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    各種溫度傳感器分類及其原理

    編輯:深圳市嵩隆電子有限公司時間:2019-10-12 11:49
      溫度傳感器是檢測溫度的器件,其種類最多,應用最廣,發展最快。眾所周知,日常使用的材料及電子元件大部分特性都隨溫度而變化,在此我們暫時介紹最常用的熱電阻和熱電偶兩類產品。

      1.熱電偶的工作原理

      當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路,其兩端相互連接時,只要兩結點處的溫度不同,一端溫度為T,稱為工作端或熱端,另一端溫度為TO,稱為自由端(也稱參考端)或冷端,則回路中就有電流產生,如圖2-1(a)所示,即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由于溫度不同而產生電動勢的現象稱為塞貝克效應。與塞貝克有關的效應有兩個:其一,當有電流流過兩個不同導體的連接處時,此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向),稱為珀爾帖效應;其二,當有電流流過存在溫度梯度的導體時,導體吸收或放出熱量(取決于電流相對于溫度梯度的方向),稱為湯姆遜效應。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢EAB(T,T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產生的電勢,此電勢與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關。溫差電勢是指同一導體或半導體在溫度不同的兩端產生的電勢,此電勢只與導體或半導體的性質和兩端的溫度有關,而與導體的長度、截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關。無論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處端點的電子數不同而產生的電勢,熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。當回路斷開時,在斷開處a,b之間便有一電動勢差△V,其極性和大小與回路中的熱電勢一致,如圖2-1(b)所示。并規定在冷端,當電流由A流向B時,稱A為正極,B為負極。實驗表明,當△V很小時,△V與△T成正比關系。定義△V對△T的微分熱電勢為熱電勢率,又稱塞貝克系數。塞貝克系數的符號和大小取決于組成熱電偶的兩種導體的熱電特性和結點的溫度差。

      2.熱電偶的種類

      目前,國際電工委員會(IEC)推薦了8種類型的熱電偶作為標準化熱電偶,即為T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

      熱電阻

      1.熱電阻材料的特性

      導體的電阻值隨溫度變化而改變,通過測量其阻值推算出被測物體的溫度,利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器,這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內的溫度測量。

      純金屬是熱電阻的主要制造材料,熱電阻的材料應具有以下特性:

     、匐娮铚囟认禂狄蠖曳定,電阻值與溫度之間應具有良好的線性關系。

     、陔娮杪矢,熱容量小,反應速度快。

     、鄄牧系膹同F性和工藝性好,價格低。

     、茉跍y溫范圍內化學物理特性穩定。

      目前,在工業中應用最廣的鉑和銅,并已制作成標準測溫熱電阻。

      2.鉑電阻

      鉑電阻與溫度之間的關系接近于線性,在0~630.74℃范圍內可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2)(2-1)在-190~0℃范圍內為Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3)(2-2)式中,RO、Rt為溫度0°及t°時鉑電阻的電阻值,t為任意溫度,A、B、C為溫度系數,由實驗確定,A=3.9684×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-l2/℃3。由式(2-1)和式(2-2)看出,當R0值不同時,在同樣溫度下,其Rt值也不同。

      3.銅電阻

      在測溫精度要求不高,且測溫范圍比較小的情況下,可采用銅電阻做成熱電阻材料代替鉑電阻。在-50~150℃的溫度范圍內,銅電阻與溫度成線性關系,其電阻與溫度關系的表達式為Rt=R0(1+At)(2-3)式中,A=4.25×10-3~4.28×10-3℃為銅電阻的溫度系數

      按照溫度傳感器

      輸出信號的模式,可大致劃分為三大類:數字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。

      一、模擬溫度傳感器

      傳統的模擬溫度傳感器,如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監控,在一些溫度范圍內線性不好,需要進行冷端補償或引線補償;熱慣性大,響應時間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比,具有靈敏度高、線性度好、響應速度快等優點,而且它還將驅動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上,有實際尺寸小、使用方便等優點。常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。這里主要介紹該類器件的幾個典型。

      1、AD590溫度傳感器

      AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器,供電電壓范圍為3"30V,輸出電流223μA(-50℃)"423μA(+150℃),靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時,R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大,以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源,最高可達20MΩ,所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

      2、LM135/235/335溫度傳感器

      LM135/235/335系列是美國國家半導體公司(NS)生產的一種高精度易校正的集成溫度傳感器,工作特性類似于齊納穩壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K,具有小于1Ω的動態阻抗,工作電流范圍從400μA到5mA,精度為1℃,LM135的溫度范圍為-55℃"+150℃,LM235的溫度范圍為-40℃"+125℃,LM335為-40℃"+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該系列器件廣泛應用于溫度測量、溫差測量以及溫度補償系統中。

      二、邏輯輸出型溫度傳感器

      在許多應用中,我們并不需要嚴格測量溫度值,只關心溫度是否超出了一個設定范圍,一旦溫度超出所規定的范圍,則發出報警信號,啟動或關閉風扇、空調、加熱器或其它控制設備,此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

      1、LM56溫度開關

      LM56是NS公司生產的高精度低壓溫度開關,內置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負載。

      電源電壓從2.7"10V,工作電流最大230μA,內置傳感器的靈敏度為6.2mV/℃,傳感器輸出電壓為6.2mV/℃×T+395mV。

      2、MAX6501/02/03/04溫度監控開關

      MAX6501/02/03/04是具有邏輯輸出和SOT-23封裝的溫度監視器件開關,它的設計非常簡單:用戶選擇一種接近于自己需要的控制的溫度門限(由廠方預設在-45℃到+115℃,預設值間隔為10℃)。直接將其接入電路即可使用,無需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503為漏極開路低電平報警輸出,MAX6502/MAX6504為推/拉式高電平報警輸出,MAX6501/MAX6503提供熱溫度預置門限(35℃到+115℃),當溫度高于預置門限時報警;MAX6502/MAX6504提供冷溫度預置門限(-45℃到+15℃),當溫度低于預置門限時報警。對于需要一個簡單的溫度超限報警而又空間有限的應用如筆記本電腦、蜂窩移動電話等應用來說是非常理想的,該器件的典型溫度誤差是±0.5℃,最大±4℃,滯回溫度可通過引腳選擇為2℃或10℃,以避免溫度接近門限值時輸出不穩定。這類器件的工作電壓范圍為2.7V到5.5V,典型工作電流30μA。

      三、數字式溫度傳感器

      1、MAX6575/76/77數字溫度傳感器

      如果采用數字式接口的溫度傳感器,上述設計問題將得到簡化。同樣,當A/D和微處理器的I/O管腳短缺時,采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測量問題。以MAX6575/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例,這類器件可通過單線和微處理器進行溫度數據的傳送,提供三種靈活的輸出方式--頻率、周期或定時,并具備±0.8℃的典型精度,一條線最多允許掛接8個傳感器,150μA典型電源電流和2.7V到5.5V的寬電源電壓范圍及-45℃到+125℃的溫度范圍。它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期,采用6腳SOT-23封裝,僅占很小的板面。該器件通過一條I/O與微處理器相連,利用微處理器內部的計數器測出周期后就可計算出溫度。

      2、可多點檢測、直接輸出數字量的數字溫度傳感器DS1612

      DS1612是美國達拉斯半導體公司生產的CMOS數字式溫度傳感器。內含兩個不揮發性存儲器,可以在存儲器中任意的設定上限和下限溫度值進行恒溫器的溫度控制,由于這些存儲器具有不揮發性,因此一次定入后,即使不用CPU也仍然可以獨立使用。

      溫度測量原理和精度:在芯片上分別設置了一個振蕩頻率溫度系數較大的振蕩器(OSC1)和一個溫度系數較小的振蕩器(OSC2)。在溫度較低時,由于OSC2的開門時間較短,因此溫度測量計數器計數值(n)較;而當溫度較高時,由于OSC2的開門時間較長,其計數值(m)增大。

      如果在上述計數值基礎上再加上一個同實際溫度相差的校正數據,就可以構成一個高精度的數字溫度傳感器。該公司將這個校正值定入芯片中的不揮發存儲器中,這樣傳感器輸出的數字量就可以作為實際測量的溫度數據,而不需要再進行校準。它可測量的溫度范圍為-55℃"+125℃,在0℃"+70℃范圍內,測量精度為±0.5℃,輸出的9位編碼直接與溫度相對應。

      DS1621同外部電路的控制信號和數據的通信是通過雙向總線來實現的,由CPU生成串行時鐘脈沖(SCL),SDA是雙向數據線。通過地址引腳A0、A1、A2將8個不同的地址分配給各器件。通過設定寄存器來設置工作方式,并對工作狀態進行監控。被測的溫度數據被存儲在溫度傳感器寄存器中,高溫(TH)和低溫(TL)閾值寄存器存儲了恒溫器輸出(Tout)的閾值。

      現在,各種集成的溫度傳感器的功能越來越專業化。比如,MAXIM公司近期推出的MAX1619是一種增強型精密遠端數字溫度傳感器,能夠監測遠端P-N結和其自身封裝的溫度。它具有雙報警輸出:ALERT和OVERT。ALERT用于指示各傳感器的高/低溫狀態,OVERT信號等價于一個自動調溫器,在遠端溫度傳感器超上限時觸發,MAX1619與MAX1617A完全軟件兼容,非常適合于系統關斷或風扇控制,甚至在系統“死鎖”后仍能正常工作。美國達拉斯半導體公司的DS1615是有記錄功能的溫度傳感器。器件中包含實時時鐘、數字式溫度傳感器、非易失性存儲器、控制邏輯電路以及串行接口電路。數字溫度傳感器的測量范圍為-40℃"+85℃,精度為±2℃,讀取9位時的分辨率是0.03125℃。時鐘提供的時間從秒至年月,并對到2100年以前的閏年作了修正。電源電壓為2.2V"5.5V,8腳SOIC封裝。DS17775是數字式溫度計及恒溫控制器集成電路。其中包含數字溫度傳感器、A/D轉換器、數字寄存器、恒溫控制比較器以及兩線串行接口電路。供電電壓在3V至5V時的測量溫度精度為±2℃,讀取9位時的分辨率是0.5℃,讀取13位時的分辨率是0.03125℃。
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