溫度是實際應用中經常需要測試的參數,從鋼鐵製造到半導體生產,很多工藝都要依靠溫度來實現,溫度感測器是應用系統與現實世界之間的橋樑。本文對不同的溫度感測器進行簡要概述,並介紹與電路系統之間的介面。
溫度測量應用非常廣泛,不僅生產工藝需要溫度控制,有些電子產品還需對它們自身的溫度進行測量,如計算機要監控CPU的溫度,馬達控制器要知道功率驅動IC的溫度等等,下面介紹幾種常用的溫度感測器。
熱敏電阻器
用來測量溫度的感測器種類很多,熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度係數(NTC),也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度感測器中,熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時電阻的變化)最高,但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。
表1是一個典型的NTC熱敏電阻器性能參數。
這些數據是對Vishay-Dale熱敏電阻進行量測得到的,但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個比率形式給出(R/R25),該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時的阻值之比,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℃時阻值為10KΩ的電阻,在0℃時電阻為28.1KΩ,60℃時電阻為4.086KΩ;與此類似,25℃時電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時電阻則為 14.050KΩ。
圖1是熱敏電阻的溫度曲線,可以看到電阻/溫度曲線是非線性的。
雖然這裡的熱敏電阻數據以10℃為增量,但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點之間某一溫度下的阻值,可以用這個曲線來估計,也可以直接計算出電阻值,計算公式如下:
這裡T指開氏絕對溫度,A、B、C、D是常數,根據熱敏電阻的特性而各有不同,這些參數由熱敏電阻的製造商提供。
熱敏電阻一般有一個誤差範圍,用來規定樣品之間的一致性。根據使用的材料不同,誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時可以互換,用於不能進行現場調節的場合,例如一台儀器,用戶或現場工程師只能更換熱敏電阻而無法進行校準,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產生分壓,其阻值變化使得節點處的電壓也產生變化,該電路的精度取決於熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。
總的來說,熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法,而且使用也很簡單,下面我們介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度感測器。
電阻溫度探測器
電阻溫度探測器(RTD)實際上是一根特殊的導線,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元件可以是一根導線,也可以是一層薄膜,採用電鍍或濺射的方法塗敷在陶瓷類材料基底上。
RTD的電阻值以0℃阻值作為標稱值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時它的阻值通常為100.39Ω,50℃時為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,對於鉑來說,誤差一般在0.01%,鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外,RTD與熱敏電阻的介面電路基本相同。
熱電偶
熱電偶由兩種不同金屬結合而成,它受熱時會產生微小的電壓,電壓大小取決於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℃時電壓變化只有大約40μV,因此測量系統要能測出4μV的電壓變化測量精度才可以達到0.1℃。
由於兩種不同類型的金屬結合在一起會產生電位差,所以熱電偶與測量系統的連接也會產生電壓。一般把連接點放在隔熱塊上以減小這一影響,使兩個節點處以同一溫度下,從而降低誤差。有時候也會測量隔熱塊的溫度,以補償溫度的影響(圖5)。
測量熱電偶電壓要求的增益一般為100到300,而熱電偶擷取的雜訊也會放大同樣的倍數。通常採用測量放大器來放大信號,因為它可以除去熱電偶連線里的共模雜訊。市場上還可以買到熱電偶信號調節器,如模擬器件公司的AD594/595,可用來簡化硬體介面。
固態熱感測器
最簡單的半導體溫度感測器就是一個PN結,例如二極體或晶體管基極-發射極之間的PN結。如果一個恆定電流流過正向偏置的硅 PN結,正向壓降在溫度每變化1℃時會降低1.8mV。很多IC利用半導體的這一特性來測量溫度,包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74 等等。半導體感測器的介面形式多樣,從電壓輸出到串列SPI/微線介面都可以。
溫度感測器種類很多,通過正確地選擇軟體和硬體,一定可以找到適合自己應用的感測器。
作者:Stuart Ball
電子工程師
Email: sball85964@aol.com
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