阻/温度曲线是非线性的。尽管此处的热敏电阻数据以10°C为增量,但某些热敏电阻的增量可以为5°C甚至1°C。如果您想知道两点之间某个温度下的电阻值,可以使用此曲线进行估算,也可以直接计算电阻值。计算公式如下:
电阻值计算公式
这里的T表示开尔文的绝对温度,A,B,C和D是常数,根据热敏电阻的特性而变化。这些参数由热敏电阻的制造商提供。
热敏电阻通常具有一个误差范围,该误差范围用于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。一些热敏电阻被设计为在无法现场调节的应用中可以互换。例如,仪器,用户或现场工程师只能更换热敏电阻,而不能进行校准。这种热敏电阻比普通热敏电阻高得多,而且价格昂贵得多。
图2是使用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压上拉至参考电压,该电压通常与ADC的参考电压一致,因此,如果ADC的参考电压为5V,则Vref也将为5V。热敏电阻和电阻器串联连接以产生分压,并且电阻变化导致节点处的电压也变化。电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
热敏电阻测量温度典型电路

自热问题
由于热敏电阻是电阻器,因此电流流过时会产生一定量的热量。因此,电路设计人员应确保上拉电阻足够大,以防止热敏电阻自发热,否则系统将测量由热敏电阻产生的热量而不是环境温度。

热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数表示,该耗散常数是将热敏电阻温度提高到比环境温度高1°C所需的毫瓦数。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的数量取决于测量精度。测量精度为±5°C的测量系统大于测量系统可以承受的热敏电阻的自发热,精度为±1°C。

应该注意的是,必须计算上拉电阻的电阻,以限制整个测量温度范围内的自热功耗。当给出电阻值时,由于热敏电阻的电阻值的变化,耗散功率在不同温度下也会变化。
有时有必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10至40°C的温度范围扩展至ADC整个0至5 V输入范围的电路。

运算放大器的输出公式如下:
一旦热敏电阻的输入被校准,实际的温度电阻就可以用图形表示。由于热敏电阻是非线性的,因此需要以图形方式表示。系统需要知道每个温度下ADC的值。表格的精度取决于特定的应用,以1°C或5°C的特定增量确定。

累积误差
使用热敏电阻测量温度时,请选择传感器和输入电路中的其他组件以符合所需的精度。在某些情况下,需要使用精度为1%的电阻,有些可能需要使用精度为0.1%的电阻。在任何情况下,都可以使用表格来计算所有组件(包括电阻器,参考电压和热敏电阻本身)的累积误差对测量精度的影响。
如果要高精度而又想减少开支,则需要在系统构建后进行校准。由于必须在现场更换电路板和热敏电阻,因此通常不建议这样做。如果无法在现场更换设备或工程师采用其他方法来监控温度,则该软件也可以用于创建温度相关的ADC变化表。在这种情况下,实际温度值需要使用其他工具进行测量,并且软件可以创建相应的表。对于必须现场更换热敏电阻的系统,可以在工厂对要更换的组件(传感器或整个模拟前端)进行校准,并将校准结果保存在磁盘或其他存储介质上。当然,在更换组件之后,软件必须能够知道已校准数据的使用。
累积误差对测量精度的影响
通常,热敏电阻是一种低成本的温度测量方法,并且易于使用。下面我们介绍电阻温度检测器和热电偶温度传感器。

电阻温度检测器
电阻温度检测器(RTD)实际上是一种特殊的导线,其电阻会随温度而变化。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板上的导线或薄膜。
RTD的电阻值为标称值0°C。 0°C100Ω铂RTD电阻通常在1°C为100.39Ω,在50°C为119.4Ω。图4是RTD电阻/温度曲线与热敏电阻/温度曲线的比较。 RTD的误差小于热敏电阻的误差。对于铂,误差通常为0.01%,镍通常为0.5%。除了很小的误差和电阻外,RTD和热敏电阻的接口电路基本相同。

热电偶
热电偶由两种不同的金属组成,加热时会产生很小的电压。电压的大小取决于构成热电偶的两种金属材料。铁-常数(J型),铜-常数(T型)和铬铝(K型)热电偶是最常用的三种。
热电偶产生很小的电压,通常只有几毫伏。当温度变化1°C时,K型热电偶温度的电压变化仅约为40μV,因此测量系统应能够测量4μV的电压变化达到0.1°C的测量精度。
由于两种不同类型的金属结合在一起会产生电势差,因此热电偶与测量系统的连接也会产生电压。通常将连接点放在绝缘块上以减小这种影响,以使两个节点处于同一温度,从而减小误差。有时还测量绝缘块的温度以补偿温度的影响(图5)。
热电偶测量补偿温度


测量热电偶电压所需的增益通常为100到300,并且热电偶吸收的噪声会放大相同的系数。测量放大器通常用于放大信号,因为它可以消除热电偶线的共模噪声。市场上有热电偶信号调理器,例如ADI公司的AD594 / 595,可简化硬件接口。


固态热传感器
最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-发射极之间的PN结。如果恒定电流流过正向偏置的硅PN结,则温度每变化1°C,正向压降就会降低1.8 mV。许多IC使用半导体的这种特性来测量温度,包括Maxim的MAX1617,该国的LM335和LM74。半导体传感器具有多种接口,从电压输出到串行SPI /微线接口。
温度传感器的类型很多,通过正确选择软件和硬件,您可以找到适合您的应用的传感器。

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