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传感器配置可以是2线所 示
浏览: 发布日期:2019-02-05

  温度传感器无处不在。无论是大厦,还是家中,HVAC系统、冰箱、冷藏库和计算机都离不开温度传感器测量。电机控制、组装生产线、过程和生产等工业应用也要求连续监测和温度控制。

  为了支持各种温度检测需求和应用,出现了不同类型的温度传感器。有些传感器设计用于测量大厦内的环境温度,在不同气候下控制温度,有些传感器则用于恶劣环境下的液体温度测量,例如汽车冷却液。

  本指南介绍不同类型温度传感器及其优缺点,以及选择温度传感器时的重要考虑事项。我们将研究并探讨适合不同应用的最佳传感器类型。最后,我们介绍推动技术进步的新进展,以开发更好的温度传感器。

  温度传感器具有不同的形式和各种各样的功能,不同类型的传感器适用于不同应用。在现代化电子设备中,有5种最常用的温度传感器:热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻、本地温度传感器、远端测温二极管IC等。

  热电偶、RTD和热敏电阻是可以提供温度特性测量的检测元件,通过电路连接将传感器信号转换为可用的模拟或数字值。电路通常包括模/数转换器(ADC)、放大器、电压基准以及其他有源或无源元件,或者专用的传感器信号调理器IC。

  本地温度传感器IC利用管芯上晶体管的物理特性作为检测元件。使用ADC、放大器和电平转换等附加电路构成具有模拟或数字接口的传感器。远端温度二极管温度传感器采用外部连接成PN结的晶体管作为检测元件,包括使用一个或多个外部晶体管测量温度所需的全部信号调理电路。本设计指南中,我们讨论本地和远端温度二极管传感器,以及读取温度的方式和最适合的应用。

  热电偶广泛用于各种工业、汽车和消费类设备,采用自供电、无需激励;与其他常见传感器相比,其工作温度范围宽得多(高达+2000C)。裸热电偶具有非常快的响应速度,使系统操作中的温度测量没有明显延迟。

  热电偶利用塞贝克效应检测温度:不同金属类型构成的结之间存在温度差时发生的一种现象。高温区域和低温区域之间的温度差造成两个结之间存在电压差。可利用这一电压差计算温度。

  热电偶由两种连接在一起的异类金属丝制成。产生的输出电压非常小(对于K型热电偶,约为40V/C),需要复杂的信号调理(包括冷端补偿和放大)。热电偶的类型有多种,分别以字母表示。应用最广的热电偶为K型热电偶。表1所列为几种常见热电偶的特性汇总。注意不同类型热电偶之间的灵敏度和测温范围的差异。

  尽管热电偶具有诸多优势,但由于其测量温度时的输出电压非常小,需要高精度放大,具有一定的设计挑战。热电偶对外部噪声的敏感性,特别是热电偶和测量电路之间的导线较长时,也带来了一定的挑战。另一个问题是热电偶引线与铜线(或走线)连接点产生的附加热电偶。铜线连接到信号调理电路,形成另一个热电偶。该点被称为冷端,如图1所示。金属A与金属B之间的结为主热电偶结(也称为“热 端”,尽管其温度可能低于冷端温度)。

  例如,若热电偶所处温度为+525C,而冷端温度为+25C,VOUT指示将为+500C。为补偿冷端效应,就必须测量冷端温度,并将该温度可能产生的热电偶电压增加到VOUT值:

  可以在冷端位置放置一个温度传感器,并利用测得的温度对冷端温度进行补偿,从而完成误差修正。包括冷端补偿的热电偶至数字转换电路如图2所示。高精度运放和电阻为热电偶输出信号提供增益,信号一般为毫伏范围。冷端位置的温度传感器监测该温度值,ADC输出所需分辨率的数据。一般情况下,需要通过校准修正放大器的失调电压,以及电阻、温度传感器、电压基准误差,并进行线性化处理。必须通过执行以上步骤,才能修正热电偶温度-电压关系的非线性效应。

  MAX31855和MAX31856等专用集成电路采用低噪声高精度放大器、冷端补偿传感器和高分辨率ADC,简化热电偶信号调理电路的设计。如图3所示,MAX31856还包括输入保护和线种主流热电偶类型。

  任何金属丝的电阻率都随温度变化。RTD就是基于这一现象的温度传感器,实际上是具有明确电阻-温度特性的电阻。由于铂的化学稳定性以及温度变化响应的线性度较高,属于RTD中最常见、精度最高的金属丝材料。铂RTD也称为PRTD,常用的有100和1k电阻(0C),分别称为PT100和PT1000。镍、铜和其它金属亦可用来制造RTD。铂 RTD具有较宽的温度范围(高达750C)、优异的精度和可重复性,以及适中的线性度。由于RTD具备高精度、高稳定度及宽温范围,适用于各种高精度测量,包括仪器和过程控制。

  阻值-温度关系曲线具有适当的线性度,但有一定弯曲,可由Callendar-Van Dusen方程表示:

  与裸热电偶相比,裸RTD元件的热稳定性较高,对温度变化的响应较慢。RTD和热电偶往往被封装在不锈钢壳中。在这种情况下,对这两种传感器类型来说,整体探头的温度质量相当,所以响应时间也相当。信号调理对RTD温度测量非常重要。激励电流通过RTD,并测量RTD的电压。如果已知激励电流(或可推导出),即可计算得到RTD电阻。传感器配置可以是2线所示。

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