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常用溫度丈量技術(shù)及其接口電路引見
點(diǎn)擊次數(shù)：2095 更新時間：2016-03-27
常用溫度丈量技術(shù)及其接口電路引見 |
| 溫度是實(shí)踐應(yīng)用中經(jīng)常需求測試的參數(shù)，從鋼鐵制造到半導(dǎo)體消費(fèi)，很多工藝都要依托溫度來完成，溫度傳感器是應(yīng)用系統(tǒng)與理想世界之間的橋梁。本文對不同的溫度傳感器停止扼要概述，并引見與電路系統(tǒng)之間的接口。 溫度丈量應(yīng)用十分普遍，不只消費(fèi)工藝需求溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對它們本身的溫度停止丈量，如計(jì)算機(jī)要監(jiān)控CPU的溫度，馬達(dá)控制器要曉得功率驅(qū)動IC的溫度等等，下面引見幾種常用的溫度傳感器。 熱敏電阻器 用來丈量溫度的傳感器品種很多，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)，也就是說溫度降落時它的電阻值會升高。在一切被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈活度(即溫度每變化一度時電阻的變化)zui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(shù)，這些數(shù)據(jù)是對Vishay-Dale熱敏電阻停止量測得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體狀況。其中電阻值以一個比率方式給出(R/R25)，該比率表示當(dāng)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用具有相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；與此相似，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，能夠看到電阻/溫度曲線是非線性的。固然這里的熱敏電阻數(shù)據(jù)以10℃為增量，但有些熱敏電阻能夠以5℃以至1℃為增量。假如想要曉得兩點(diǎn)之間某一溫度下的阻值，能夠用這個曲線來估量，也能夠直接計(jì)算出電阻值，計(jì)算公式如下： 這里T指開氏溫度，A、B、C、D是常數(shù)，依據(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。 熱敏電阻普通有一個誤差范圍，用來規(guī)則樣品之間的分歧性。依據(jù)運(yùn)用的資料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設(shè)計(jì)成應(yīng)用時能夠互換，用于不能停止現(xiàn)場調(diào)理的場所，例如一臺儀器，用戶或現(xiàn)場工程師只能改換熱敏電阻而無法停止校準(zhǔn)，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多。 圖2是應(yīng)用熱敏電阻丈量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓，普通它與ADC的參考電壓分歧，因而假如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電阻，電流流過它時會產(chǎn)生一定的熱量，因而電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保拉升電阻足夠大，以避免熱敏電阻自熱過度，否則系統(tǒng)丈量的是熱敏電阻發(fā)出的熱，而不是四周環(huán)境的溫度。 熱敏電阻耗費(fèi)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進(jìn)步比環(huán)境溫度高1℃所需求的毫瓦數(shù)。耗散常數(shù)因熱敏電阻的封裝、管腳規(guī)格、包封資料及其它要素不同而不一樣。 系統(tǒng)所允許的自熱量及限流電阻大小由丈量精度決議，丈量精度為±5℃的丈量系統(tǒng)比精度為±1℃丈量系統(tǒng)可接受的熱敏電阻自熱要大。 應(yīng)留意拉升電阻的阻值必需停止計(jì)算，以限定整個丈量溫度范圍內(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。 有時需求對熱敏電阻的輸入停止標(biāo)定以便得到適宜的溫度分辨率，圖3是一個將10～40℃溫度范圍擴(kuò)展到ADC整個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，就能夠用圖表表示出實(shí)踐電阻與溫度的對應(yīng)狀況。由于熱敏電阻是非線性的，所以需求用圖表表示，系統(tǒng)要曉得對應(yīng)每一個溫度ADC的值是幾，表的精度詳細(xì)是以1℃為增量還是以5℃為增量要依據(jù)詳細(xì)應(yīng)用來定。 ◆累積誤差 用熱敏電阻丈量溫度時，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需求的精度相匹配。有些場所需求精度為1%的電阻，而有些可能需求精度為0.1%的電阻。在任何狀況下都應(yīng)用一張表格算出一切元件的累積誤差對丈量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻自身。 假如請求精度高而又想少花一點(diǎn)錢，則需求在系統(tǒng)構(gòu)建好后對它停止校準(zhǔn)，由于線路板及熱敏電阻必需在現(xiàn)場改換，所以普通狀況下不倡議這樣做。在設(shè)備不能作現(xiàn)場改換或工程師有其它辦法監(jiān)控溫度的狀況下，也能夠讓軟件建一張溫度對應(yīng)ADC變化的表格，這時需求用其它工具丈量實(shí)踐溫度值，軟件才干創(chuàng)立相對應(yīng)的表格。關(guān)于有些必需要現(xiàn)場改換熱敏電阻的系統(tǒng)，能夠?qū)⒁膿Q的元件(傳感器或整個模仿前端)在出廠前就校準(zhǔn)好，并把校準(zhǔn)結(jié)果保管在磁盤或其它存儲介質(zhì)上，當(dāng)然，元件改換后軟件必需要可以曉得運(yùn)用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。 總的來說，熱敏電阻是一種低本錢溫度丈量辦法，而且運(yùn)用也很簡單，下面我們引見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(shí)踐上是一根特殊的導(dǎo)線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD資料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件能夠是一根導(dǎo)線，也能夠是一層薄膜，采用電鍍或?yàn)R射的辦法涂敷在陶瓷類資料基底上。 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/溫度曲線的比擬。RTD的誤差要比熱敏電阻小，關(guān)于鉑來說，誤差普通在0.01%，鎳普通為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路根本相同。 熱電偶 熱電偶由兩種不同金屬分離而成，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資料，鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是zui常用的三種。 熱電偶產(chǎn)生的電壓很小，通常只要幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時電壓變化只要大約40μV，因而丈量系統(tǒng)要能測出4μV的電壓變化丈量精度才能夠到達(dá)0.1℃。 由于兩種不同類型的金屬分離在一同會產(chǎn)生電位差，所以熱電偶與丈量系統(tǒng)的銜接也會產(chǎn)生電壓。普通把銜接點(diǎn)放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個節(jié)點(diǎn)處以同一溫度下，從而降低誤差。有時分也會丈量隔熱塊的溫度，以補(bǔ)償溫度的影響(圖5)。 丈量熱電偶電壓請求的增益普通為100到300，而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數(shù)。通常采用丈量放大器來放大信號，由于它能夠除去熱電偶連線里的共模噪聲。市場上還能夠買到熱電偶信號調(diào)理器，如模仿器件公司的AD594/595，可用來簡化硬件接口。 固態(tài)熱傳感器 zui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)射極之間的PN結(jié)。假如一個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℃時會降低1.8mV。很多IC應(yīng)用半導(dǎo)體的這一特性來丈量溫度，包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74等等。半導(dǎo)體傳感器的接口方式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線接口都能夠。 溫度傳感器品種很多，經(jīng)過正確地選擇軟件和硬件，一定能夠找到合適本人應(yīng)用的傳感器。 |
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