溫度傳感器的應(yīng)用及原理

溫度測(cè)量應(yīng)用非常廣泛，不僅生產(chǎn)工藝需要溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對(duì)它們自身的溫度進(jìn)行測(cè)量，如計(jì)算機(jī)要監(jiān)控CPU的溫度，馬達(dá)控制器要知道功率驅(qū)動(dòng)IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器。溫度是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要測(cè)試的參數(shù)，從鋼鐵制造到半導(dǎo)體生產(chǎn)，很多工藝都要依靠溫度來實(shí)現(xiàn)，溫度傳感器是應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界之間的橋梁。本文對(duì)不同的溫度傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，并介紹與電路系統(tǒng)之間的接口。
熱敏電阻器
用來測(cè)量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)，也就是說溫度下降時(shí)它的電阻值會(huì)升高。在所有被動(dòng)式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時(shí)電阻的變化)最高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。

表1是一個(gè)典型的NTC熱敏電阻器性能參數(shù)。

這些數(shù)據(jù)是對(duì)Vishay-Dale熱敏電阻進(jìn)行量測(cè)得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個(gè)比率形式給出(R/R25)，該比率表示當(dāng)前溫度下的阻值與25℃時(shí)的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類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(shí)阻值為10KΩ的電阻，在0℃時(shí)電阻為28.1KΩ，60℃時(shí)電阻為4.086KΩ；與此類似，25℃時(shí)電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時(shí)電阻則為 14.050KΩ。

雖然這里的熱敏電阻數(shù)據(jù)以10℃為增量，但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點(diǎn)之間某一溫度下的阻值，可以用這個(gè)曲線來估計(jì)，也可以直接計(jì)算出電阻值，計(jì)算公式如下：

熱敏電阻一般有一個(gè)誤差范圍，用來規(guī)定樣品之間的一致性。根據(jù)使用的材料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設(shè)計(jì)成應(yīng)用時(shí)可以互換，用于不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，例如一臺(tái)儀器，用戶或現(xiàn)場(chǎng)工程師只能更換熱敏電阻而無法進(jìn)行校準(zhǔn)，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多。

圖2是利用熱敏電阻測(cè)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，一般它與ADC的參考電壓一致，因此如果ADC的參考電壓是5V，Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯(lián)產(chǎn)生分壓，其阻值變化使得節(jié)點(diǎn)處的電壓也產(chǎn)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(gè)電阻，電流流過它時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，因此電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保拉升電阻足夠大，以防止熱敏電阻自熱過度，否則系統(tǒng)測(cè)量的是熱敏電阻發(fā)出的熱，而不是周圍環(huán)境的溫度。
熱敏電阻消耗的能量對(duì)溫度的影響用耗散常數(shù)來表示，它指將熱敏電阻溫度提高比環(huán)境溫度高1℃所需要的毫瓦數(shù)。耗散常數(shù)因熱敏電阻的封裝、管腳規(guī)格、包封材料及其它因素不同而不一樣。
系統(tǒng)所允許的自熱量及限流電阻大小由測(cè)量精度決定，測(cè)量精度為±5℃的測(cè)量系統(tǒng)比精度為±1℃測(cè)量系統(tǒng)可承受的熱敏電阻自熱要大。應(yīng)注意拉升電阻的阻值必須進(jìn)行計(jì)算，以限定整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)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(shí)需要對(duì)熱敏電阻的輸入進(jìn)行標(biāo)定以便得到合適的溫度分辨率，圖3是一個(gè)將10～40℃溫度范圍擴(kuò)展到ADC整個(gè)0～5V輸入?yún)^(qū)間的電路。
運(yùn)算放大器輸出公式如下：

一旦熱敏電阻的輸入標(biāo)定完成以后，就可以用圖表表示出實(shí)際電阻與溫度的對(duì)應(yīng)情況。由于熱敏電阻是非線性的，所以需要用圖表表示，系統(tǒng)要知道對(duì)應(yīng)每一個(gè)溫度ADC的值是多少，表的精度具體是以1℃為增量還是以5℃為增量要根據(jù)具體應(yīng)用來定。

累積誤差

用熱敏電阻測(cè)量溫度時(shí)，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些場(chǎng)合需要精度為1%的電阻，而有些可能需要精度為0.1%的電阻。在任何情況下都應(yīng)用一張表格算出所有元件的累積誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。

如果要求精度高而又想少花一點(diǎn)錢，則需要在系統(tǒng)構(gòu)建好后對(duì)它進(jìn)行校準(zhǔn)，由于線路板及熱敏電阻必須在現(xiàn)場(chǎng)更換，所以一般情況下不建議這樣做。在設(shè)備不能作現(xiàn)場(chǎng)更換或工程師有其它方法監(jiān)控溫度的情況下，也可以讓軟件建一張溫度對(duì)應(yīng)ADC變化的表格，這時(shí)需要用其它工具測(cè)量實(shí)際溫度值，軟件才能創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的表格。對(duì)于有些必須要現(xiàn)場(chǎng)更換熱敏電阻的系統(tǒng)，可以將要更換的元件(傳感器或整個(gè)模擬前端)在出廠前就校準(zhǔn)好，并把校準(zhǔn)結(jié)果保存在磁盤或其它存儲(chǔ)介質(zhì)上，當(dāng)然，元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。

電阻溫度探測(cè)器

電阻溫度探測(cè)器(RTD)實(shí)際上是一根特殊的導(dǎo)線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導(dǎo)線，也可以是一層薄膜，采用電鍍或?yàn)R射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。
RTD的電阻值以0℃阻值作為標(biāo)稱值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時(shí)它的阻值通常為100.39Ω，50℃時(shí)為119.4Ω，圖4是RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。 RTD的誤差要比熱敏電阻小，對(duì)于鉑來說，誤差一般在0.01%，鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同。

熱電偶

熱電偶由兩種不同金屬結(jié)合而成，它受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的電壓，電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料，鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是最常用的三種。
熱電偶產(chǎn)生的電壓很小，通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時(shí)電壓變化只有大約40μV，因此測(cè)量系統(tǒng)要能測(cè)出4μV的電壓變化測(cè)量精度才可以達(dá)到0.1℃。
由于兩種不同類型的金屬結(jié)合在一起會(huì)產(chǎn)生電位差，所以熱電偶與測(cè)量系統(tǒng)的連接也會(huì)產(chǎn)生電壓。一般把連接點(diǎn)放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處以同一溫度下，從而降低誤差。有時(shí)候也會(huì)測(cè)量隔熱塊的溫度，以補(bǔ)償溫度的影響(圖5)。

固態(tài)熱傳感器

最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體溫度傳感器就是一個(gè)PN結(jié)，例如二極管或晶體管基極-發(fā)射極之間的PN結(jié)。如果一個(gè)恒定電流流過正向偏置的硅 PN結(jié)，正向壓降在溫度每變化1℃時(shí)會(huì)降低1.8mV。很多IC利用半導(dǎo)體的這一特性來測(cè)量溫度，包括美信的MAX1617、國(guó)半的LM335和LM74 等等。半導(dǎo)體傳感器的接口形式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線接口都可以。溫度傳感器種類很多，通過正確地選擇軟件和硬件，一定可以找到適合自己應(yīng)用的傳感器。