傳感器原理及應(yīng)用

1、溫度傳感器的應(yīng)用及原理溫度測量應(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)品還需對它們 自身的溫度進行測量，如計算機要監(jiān)控CPU勺溫度，馬達控制器要知道功率驅(qū)動 IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器。溫度是實際應(yīng)用中經(jīng)常需要測試的參數(shù)， 從鋼鐵制造到半導(dǎo)體生產(chǎn)，很多工藝都 要依靠溫度來實現(xiàn)，溫度傳感器是應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)實世界之間的橋梁。 本文對不同 的溫度傳感器進行簡要概述，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 負溫度系數(shù)（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 傳感器中，熱敏電阻的靈敏度

2、（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NTCS敏電阻器性能參數(shù)。這些數(shù)據(jù)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25c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，25c時阻值為10KQ的電 阻，在0c時電阻為28.1KQ, 60c時電阻為4.086KQ;與此類似，25c時電阻 為5KQ的熱敏電阻在0c時電阻則為14.050KQ。圖1是熱敏電阻的溫度曲線，可

3、以看到電阻/溫度曲線是非線性的雖然這里的熱敏電阻數(shù)據(jù)以10c為增量，但有些熱敏電阻可以以5c甚至1C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:這里T指開氏絕對溫度，A B、C、D是常數(shù)，根據(jù)熱敏電阻的特性而各有不同， 這些參數(shù)由熱敏電阻的制造商提供。熱敏電阻一般有一個誤差范圍，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豚10戒問。有些熱敏電阻設(shè)計成應(yīng)用時可以互換，用于不能進行現(xiàn)場調(diào)節(jié)的場合，例如一臺儀器，用戶或現(xiàn)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

4、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開到參 考電壓，一般它與ADC勺參考電壓一致，因此如果 ADC的參考電壓是5V, Vref 也將是5V。熱敏電阻和電阻用聯(lián)產(chǎn)生分壓，其阻值變化使得節(jié)點處的電壓也產(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。據(jù)ELI。與一自熱問題由于熱敏電阻是一個電阻， 電流流過它時會產(chǎn)生一定的熱量， 因此電路設(shè)計人員應(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

5、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量精度決定，測量精度為±5的測量系統(tǒng)比精度為±1測量系統(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行計算，以限定整個測量溫度范圍內(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。有時需要對熱敏電阻的輸入進行標定以便得到合適的溫度分辨率， 圖 3 是一個將1040c溫度范圍擴展到ADCB個05V輸入?yún)^(qū)間的電路。運算放大器輸出公式如下：一旦熱敏電阻的輸入標定完成以后， 就可以用圖表表示出實際電阻與溫度的對應(yīng)情況。 由于熱敏電阻是非線

6、性的， 所以需要用圖表表示， 系統(tǒng)要知道對應(yīng)每一個溫度ADC的值是多少，表白精度具體是以1C為增量還是以5c為增量要根據(jù)具 體應(yīng)用來定。累積誤差用熱敏電阻測量溫度時， 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測量精度的影響，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錢， 則需要在系統(tǒng)構(gòu)建好后對它進行校準， 由于線路板及熱敏電阻必須在現(xiàn)場更換， 所以一般情況下不建議這樣做。 在設(shè)備不能作現(xiàn)場更換或工程師有其它方法監(jiān)控溫度的情況

7、下，也可以讓軟件建一張溫度對 應(yīng)AD吸化的表格，這時需要用其它工具測量實際溫度值， 軟件才能創(chuàng)建相對應(yīng) 的表格。對于有些必須要現(xiàn)場更換熱敏電阻的系統(tǒng)，可以將要更換的元件 （傳感 器或整個模擬前端）在出廠前就校準好，并把校準結(jié)果保存在磁盤或其它存儲介 質(zhì)上，當然，元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準后的數(shù)據(jù)。7Hr 4 !，一 .- - 1.- -R?l3 -4 iii151W : RT© '1j J ：;紂-2a -ib -b" io兩"5b - m -soco7ti i an so ioo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

8、面我們 介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器。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(dǎo)線，它的電阻隨溫度變化而變化， 通常RTD材料包括銅、鋁、鍥及鍥/鐵合金。RTDS件可以是一根導(dǎo)線，也可以 是一層薄膜，采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。RTD的電阻值以0c阻值作為標稱值。0c 100。珀RTD電阻在1C時它的阻值通 常為100.39 Q, 50c時為119.4 Q,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，對于柏來說，誤差一般在 0.01%,鍥一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTDt熱敏電阻的接口電路基 本相

9、同。熱電偶熱電偶由兩種不同金屬結(jié)合而成，它受熱時會產(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）和銘-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1C時電壓變化只有大約40 pV,因此測量系統(tǒng)要能測出4V的電壓 變化測量精度才可以達到0.1 C。f，I fie.由于兩種不同類型的金屬結(jié)合在一起會產(chǎn)生電位差，所以熱電偶與測量系統(tǒng)的連 接也會產(chǎn)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(jié)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）。-電壓假大雪追鹿聊快電路j Q_出電壓放火鞫測量熱電偶電壓要求的增益一般為 100到300,而熱電偶擷取的噪聲也會放大同 樣的倍數(shù)。通常采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 模噪聲。市場上還可以買到熱電偶信號調(diào)節(jié)器，如模擬器件公司的AD594/595,可用來簡化硬件接口。固態(tài)熱傳感器最簡單的半導(dǎo)體溫度傳感器就是一個 PN結(jié)，例如二極管或晶體管基極-發(fā)射極之 問的PN結(jié)。如果一個恒定電流流過正向偏置的硅 P